文档介绍：电子衍射实验
(本报告仅供参考,每个同学应根据指导老师讲解和实际实验过程自行撰写)
本实验采用与当年汤姆生的电子衍射实验相似的方法,用电子束透过金属薄膜,在荧光屏上观察电子衍射图样,并通过衍射图测量电子波的波长。
一、实验目的:
测量运动电子的波长,验证德布罗意公式。理解真空中高速电子穿过晶体薄膜时的衍射现象,进一步理解电子的波动性。掌握晶体对电子的衍射理论及对立方晶系的指标化方法;掌握测量立方晶系的晶格常数方法。
二、实验原理
在物理学的发展史上,关于光的“粒子性”和“波动性”的争论曾延续了很长一段时期。人们最终接受了光既具有粒子性又具有波动性,即光具有波粒二象性。受此启发,在1924年,德布罗意(deBeroglie)提出了一切微观粒子都具有波粒二象性的大胆假设。当时,人们已经掌握了X射线的晶体衍射知识,这为从实验上证实德布罗意假设提供了有利因素。
1927年戴维逊和革末发表了他们用低速电子轰击镍单晶产生电子衍射的实验结果。两个月后(1928年),英国的汤姆逊和雷德发表了他们用高速电子穿透物质薄片直接获得的电子衍射花纹,他们从实验测得的电子波的波长,与按德布罗意公式计算出的波长相吻合,从而成为第一批证实德布罗意假设的实验。
薛定谔(Schrodinger)等人在此基础上创立了描述微观粒子运动的基本理论——量子力学,德布罗意、戴维逊和革末也因此而获得诺贝尔尔物理学奖。现在,电子衍射技术已成为分析各种固体薄膜和表面层晶体结构的先进方法。
1924 年德布罗意提出实物粒子也具有波粒二象性的假设,他认为粒子的特征波长λ与动量 p 的关系与光子相同,即式中h为普朗克常数,p 为动量。
设电子初速度为零,在电位差为V 的电场中作加速运动。在电位差不太大时,即非相对论情况下,电子速度(光在真空中的速度),故其中为电子的静止质量。
它所达到的速度v 可由电场力所作的功来决定:(2)
将式(2)代入(1)中,得:(3)
式中 e 为电子的电荷, m 为电子质量。将、、,各值代入式(3),可得:(4)
其中加速电压V 的单位为伏特(V),λ的单位为米。由式(4)可计算与电子德布罗意平面单色波的波长。而我们知道,当单色 X 射线在多晶体薄膜上产生衍射时,可根据晶格的结构参数和衍射环纹大小来计算图 1的波长。所以,类比单色 X 射线,也可由电子在多晶体薄膜上产生衍射时测出电子的波长λ。如与λ在误差范围内相符,则说明德布罗意假设成立。下面简述测量λ的原理。
根据晶体学知识,晶体中的粒子是呈规则排列的,具有点阵结构,因此可以把晶体看作三维光栅。这种光栅的光栅常数要比普通人工刻制的光栅小好几个量级。当高速电子束穿过晶体薄膜时所发生的衍射现象与X射线穿过多晶体进所发生的衍射现象相类似。它们衍射的方向均满足布拉格公式。
1晶体是由原子(或离子)有规则地排列而组成的,
如图 1 所示,晶体中有许多晶面(即相互平行的原子层),相邻两平行晶面的间距为一固定值。
当具有一定速度的平行电子束(X 射线)通过晶体时,则电子(X 射线)受到原子(或离子)的散射。而电子束(X 射线)具有一定的波长λ,根据布喇格定律,当相邻两晶面上反射电子束(X 射线)(如图中的 I、II 线)的程差Δ符合下述条件时,可产生相长干涉,即(5)式中θ为入射电子束(或反射电子束),