微波实验和布喇格衍射.ppt

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1、实验及应用背景介绍微波是一种特定波段的电磁波，有自己的特点。1913年，英国物理学家布拉格父子研究X射线与材料相互作用时，得到了著名的布拉格公式。本实验用一束波长约为3cm的微波代替X射线，观察它照射到人工制作的简立方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。实验目的和教学要求1.了解微波的特点，学习微波器件的使用；2.了解布喇格衍射原理，利用微波在模拟晶体上的衍射验证布喇格公式并测定微波波长；3.通过微波的单缝衍射和迈克尔逊干涉实验，加深对波动理论的理解。微波实验和布喇格衍射微波是一种特定波段的电磁波，其波长范围大约

2、为1mm～1m（对应的频率范围在300GHz～300MHz左右）。微波也存在反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。电磁波波长通常电磁波按照波长的长短分成各个波段：超长波、长波、中波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。微波波段介于超短波和红外线之间，波长范围大约为1mm～1m（即频率为300GHz～300MHz），它还可以进一步细分为“分米波”（波长1～10dm）、“厘米波”（波长1～10cm）和“毫米波”（波长1～10mm）。波长在1mm以下至红外线之间的电磁波称为“亚毫米波”或“超微波”。微波的应用微波的波长比普通电磁波短得多

3、，因此微波具有似光性——直线传播、反射和折射等，利用这一特点可制成方向性极强的天线、雷达等；微波能畅通无阻地穿过高空电离层，为宇宙通讯、导航、定位以及射电天文学的研究与发展提供了广泛的前景。总之，微波技术在电视、通讯、雷达、乃至医学、能源等领域都有广泛的应用。X射线与晶体结构—微波模拟X射线是波长处于紫外线与γ射线之间的电磁波，其波长范围大约为10-15～10-7m。而晶体的晶格常数～10-10m，它正好落在X射线的波长范围内，因此常用晶体对X光的衍射来研究晶体的结构。1913年，英国物理学家布喇格父子在研究X射线在晶面上的反射时，得到了著名的布喇格公式

4、，从而奠定了X射线结构分析的基础。但是X光衍射仪价格昂贵，晶格结构的尺度如此微小，眼睛看不见。考虑到微波的波长比X光长得多，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喇格衍射，并验证布喇格公式。晶体结构—晶格、晶格常数图6-26晶体的晶格结构图6-27晶面对立方晶系而言，晶面指数为（n1n2n3）的晶面族其相邻两个晶面的间距为：布喇格衍射图6-28晶格的点间干涉图6-29面间干涉2dsinθ=kλk=1,2,3…2dcosβ=kλk=1,2,3…单缝衍射u=(πasinθ)/λ±1级

5、强度为0时，λ=asinθ微波迈克尔逊干涉实验图6-31微波迈克尔逊干涉仪微波分光仪图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.底座三厘米固态振荡器操作注意事项实验内容和操作提示1．验证布喇格衍射公式2．单缝衍射实验单缝垂直入射：转动单缝使输出电流最大测量暗纹附近θ～I曲线，并由图确定1级暗纹处的衍射角θ。3．迈克尔逊干涉实验记录全部干涉极小时反射板的位置，用一元线性回归法处理数据。思考及课堂讨论题1．微波的一般知识2．微波的产生、传输和接收3．晶体结构和布喇格衍射4．实验

6、装置和操作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。信号源输出不稳定，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

7、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。思考及课堂讨论题1．微波的一般知识（1）微波处于电磁波的什么频段？与可见光波和普通的无线电波相比，它有什么特点？（2）从波长的特点来看，为什么微波在雷达、通讯、电视、加热及原子分子结构等方面有重要的应用？（3）研究间距为10-4～10-5cm的光栅衍射，要用什么波长的光？研究间距为10-8cm的晶格衍射，要用什么波长的“光”？

8、研究间距为1cm的“晶格”衍射，要用什么波长的“光”？（4）用3cm的微波为什么