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1、1,微波的布拉格衍射,理学院物理实验中心张淼,2,实验及应用背景介绍实验目的和教学要求实验原理实验仪器和装置实验内容及数据处理要求注意事项课堂思考选做实验和有待深入研究的课题参考文献实验后思考题,3,实验及应用背景介绍,1913年，英国物理学家布拉格父子在研究X射线在晶面上的反射时，得到了著名的布拉格公式。本实验用一束波长3cm的微波代替X射线，观察它照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象，用来模拟X光在真实晶体上的布拉格衍射，并验证布拉格公式。微波是一种特定波段的电磁波，有自己的特点。,4,实验目的和教学要求,1.了解微波特点，学习微波器件的使用。2.了解布拉格衍射原理，用模拟晶体使微波发生布
2、拉格衍射，验证布拉格公式，认识微波的光学性质，学习X射线晶体结构分析的基础知识，并测定微波波长。3.通过微波的单缝衍射和迈克尔逊干涉实验，加深理解。,5,实验原理,晶体结构：几个概念-晶体；晶格常数a；晶面以及相邻晶面的间距为d。为了区分晶体中无限多族的平行晶面的方位，可用晶面指数(密勒指数)来描述，人们采用密勒指数标记法。晶面指数用表示。利用密勒指数可以很方便地求得一族平行晶面间的间距 其中最重要也是最常用的有三种，分别称为（100）面，（110）面，（111）面。,6,图6-26 晶体的晶格结构 图6-27 晶面,7,布拉格衍射（布拉格公式的解释）：研究衍射问题最关心的问题是衍射强度分布的
3、极值位置。晶体对电磁波的衍射是三维的衍射，分为点间干涉和面间干涉。先找到晶面的点间干涉的0极主极大位置，这个二维点阵衍射的0极主极强方向应符合沿此方向所有衍射线间无光程差，也就是入射角等于衍（反）射角。图6-28 晶格的点间干涉,图6-28 晶格的点间干涉,8,面间干涉 晶体衍射的布拉格条件2dsin =k k=1,2,3如果按习惯使用的入射角 表示，布拉格条写为 2dcos =k k=1,2,3 只要测得衍射极大的方向角 （或 ） ，并且知 波长，就可以从布拉格条件求出晶面间距d， 而确定晶格常数a。,图6-29 面间干涉,9,实验仪器和装置,微波分光仪、,模拟晶体 a=4cm的立方点阵、单
4、缝、反射板两块、分束板等。,图6-32 微波分光仪装置图1.固态微波振荡器 2.可变衰减器 3.发射喇叭天线 4.接受喇叭天线 5.检波器 6.载物台 7.指针 8.底座,10,实验内容及数据处理要求,1用k=1,2的（100）和（110）晶面验证布拉格衍射公式（要先计算理论值）。2 已知晶格常数a = 4.00cm，利用k =1的（110）晶面测定波长；已知波长，利用k=1的（100）晶面测定晶格常数。3对微波单缝实验，要求用坐标纸画出衍射分布曲线，利用左、右两侧的第一个衍射极小位置 和 的平均值和公式=asin ，求出微波的 波长，与根据公式 = c/ f 算出的数值比较。,11,微波单缝
5、实验,12,4.对微波迈克尔逊干涉实验，应由B板的干涉极小时位置xn，列表作xnn的关系图，求出微波波长，与理论值（= c/ f）进行比较 。,13,注意事项,晶体中心与载物台中心要一致。接受喇叭和发射喇叭要水平正对，下边要水平，保证偏振化方向，保证接受微波强度最强。检波器易坏，接受喇叭对发射喇叭时（保证入射角等于衍（反）射角，衍射强度最强处，微波强度不能超过微安表头的满量程。放上晶体架，使架下面的某一刻度线（与所选的晶面的法线一致）盘上的刻线重合。（100）面的法线有刻线标志），其他面自己找。只要保证晶面的法线与度盘上的刻线重合即可，便于保证入射角等于衍（反）射角。,14,信号源输出不稳定，
6、也影响衍射强度的分布。各组会相互干扰，也影响衍射强度的分布，最好错开。因单逢本身对称性不好，所以采用对称测量求平均的办法求。单缝衍射装置的一侧，贴有微波吸收材料，用以减弱衍射波在微波接受器和单缝装置的金属表面发生多次反射而影响零级极大衍射强度峰的峰形，所以放置时要注意。另外要注意使用衰减器调节灵敏度，保证测角准确。晶体固态振荡器的开启见书。,15,课堂思考,晶体的布拉格衍射与多缝光栅有什么区别？什么叫做点间干涉，什么叫做面间干涉？布拉格 衍射的衍射极大位置与它们有什么关系？布拉格衍射为什么要让入射角=反射角，在实验中是怎样来保证的？为什么说当入射波的方向及波长固定、晶体的取向也固定时，不同取向
7、的晶面不能同时满足布拉格条件，甚至没有一族晶面能够满足布拉格条件？本实验中用什么办法来测得晶格的衍射极大位置？晶体的晶面是怎样定义的？由此对立方晶体（110）和（111）晶面作出解释，导出在（110）晶面和（111）晶面的布拉格条件中d=？,16,选做实验和有待深入研究的课题,结合学过的物理知识，利用本实验提供的设备，自行设计一个微波的干涉或衍射实验并完成数据测量，对自制的元件应讨论尺寸选择的依据。电磁波是横波，你能确定喇叭天线辐射的电场的极化（偏振）方向吗？,17,参考文献,赵凯华 钟锡华，光学（下册），北京大学出版社，1984吕斯骅 段家忯，基础物理实验，北京大学出版社，2002朱生传，微波实验，近代物理实验（吴思诚 王祖铨），北京大学出版社，1986,18,实验后思考题,思考题：1，2，4。,
