實(shí)驗(yàn)三-電子衍射實(shí)驗(yàn)

PAGE6實(shí)驗(yàn)三電子衍射實(shí)驗(yàn)1924年法國(guó)物理學(xué)家德布羅意在愛因斯坦光子理論的啟示下，提出了一切微觀實(shí)物粒子都具有波粒二象性的假設(shè)。1927年戴維遜與革末用鎳晶體反射電子，成功地完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電子的波動(dòng)性，并測(cè)得了電子的波長(zhǎng)。兩個(gè)月后，英國(guó)的湯姆遜和雷德用高速電子穿透金屬薄膜的辦法直接獲得了電子衍射花紋，進(jìn)一步證明了德布羅意波的存在。1928年以后的實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，不僅電子具有波動(dòng)性，一切實(shí)物粒子，如質(zhì)子、中子、粒子、原子、分子等都具有波動(dòng)性。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過拍攝電子穿透晶體薄膜時(shí)的衍射圖象，驗(yàn)證德布羅意公式，加深對(duì)電子的波粒二象性的認(rèn)識(shí)。2、了解電子衍射儀的結(jié)構(gòu)，掌握其使用方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器WDY-V型電子衍射儀。三、實(shí)驗(yàn)原理德布羅意假設(shè)和電子波的波長(zhǎng)1924年德布羅意提出物質(zhì)波或稱德布羅意波的假說，即一切微觀粒子，也象光子一樣,具有波粒二象性，并把微觀實(shí)物粒子的動(dòng)量P與物質(zhì)波波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系表示為：(1)式中h為普朗克常數(shù)，m、v分別為粒子的質(zhì)量和速度，這就是德布羅意公式。對(duì)于一個(gè)靜止質(zhì)量為m0的電子，當(dāng)加速電壓在30kV時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度很大，已接近光速。由于電子速度的加大而引起的電子質(zhì)量的變化就不可忽略。根據(jù)狹義相對(duì)論的理論，電子的質(zhì)量為：（2）式中c是真空中的光速，將（2）式代入（1）式，即可得到電子波的波長(zhǎng)：（3）在實(shí)驗(yàn)中，只要電子的能量由加速電壓所決定，則電子能量的增加就等于電場(chǎng)對(duì)電子所作的功，并利用相對(duì)論的動(dòng)能表達(dá)式： （4）從（4）式得到 （5）及 （6）將（5）式和（6）式代入（3）式得 （7）將e=1.60210-19C，h=6.62610-34JS,m0=9.11010-31kg,c=2.998108m/s代入(7)式得? （8）圖1相鄰晶面的電子波的程差電子波的晶體衍射圖1相鄰晶面的電子波的程差本實(shí)驗(yàn)采用湯姆遜方法，讓一束電子穿過無規(guī)則取向的多晶薄膜。電子入射到晶體上時(shí)各個(gè)晶粒對(duì)入射電子都有散射作用，這些散射波是相干的。對(duì)于給定的一族晶面，當(dāng)入射角和反射角相等，而且相鄰晶面的電子波的波程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，便出現(xiàn)相長(zhǎng)干涉，即干涉加強(qiáng)。從圖1可以看出，滿足相長(zhǎng)干涉的條件由布拉格方程 （9）決定。式中d為相鄰晶面之間的距離，為反射面法線衍射圓錐入射電子束掠射角，反射面法線衍射圓錐入射電子束圖2多晶體的衍射圓錐圖2多晶體的衍射圓錐由于多晶金屬薄膜是由相當(dāng)多的任意取向的單晶粒組成的多晶體,當(dāng)電子束入射到多晶薄膜上時(shí)，在晶體薄膜內(nèi)部各個(gè)方向上，均有與電子入射線夾角為的而且符合布拉格公式的反射晶面。因此，反射電子束是一個(gè)以入射線為軸線，其張角為4圖2多晶體的衍射圓錐圖2多晶體的衍射圓錐光屏相遇時(shí)形成衍射圓環(huán)，這時(shí)衍射的電子方向與入射電子方向夾角為2,如圖2所示。在多晶薄膜中，有一些晶面（它們的面間距為d1，d2，d3…）都滿足布拉格方程，它們的反射角分別為1,2,3…因而，在底片或熒光屏上形成許多同心衍射環(huán)?？梢宰C明，對(duì)于立方晶系，晶面間距為 （10）式中a為晶格常數(shù)，（hkl）為晶面的密勒指數(shù)。每一組密勒指數(shù)唯一地確定一族晶面，其八、附件：實(shí)驗(yàn)儀器說明本實(shí)驗(yàn)采用WDY-V型電子衍射，該儀器主要由衍射腔、真空系統(tǒng)和電源三部分組成。圖5為電子衍射儀的外型圖。圖5電子衍射儀外觀圖圖5電子衍射儀外觀圖衍射腔圖6為衍射腔示意圖。圖6衍射腔示意圖圖6衍射腔示意圖A為陰極，B為陽極，C為光闌，F(xiàn)為樣品，E為熒光屏或底片。陰極A內(nèi)裝有V型燈絲，通電后發(fā)射電子。燈絲一端加有數(shù)萬伏的負(fù)高壓，陽極接地。電子經(jīng)高壓加速后通過光闌C時(shí)被聚焦。當(dāng)直徑只有0.5毫米的電子束穿過晶體薄膜F后，在熒光屏上形成電子衍射圖像。在衍射腔的右端內(nèi)設(shè)有照相裝置，一次可以拍攝兩張照片。真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)由機(jī)械泵，擴(kuò)散泵和儲(chǔ)氣筒組成（見圖7）。擴(kuò)散泵與衍射腔之間由真空蝶閥控制“開”或“關(guān)”。三通閥可使機(jī)械泵與衍射腔連通（“拉”位）或與儲(chǔ)氣筒連通（“推”位）。實(shí)驗(yàn)或鍍膜時(shí)須先將衍射腔抽成低真空，然后抽成高真空。只有在抽高真空時(shí)才能打開蝶閥，其他時(shí)間都要關(guān)閉蝶閥和切斷電離規(guī)管燈絲電流，以保護(hù)擴(kuò)散泵和電離規(guī)管。若需將衍射腔部分通大氣時(shí)（如取底片或取已鍍好的樣品架），可用充氣閥充入空氣。但在打開充氣閥前，要注意以下幾點(diǎn)：切斷電離規(guī)管電源。關(guān)閉蝶閥。若機(jī)械泵仍在工作中，三通閥必須置于“推”位。為防止充氣過程中吹破樣品薄膜，應(yīng)將樣品架向前旋緊，以使樣品架封在裝取樣品架的窗口內(nèi)。圖7電子衍射儀真空系統(tǒng)示意圖圖7電子衍射儀真空系統(tǒng)示意圖電源電氣部分主要包括真空機(jī)組的供電、高壓電源、鍍膜及燈絲供電三部分，電源控制部分見圖5面板。（1）真空機(jī)組的供電：擴(kuò)散泵電爐（1000W）直接由市電220V單相電源供電，機(jī)械泵由380V三相電源供電。（2）高壓供電：取220V市電，