微波干涉与布拉格衍射实验目的.doc

文档介绍：微波干涉与布拉格衍射实验目的
微波干涉和布拉格衍射
无线电波、光波、X光波等都是电磁波。波长在1mm到1m范围的电磁波称为微波，其频率范围从300MHz～3000GHz，是无线电波中波长最短的电磁波。微波波长介于一般无线电波实验对加深理解微观晶体的布拉格衍射实验方法是十分直观的。
图6-12-6 晶体结构模型
固体物质一般分晶体与非晶体两大类，晶体又分单晶与多晶。组成晶体的原子或分子按一定规律在空间周期性排列，而多晶体是由许多单晶体的晶粒组成。其中最简单的晶体结构如图
6-12-6所示，在直角坐标中沿X、Y、Z三个方向，原子在空间依序重复排列，形成简单的立方点阵。组成晶体的原子可以看作处在晶体的晶面上，而晶体的晶面有许多不同的取向。
图6-12-6左方为最简立方点阵，右方表示的就是一般最重要也是最常用的三种晶面。这三种晶面分别为（100）面、（110）面、（111）面，圆括号中的三个数字称为晶面指数。一般而言，晶面指数为的晶面族，其相邻的两个晶面间距d=。显然其中（100）面的间距d等于晶格常数；相邻的两个（110）面的晶面间距d=；而相邻两个（111）面的晶面间距d=，实际上还有许许多多更复杂的取法形成其他取向的晶面族。
图6-12-7 布拉格衍射
因微波的波长可在几厘米，所以可用一些铝制的小球模拟微观原子，制作晶体模型。具
体方法是将金属小球用细线串联在空间有规律地排列，形成如同晶体的简单立方点阵。各小球间距d设置为4cm（与微波波长同数量级）左右。当如同光波的微波入射到该模拟晶体结构的三维空间点阵时，因为每一个晶面相当于一个镜面，入射微波遵守反射定律，反射角等于入射角，如图6-12-7所示。而从间距为d的相邻两个晶面反射的两束波的程差为，其中为入射波与晶面的夹角。显然，只是当满足
（6-12-5）
时，出现干涉极大。方程（6-12-5）称为晶体衍射的布拉格公式。
如果改用通常使用的入射角表示，则（6-12-5）式为
（6-12-6）
四、 实验内容
将实验仪器放置在水平桌面上,调整底座四只脚使底盘保持水平。调节保持发射喇叭、接收喇叭、接收臂、活动臂为直线对直状态，并且调节发射喇叭，接收喇叭的高度相同。
连接好X波段微波信号源、微波发生器间的专用导线，将微波发生器的功率调节旋钮逆时针调到底，即微波功率调至最小，通电并预热10分钟。
四、实验内容与步骤
1. 微波波长的测量
（1）用迈克尔逊干涉法测微波波长的仪器布置如图6-12-1所示。使发射喇叭面与接收喇叭面互相成角，半透射板（玻璃板）通过支架座固定在刻度转盘正中并与两喇叭轴线互成角，使可移动反射板的法线与发射喇叭一致，使固定反射板的法线与接收喇叭的轴线一致。
（2）将可变衰减器放在衰减较大位置上，接上固定振荡器电源，打开电源开关，预热20分钟左右。
（3）测量微波波长前，在读数机构上移动反射板，观察微安表指针变化情况。调节可变衰减器使最大电流不超过微安表的量程（满度），并在电流达到某个极大值的位置上，微波半透射板和两个反射板的角度使电流值达到最大。
（4）测量时，先将可移动反射板移到读数机构的一端，在附近找出与微安表上第一个极小值相对应的可移动反射板的位置。然后向同一个方向移动反射板，从微安表上测出后续N个极小值的位置，并从读数机构上读出相应的数值。利用隔项逐差法算出位移L，则微波波长。
（5）重复测量三次，算出平均波长。
2. 微波布拉格衍射强度分布的测量
（1）将模拟晶体调好。模拟晶体的晶格常数设计为4cm，用梳形铝制摸片对模拟的晶体点阵球上下一层一层进行调节。要注意，模拟晶体架下面小圆盘的某一条刻线，与所研究的晶面法线相一致，与刻度盘上的刻线一致。为了避免两个喇叭之间微波的直接入射，测量时微波的入射角 α取值范围最好在至之间，即衍射角θ在至之间。
（2）改变微波的入射角度α，同时调节衰减器，使入射角度α在~时，微安表的读数在量程（满度）以内。
（3）入射角度α从30度开始测量，每改变1度，读一次微安表
，一直使入射角度α到为止。在改变入射角度的测量过程中，既要转动平台，同时也要转动接收喇叭，以保证入射角度α等于反射角α。
（4）测出（100）面和（110）面的数据后，以微安表的读数为纵坐标I（μA），衍射角  为横坐标作布拉格衍射强度分布曲线。根据所测的微波波长以及（100）面和（110）面群和两相邻面之间的距离，计算相应一级