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少年班系07級(jí)姓名許競偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24實(shí)驗(yàn)十、微波布拉格衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解與學(xué)習(xí)微波產(chǎn)生的基本原理以及傳播和接收等基本特性。2、觀測模擬晶體的微波布拉格衍射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)儀器DHMS-1型微波光學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀一套,包括:三厘米微波信號(hào)源、固態(tài)微波震蕩器、衰減器、隔離器、發(fā)射喇叭、接收喇叭、檢波器、檢波信號(hào)數(shù)顯器、可旋轉(zhuǎn)載物平臺(tái)和支架,以及實(shí)驗(yàn)用附件(晶體模型、讀數(shù)機(jī)構(gòu)等)。實(shí)驗(yàn)原理微波的產(chǎn)生微波波長從1m到0.1mm,其頻率范圍從300MHz~3000GHz,是無線電波中波長最短的電磁波。微波波長介于一般無線電波與光波之間,因此微波有似光性,它不僅具有無線電波的性質(zhì),還具有光波的性質(zhì),即具有光的直射傳播、反射、折射、衍射、干涉等現(xiàn)象。由于微波的波長比光波的波長在量級(jí)上大10000倍左右,因此用微波進(jìn)行波動(dòng)實(shí)驗(yàn)將比光學(xué)方法更簡便和直觀。本實(shí)驗(yàn)裝置由微波三厘米固態(tài)信號(hào)電源、固態(tài)微波震蕩器、衰減器、發(fā)射喇叭、載物平臺(tái)、接收喇叭、檢波器、液晶顯示器等組成。(選件:簡單立方交替模型等)
1少年班系07級(jí)姓名許競偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24圖11調(diào)諧桿2諧振腔3輸出孔4體效應(yīng)管5偏壓引線6負(fù)載體效應(yīng)振蕩器經(jīng)微波三厘米固態(tài)信號(hào)電源供電,使得體效應(yīng)管內(nèi)的載流子在半導(dǎo)體材料內(nèi)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生微波,經(jīng)調(diào)諧桿調(diào)制到所要產(chǎn)生的頻率。產(chǎn)生的微波經(jīng)過衰減器(可以調(diào)節(jié)輸出功率)由發(fā)射喇叭向空間發(fā)射(發(fā)射信號(hào)電矢量的偏振方向垂直于水平面)。微波碰到載物臺(tái)上的選件,將在空間上重新分布。接收喇叭通過短波導(dǎo)管與放在諧振腔中的檢波二極管連接,可以檢測微波在平面分布,檢波二極管將微波轉(zhuǎn)化為電信號(hào),通過A/D轉(zhuǎn)化,由液晶顯示器顯示。模擬晶體的布拉格衍射實(shí)驗(yàn)圖5晶體結(jié)構(gòu)模型布拉格衍射是用X射線研究微觀晶體結(jié)構(gòu)的一種方法。因?yàn)閄射線的波長與晶體的晶格常數(shù)同數(shù)量級(jí),所以一般采用X射線研究微觀晶體的結(jié)構(gòu)。而在此用微波模擬X射線,照射到放大的晶體模型上,產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象與X射線對(duì)晶體的布拉格衍射現(xiàn)象與計(jì)算結(jié)果都基本相似。所以通過此實(shí)驗(yàn)對(duì)加深理解微觀晶體的布拉格衍射實(shí)驗(yàn)方法是十分直觀的。
2少年班系07級(jí)姓名許競偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24固體物質(zhì)一般分晶體與非晶體兩大類,晶體又分單晶與多晶。組成晶體的原子或分子按一定規(guī)律在空間周期性排列,而多晶體是由許多單晶體的晶粒組成。其中最簡單的晶體結(jié)構(gòu)如圖5所示,在直角坐標(biāo)中沿X、Y、Z三個(gè)方向,原子在空間依序重復(fù)排列,形成簡單的立方點(diǎn)陣。組成晶體的原子可以看作處在晶體的晶面上,而晶體的晶面有許多不同的取向。如圖4左方為最簡立方點(diǎn)陣,右方表示的就是一般最重要也是最常用的三種晶面。這三種晶面分別為(100)面、(110)面、(111)面,圓括號(hào)中的三個(gè)數(shù)字稱為晶面指數(shù)。一般而言,晶面指數(shù)為的晶面族,其相鄰的兩個(gè)晶面間距d=。顯然其中(100)面的間距d等于晶格常數(shù);相鄰的兩個(gè)(110)面的晶面間距d=;而相鄰兩個(gè)(111)面的晶面間距d=。實(shí)際上還有許許多多更復(fù)雜的取法形成其他取向的晶面族。因微波的波長可在幾厘米,所以可用一些鋁制的小球模擬微觀原子,制作晶體模型。具體方法是將金屬小球用細(xì)線串聯(lián)在空間有規(guī)律地排列,形成如同晶體的簡單立方點(diǎn)陣。各小球間距d設(shè)置為4cm(與微波波長同數(shù)量級(jí))左右。當(dāng)如同光波的微波入射到該模擬晶體結(jié)構(gòu)的三維空間點(diǎn)陣時(shí),因?yàn)槊恳粋€(gè)晶面相當(dāng)于一個(gè)鏡面,入射微波遵守反射定律,反射角等于入射角,如圖5所示。而從間距為d的相鄰兩個(gè)晶面反射的兩束波的程差為,其中為入射波與晶面的夾角。顯然,只是當(dāng)滿足(5)
3少年班系07級(jí)姓名許競偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24時(shí),出現(xiàn)干涉極大。方程(5)稱為晶體衍射的布拉格公式。圖6布拉格衍射如果改用通常使用的入射角表示,則(5)式為(6)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、微波源基本特性觀測旋轉(zhuǎn)調(diào)諧桿旋鈕,改變頻率,觀察輸入電流變化,了解固態(tài)微波信號(hào)源工作原理;改變接收喇叭短波導(dǎo)管處的負(fù)載與晶體檢波器之間的距離,觀察阻抗不匹配對(duì)輸出功率的影響;也可改變頻率,固定負(fù)載與晶體檢波器之間的距離,觀測頻率的變化對(duì)輸出功率的影響。2.微波的反射將金屬板平面安裝在一支座上,安裝時(shí)板平面法線應(yīng)與支座圓座上指示線方向一致。將該支座放置在載物臺(tái)上時(shí),支座圓座上指示線指示在載物小平臺(tái)
4少年班系07級(jí)姓名許競偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24位置。這意味著小平臺(tái)零度方向即是金屬反射板法線方向。轉(zhuǎn)動(dòng)小平臺(tái),使固定臂指針指在某一角度處,這角度讀數(shù)就是入射角,然后轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂在液晶顯示器上找到一最大值,此時(shí)活動(dòng)臂上的指針?biāo)傅男∑脚_(tái)刻度就是發(fā)射角。如果此時(shí)電表指示太大或太小,應(yīng)調(diào)整衰減器、固態(tài)震蕩器或晶體檢波器,使表頭指示接近滿量程。做此項(xiàng)實(shí)驗(yàn),入射角最好取30度至65度之間,因?yàn)槿肷浣翘蠼邮绽扔锌赡苤苯咏邮杖肷洳?,同時(shí)應(yīng)注意系統(tǒng)的調(diào)整和周圍環(huán)境的影響。入射角(度)303234363840…64反射角(度)實(shí)驗(yàn)記錄:3、布拉格衍射實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)喇叭口的安置同反射實(shí)驗(yàn)一樣。模擬具體球應(yīng)用模片調(diào)得上下應(yīng)成為一方形點(diǎn)陣,各金屬球點(diǎn)陣間距相同。模擬晶片架上的中心孔插在一專用支架上,將支架放至平臺(tái)上時(shí),應(yīng)讓晶體的中心軸與轉(zhuǎn)動(dòng)軸重合。并使所研究的晶面(100)法線正對(duì)小平臺(tái)上的零刻度線。為了避免兩喇叭之間波的直接入射,入射角取值范圍最好在30度到60度之間,尋找一級(jí)衍射最大。數(shù)據(jù)記錄:入射角303336394560反射角U(mV)
5少年班系07級(jí)姓名許競偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24數(shù)據(jù)處理1.微波的反射:(固定入射角為45度)反射角30323436384042U(mv)56.571.788.7104.4113.1116116.2反射角44454648505254U(mv)120.1119117.3111.110494.780.3反射角5658606264U(mv)64.645.631.519.211.42.布拉格衍射:入射角/反射角(°)303336394245U(mv)16.419.61623.422.24.3入射角/反射角(°)485154576063U(mv)0.856.33.93.64.7入射角/反射角(°)666869707275U(mv)12.740.162.658.6317.83.用直尺估測d=4.5cm.由記錄數(shù)據(jù)易看出,當(dāng)入射角和反射角為69度時(shí),U最大。實(shí)驗(yàn)所用頻率為9.3GHz,所以由λ=C/ν(C為光速,v為頻率)可得,波長λ=3.22cm,又由取к=1為一級(jí)極大,可算得d=4.50cm,與實(shí)際估測結(jié)果十分相似。
6少年班系07級(jí)姓名許競偉學(xué)號(hào)PB07000819日期08.11.24誤差分析本實(shí)驗(yàn)由于是用微波進(jìn)行,所以在實(shí)驗(yàn)過程中易受到影響。使得顯示器上讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定誤差。而已其本身也存在誤差因素,并且在操作過程中即旋轉(zhuǎn)角度時(shí)不能那么精確。這些因素都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定誤差。實(shí)際所測d,為用普通直尺估測而得,僅供參考。思考題1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容誤差主要影響是什么?答:主要是實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)儀器的干擾,及操作不當(dāng)?shù)取?.假如預(yù)先不知道晶體中晶面的方向,是否會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性?又該如何定位這些晶面?答:由于實(shí)驗(yàn)過程中是要知道入射角與反射角的,所以如果預(yù)先不知道晶體中晶面的方向,則不能直接進(jìn)行操作,應(yīng)先確定晶面,所以會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。確定晶面應(yīng)固定晶體與入射波的夾角,改變反射角,找到U最大值,通過U最大時(shí)入射角等于反射角來確定晶面的方向。實(shí)驗(yàn)小結(jié)本實(shí)驗(yàn)操作較為簡單,但在操作過程中需要仔細(xì)與耐心。由于微波極易受影響,實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)距儀器較遠(yuǎn)讀數(shù)穩(wěn)定后記錄。在調(diào)節(jié)入射角與反射角時(shí)應(yīng)注意角度的度數(shù),在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中易因度數(shù)調(diào)錯(cuò)而造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極大偏差。