微波干涉衍射

1、微波干涉與布拉格衍射實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)儀器和裝置實(shí)驗(yàn)儀器和裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理要求注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)課堂思考課堂思考選做實(shí)驗(yàn)和有待深入研究的課題選做實(shí)驗(yàn)和有待深入研究的課題實(shí)驗(yàn)后思考題實(shí)驗(yàn)后思考題實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用背景介紹1913年，英國物理學(xué)家布拉格父子在研究 X射線在晶面上的反射時(shí)，推導(dǎo)出著名的布拉格公式：2dsin=k本實(shí)驗(yàn)用波長3.2cm的微波代替X射線，觀察它照射到晶體模型（立方晶系）時(shí)的衍射現(xiàn)象，用來模擬X射線在晶體上的布拉格衍射，驗(yàn)證布拉格公式。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮徒虒W(xué)要求 1. 了解微波特點(diǎn)及其布拉格

2、衍射原理與應(yīng)用。2. 驗(yàn)證布拉格公式，認(rèn)識微波的光學(xué)性質(zhì)，測定微波波長，測量微波布拉格衍射強(qiáng)度分布。3. 通過本實(shí)驗(yàn)了解利用布拉格衍射分析晶體 結(jié)構(gòu)的方法。實(shí)驗(yàn)原理晶體結(jié)構(gòu)：幾個(gè)概念-晶體；晶格常數(shù)a；晶面以及相鄰晶面的間距為d。為了區(qū)分晶體中無限多族的平行晶面的方位，可用晶面指數(shù)(密勒指數(shù))來描述，人們采用密勒指數(shù)標(biāo)記法。晶面指數(shù)用表示。最重要也是最常用的有三種：（100）面，（110）面，（111）面。利用密勒指數(shù)可以很方便地求得一族平行晶面間的間距 ),321nnn（232221/nnnad 圖1 簡立方晶體晶格結(jié)構(gòu) 圖2 典型晶面布拉格衍射（布拉格公式的解釋）： 研究衍射問題最關(guān)心的問

3、題是衍射強(qiáng)度分布的極值位置。晶體對電磁波的衍射是三維的衍射，分為點(diǎn)間干涉和面間干涉。先找到晶面的點(diǎn)間干涉的零極主極大位置，這個(gè)二維點(diǎn)陣衍射的零極主極大方向應(yīng)符合沿此方向所有衍射線間無光程差，也就是入射角等于衍（反）射角。圖3 晶格的點(diǎn)間干涉zC5B5qqA1A2A3A4A5C1C2C3C4xyB1B2B3B4面間干涉 晶體衍射的布拉格條件2dsin =k k=1,2,3 如果按習(xí)慣使用入射角 表示，布拉格條寫為 2dcos =k k=1,2,3 只要測得衍射極大的方向角 （或 ） ，并且知 波長，就可以從布拉格條件求出晶面間距d， 而確定晶格常數(shù)a。 dqq法線圖4 面間干涉qq實(shí)驗(yàn)儀器和裝置

4、微波分光儀、模擬晶體 a=4cm的立方點(diǎn)陣、反射板兩塊、分束板等。123456778圖5 微波分光儀裝置圖1.固態(tài)微波振蕩器 2.可變衰減器 3.發(fā)射喇叭天線 4.接受喇叭天線 5.檢波器 6.載物臺 7.指針 8.底座實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理要求1用k=1,2的（100）和（110）晶面驗(yàn)證布拉格衍射公式（要先計(jì)算理論值）。2 已知晶格常數(shù)a = 4.00cm，利用k =1的（110）晶面測定波長；已知波長，利用k=1的（100）晶面測定晶格常數(shù)。3對微波單縫實(shí)驗(yàn)（選作），要求用坐標(biāo)紙畫出衍射分布曲線，利用左、右兩側(cè)的第一個(gè)衍射極小位置 和 的平均值和公式=asin ，求出微波的波長。 1q2qq

5、4.對微波邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)，應(yīng)由B板的干涉極小時(shí)位置xn，列表作xnn的關(guān)系圖，求出微波波長，與理論值進(jìn)行比較 。 接收喇叭ABA發(fā)射喇叭注意事項(xiàng)1.晶體中心與載物臺中心要一致。接收喇叭和發(fā)射喇叭要水平正對，下邊要水平，保證偏振化方向，保證接收微波強(qiáng)度最強(qiáng)。2.檢波器易壞，接收喇叭對發(fā)射喇叭時(shí)（保證入射角等于衍（反）射角，衍射強(qiáng)度最強(qiáng)處，微波強(qiáng)度不能超過微安表頭的滿量程。3.放上晶體架，使架下面的某一刻度線（與所選的晶面的法線一致）盤上的刻線重合。（100）面的法線有刻線標(biāo)志），其他面自己找。只要保證晶面的法線與度盤上的刻線重合即可，便于保證入射角等于衍（反）射角。 4.信號源輸出不穩(wěn)定，也影

6、響衍射強(qiáng)度的分布。5.各實(shí)驗(yàn)小組會(huì)相互干擾，也影響衍射強(qiáng)度的分布，最好錯(cuò)開。6.因單逢本身對稱性不好，所以采用對稱測量求平均的辦法求。7.單縫衍射裝置的一側(cè)，貼有微波吸收材料，用以減弱衍射波在微波接受器和單縫裝置的金屬表面發(fā)生多次反射而影響零級極大衍射強(qiáng)度峰的峰形，所以放置時(shí)要注意。另外要注意使用衰減器調(diào)節(jié)靈敏度，保證測角準(zhǔn)確。8.晶體固態(tài)振蕩器的開啟見書。課堂思考 晶體的布拉格衍射與多縫光柵有什么區(qū)別？什么叫做點(diǎn)間干涉，什么叫做面間干涉？布拉格 衍射的衍射極大位置與它們有什么關(guān)系？布拉格衍射為什么要讓入射角=反射角，在實(shí)驗(yàn)中是怎樣來保證的？為什么說當(dāng)入射波的方向及波長固定、晶體的取向也固定時(shí)，不同取向的晶面不能同時(shí)滿足布拉格條件，甚至沒有一族晶面能夠滿足布拉格條件？本實(shí)驗(yàn)中用什么辦法來測得晶格的衍射極大位置？晶體的晶面是怎樣定義的？由此對立方晶體（110）和（111）晶面作出解釋，導(dǎo)出在（110）晶面和（111）晶面的布拉格條件中d=？選做實(shí)驗(yàn)和有待深入研究的課題結(jié)合學(xué)過的物理