微波分光實驗

微波實驗備課教案第5頁微波實驗教學(xué)方式：講述和演示（30分鐘）學(xué)生實驗（120分鐘）一、實驗背景微波技術(shù)是近代科學(xué)的重大成就之一，幾十年來，微波已發(fā)展成一門比較成熟的學(xué)科。在雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航、電子對抗等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。雷達(dá)更是微波技術(shù)的典型應(yīng)用。可以說沒有現(xiàn)代微波技術(shù)的發(fā)展，具體的說是沒有微波有源器件的發(fā)展，就不可能有現(xiàn)代雷達(dá)?，F(xiàn)代的手機(jī)通訊更是與微波休戚相關(guān)。微波是頻率大約在300MHz～3000GHz或波長在1m～0.1mm范圍內(nèi)的電磁波，此波段稱之為微波波段。常把微波波段簡單的劃分為：分米波段（頻率從300～3000MHz）、厘米波段（頻率從3～30GHz）、毫米波段（頻率從30～300GHz）、亞毫米米波段（頻率從300～3000GHz）。微波是一個非常特殊的電磁波段，盡管它介于無線電波和紅外輻射之間，但卻不能僅依靠將低頻無線電波和高頻紅外輻射加以推廣的辦法導(dǎo)出微波的產(chǎn)生、傳輸和應(yīng)用的原理。微波波段之所以要從射頻頻譜中分離出來單獨(dú)進(jìn)行研究，是由于微波波段有著不同于其他波段的重要特點(diǎn)。（波長短、頻率高、量子特性、能穿透電離層……）二、實驗?zāi)康?．用邁干法測定微波波長，加深對微波具有類似光線直線傳播性質(zhì)的理解；2．用模擬晶格觀察微波的布拉格衍射，學(xué)習(xí)Ｘ射線分析晶體結(jié)構(gòu)的基本知識。三、實驗儀器微波源（厘米波信號發(fā)生器）、微波分光計、立方晶體模型；四、實驗原理1．邁干法測定微波波長：微波的邁克爾遜干涉和光學(xué)邁克爾遜干涉儀的基本原理相同，只是用微波代替光波而已（圖1）。微波源發(fā)射喇叭發(fā)出的微波，經(jīng)過與發(fā)射喇叭發(fā)射方向成45度的分光玻璃板，把一束微波等幅地分成兩束，一束經(jīng)分光板發(fā)射后向固定金屬板A方向傳播，另一束微波通過分光板，向可移動的金屬反射板B方向傳播，這樣把一列單色的電磁波經(jīng)過分光板后，分解成頻率相同，振動方向一致，而傳播方向互相垂直的兩列微波。圖1邁干法測微波波長分光玻璃固定金屬板可移動金屬板圖1邁干法測微波波長分光玻璃固定金屬板可移動金屬板發(fā)射喇叭接收喇叭AB射回來，透過分光板到達(dá)接受喇叭，第二束微波經(jīng)B板反射后到達(dá)分光板，再經(jīng)反射也到達(dá)了接受喇叭。這樣接受喇叭同時接受到兩束同頻率、振動方向一致的微波，如果兩束波的波程差滿足波長整數(shù)倍時，是相長干涉。此時，與接收器連接的指示器將顯示電流極大。測量n次極大值的位置，則微波的波長為：晶體點(diǎn)陣上的格點(diǎn)，按一定的對稱規(guī)律周期地重復(fù)排列在空間三個方向上。因此晶體的立體點(diǎn)陣可以用一系列間距相等的平行晶面族來表示。布拉格公式中的d值就是這樣的晶面族中相鄰兩晶面的間距。晶體點(diǎn)陣中的平行晶面族有許多種取法，每種取法有著特定的晶面法線方向。晶面法線方向的矢量代表著晶面的取向。圖3就畫出了二維點(diǎn)陣中一些晶面族的取法。對于特定取向的晶面，我們采用密勒指數(shù)h、k、l（三個互質(zhì)的整數(shù)）來表示，稱為晶面的密勒指數(shù)，該平面族就稱為（hkl）晶面族。例如，某平面在三個坐標(biāo)軸上的截距分別為x=3,y=4,z=2（見圖2-a）,取倒數(shù)再化做互質(zhì)的整數(shù)即：所以此平面的密勒指數(shù)為(436)，即此平面的平行晶面族記為（436）。圖2晶面的密勒指數(shù)標(biāo)記圖2晶面的密勒指數(shù)標(biāo)記又如圖2-b所示，平面ABB′A′在三個坐標(biāo)軸上的截距為x=1,y=,z=，所以密勒指數(shù)為（100）。ABCC′平面的截距為x=1,y=1,z=的，所以密勒指數(shù)為（110）。依次類推，平面ABDD’的密勒指數(shù)為(120)。圖3二維晶面我們略去晶胞的空間結(jié)構(gòu)，俯視圖2-b所示的點(diǎn)陣，可得立方晶體在x-y平面上的投影如圖3所示。實線表示（100）平面與x-y平面的交線，點(diǎn)劃線與虛線分別表示（110）面及（120）面與x-y平面的交線。其它晶面族密勒指數(shù)記法類推。對于立方晶系，d100=d010=d001=d，圖3二維晶面如圖3所示，今有一束平行的微波入射（100）平面族，根據(jù)x射線的布拉格衍射公式，全部散射線相互干涉加強(qiáng)條件為：若實驗測得掠射角，則從已知的微波波長可求晶面族間距d100。反之若知晶面族的間距，可求微波的波長。對于其它晶面族，全部散射線相互加強(qiáng)條件依次類推。五、儀器介紹微波布拉格衍射的實驗裝置主要是一個微波分光計，分光計兩臂可以繞主軸轉(zhuǎn)動，其上分別裝置發(fā)射喇叭(T)，及探測喇叭(D)。發(fā)射喇叭上附有速調(diào)管或體效應(yīng)震蕩器(k)及衰減器(A)，可發(fā)射波長為3cm的單色微波，探測喇叭上附有檢波器，輸出引線連接直流電流表（量程為100A的微安表），以顯示探測喇叭受到散射波相互干涉后的微波能量。為防止分光計底座與小平臺(S)對微波的反射，兩個喇叭等高并位于小平臺之上。六、實驗內(nèi)容及步驟1．邁干法測量微波波長1）調(diào)微波分光計，使兩個喇叭同軸等高，且通過分光計中心，各轉(zhuǎn)至0°與180°。2）在分光計上將喇叭(D)旋轉(zhuǎn)90°，并裝上動反射鏡(M1)和固定反射鏡(M2)，構(gòu)成微波邁克爾孫干涉儀。3）在小平臺上放一玻璃板，使之與微波如射方向夾角為45°。只要移動(M1)的位置，就可在檢測表頭上觀察干涉的結(jié)果。4）測定連續(xù)3個極小或極大變化之間M1移動距離（相鄰兩個極小值或極大值時M1位移為1/2波長，并計算出微波波長。重復(fù)5次，并進(jìn)行誤差分析。2．驗證布拉格公式測量立方晶體（100）面衍射一級與二級極大值的掠射角1與2。掠射角從20°開始測量，轉(zhuǎn)動兩臂