基于微波分光仪的系列实验.doc

基于微波分光仪的系列实验 一、实验目的、要求 （2）进一步认识电磁波的波动性，测量并验证反射、单缝衍射、偏振及布拉格衍射； 等实验的规律。 （3）了解物理量相对测量的特点和研究方法，学习如何分析和消除系统误差。学习如何利用实验理论，通过比较理论结果与实验结果得出实验结论的方法。 二、实验原理 1、微波的反射 如图1所示，一束微波从发射喇叭A发出，射向金属板MN，入射角为，由于微波的传播遵循反射定律，因此在反射方向的位置上，只有接收喇叭B处在反射角时，接收到的微波强度最大，即反射角等于入射角。 图1 图2 微波的单缝衍射 微波的衍射原理与光波的衍射完全相同。当一束微波入射到与波长可以比拟的狭缝时，它就要发生衍射现象如图2所示。设微波波长为，狭缝宽度为，衍射角为，当， 时，在狭缝后面出现衍射波强度的极小值。当，时，在狭缝后面出现衍射波强度的极大值。（中间极大在处）。 波的偏振性 微波在自由空间中传播的电磁波是横波，它的电场强度矢量E与磁场强度矢量H和波的传播方向S永远成正交关系，它们的振动面方向总是保持不变，E、H、S遵守坡印廷关系E×H=S，（如图3）。如果E在垂直于传播方向的平面内沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波，在光学中也叫偏振波。电磁场沿某一方向传播的能量有的关系，这就是光学中的马吕斯定律，对于微波同样适用，即，式中为偏振波的强度，是与间的夹角。 图3 4、波的布拉格衍射 任何的真实晶体，都具有自然外形和各向异性的性质，这和晶体的离子、原子或分子在空间按一定的几何规律排列有密切关系。晶体内的离子、原子、或分子占据着点阵的结构，两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数。真实晶体的晶格常数约在10-8厘米的数量级。X射线的波长与晶体的晶格常数属于同一数量级。实际上晶体起着衍射光栅的作用。因此可以利用X射线在晶体点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间距和相互位置的排列，以达到对晶体结构的了解。本实验是仿照X射线入射真实晶体发生衍射的基本原理，人为的制作了一个方形点阵的模拟晶体，以微波代替X射线，使微波向模拟晶体入射，观察从不同晶面上点阵的反射波产生干涉应符合的条件应满足布拉格在1912年导出的X射线衍射关系式——布拉格公式。 ）标记。实线和虚线分别表示（100）和（110）晶面与水平某一晶面的交线。当一束微波以角掠射到（100）晶面，一部分微波将为表层的“原子”所散射，其余部分的微波将为晶体内部各晶面上的“原子”所散射，各层晶面上“原子”散射的本质是因“原子”在微波电磁场胁迫下做与微波同频率的受迫震荡，然后向周围发出电磁子波，由图6知入射波束PA和QB分别受到表层“原子”A和第二层“原子”B的散射，散射束分别为AP、和BQ、，则PAP、和QBQ、的波程差为：，式中为晶面间距，对立方晶体，显然波程差为入射波波长的整数倍时，即，两列波相位相同，产生干涉极大值。式中表示掠射角（入射线与晶面夹角），称为布拉格角；n为整数，称为衍射级次。同样可以证明，凡是在此掠射角被（100）各晶面散射的微波均为干涉加强。上式就是著名的布拉格公式。布拉格公式不仅对于（100）晶面族成立。对于其它晶面族也成立，但晶面间距不同。对于（110）晶面族。 计算晶面间距的公式为： 实验中注意除了两喇叭的调整同反射实验一样外，模拟晶体球应用模片调得上下左右成为一方形点阵，模拟晶体架上的中心孔插在支架上与度盘中心一致的一个销子上。当把模拟晶体放到小平台上时，应使模拟晶体架下面小圆盘的某一条与所研究晶面法线一致的刻线与度盘上的0刻线一致。为了避免两喇叭之间的波直接入射，入射角取值范围最好在30o到70o之间。 三、实验仪器 成套微波分光仪如图4所示。 图 微波分光仪 三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在λ=32.02mm上），这种微波信号就相当于光学实验中要求的单色光束。喇叭天线的增益大约是20分贝，波瓣的理论半功率点宽度大约为：H面是20o，E面是16o。当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏损方向是垂直的。可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大。晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。当以上这些元件连接时，各波导端应对齐。如果连接不正确，则信号传输可能受破坏。 四、机械结构的安装与调整（参看图） 本仪器为了便于运输、包装，出厂包装时将分度转台做了必要的拆卸，用户在使用前需做如下安装与调整。 （l）基座（即喷漆的大圆盘）的安装： 将Φ40.5的孔向上，将四个支脚按图安置在基座上。 （2）固定臂的安装： 在包装箱中有固定臂取出，将固定臂头部的 4个 M5螺钉通过