衍射實驗報告

1、單縫衍射光強分布研究教學目的 1、觀察單縫衍射現(xiàn)象，加深對衍射理論的理解；2、學會使用衍射光強實驗系統(tǒng)，并能用其測定單縫衍射的光強分布；3、形成實事求是 的科學態(tài)度和嚴謹、細致的工作作風。重點：sgs-3型衍射光強實驗系統(tǒng)的調(diào)整和使用難點：1)激光光線與光電儀接收管共軸調(diào)節(jié)；2)光傳感器增益度的正確調(diào)整講授、討 論、實驗演示相結合3學時一、實驗簡介光的衍射現(xiàn)象是光的波動性的一種表現(xiàn)。衍射現(xiàn)象的存在，深刻說明了光子的運動是受 測不準關系制約的。因此研究光的衍射，不僅有助于加深對光的本性的理解，也是近代光學 技術(如光譜分析，晶體分析，全息分析，光學信息處理等)的實驗基礎。衍射導致光強在空間的重新

2、分布，利用光電傳感元件探測光強的相對變化，是近代技術 中常用的光強測量方法之一。二、實驗目的1、學會sgs-3型衍射光強實驗系統(tǒng)的調(diào)整和使用方法；2、觀察單縫衍射現(xiàn)象，研究其光強分布，加深對衍射理論的理解；3、學會用光電元件測量單縫衍射的相對光強分布，掌握其分布規(guī)律；4、學會用衍射法測量狹縫的寬度。三、實驗原理1、單縫衍射的光強分布當光在傳播過程中經(jīng)過障礙物時，如不透明物體的邊緣、小孔、細線、狹縫等，一部分 光會傳播到幾何陰影中去，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。如果障礙物的尺寸與波長相近，那么 這樣的衍射 現(xiàn)象就比較容易觀察到。單縫衍射single-slit diffraction有兩種：一種是菲涅耳衍射fr

3、esnel diffraction， 單 縫距離光源和接收屏receiving screen均為有限遠near field，或者說入射波和衍射 波都是球面波；另一種是夫瑯禾費衍射fraunhofer diffraction，單縫距離光源和接收屏 均為無限遠far field或相當于無限遠，即入射波和衍射波都可看作是平面波。在用散射角scattering angle極小的激 光器(0.002rad)產(chǎn)生激光束laser beam，通過一條很細的狹縫(0.10.3mm寬)，在狹縫后大于0.5m的地方放上觀察屏，禾費衍 射條紋，如圖1所示。當激光照射在單縫上時，根據(jù)惠更斯一菲涅耳原理huygens-

4、fresnel principle，單 縫 上每一點都可看成是向各個方向發(fā)射球面子波的新波源。由于子波迭加的結果，在屏上可以 得到一組平行于單縫的明暗相間的條紋。激光的方向性強，可視為平行光束。寬度為d的單縫產(chǎn)生的夫瑯禾費衍射圖樣pattern， 其衍射光路圖滿足近似條件：sin?xd?d?d?產(chǎn)生暗條紋dark fringes的條件是：dsin?k? ?k?1,?2,?3,?暗條紋的中心位置為：x?k?dd(2)兩相鄰暗紋之間的中心是明紋次極大的中心center of bright fringes o由理論計算可得，垂直入射于單縫平面的平行光經(jīng)單縫衍射后光強分布intensitydistri

5、bution of light的規(guī)律為：式中，d是狹縫寬width, ?是波長d是單縫位置到光電池photocelll i（x）如圖2所示。當?相同，即x到的光強相同的圖樣是平行于狹縫的條紋。當?0時，?1012x10圖2 xx?0，i?i0，在整個衍射圖樣中，此處光強最強，稱為中央主極大central mainmaximum；中央明紋最亮、最寬，它的寬度為其他各級明紋寬度的兩倍。當？k?k?1,?2,?，即 x?k?dd時，i?0，在這些地方為暗條紋。暗條紋是以光軸為對稱軸，呈等間隔、左右對稱的分布。中央亮條紋的寬度x可用k?1的兩條 暗條紋間的間距確定，？x?2?dd；某一級暗條紋的位置與

6、縫寬d成反比，d大，x小，各級衍射條紋向中央收縮；當d寬到一定程度，衍射現(xiàn)象便不再明顯，只能看到中央 位置有一條亮線，這時可以認為光線是沿幾何直線傳播的。次極大secondary maximum明紋與中央明紋的相對光強分別為：（4）2、衍射障礙寬度d的測量由以上分析，如已知光波長?，可得單縫的寬度計算公式為d?k?d（5）x因此，如果測到了第k級暗條紋的位置x，用光的衍射可以測量細縫的寬度d。同理， 如已知單縫的寬度d，可以測量未知的光波長?。3、光電檢測光的衍射現(xiàn)象是光的波動性的一種表現(xiàn)。研究光的衍射現(xiàn)象不僅有助于加深對光本質(zhì)的 理解，而且能為進一步學好近代光學技術打下基礎。衍射使光強在空間

7、重新分布，利用光電 元件測量光強的相對變化，是測量光強的方法之一，也是光學精密測量的常用方法。當在小孔屏位置處放上硅光電單縫池和一維光強讀數(shù)裝置，與數(shù)字檢流計（也稱光點檢流計）相連的硅光電池可沿衍射 展開方向移動，那么數(shù)字檢流計所顯示出來的光電流的大小就與落在硅光電池上的光強成正比，實驗裝置如圖3所示。根據(jù)硅光電池的光電特性可知，光電流和入射光能量成正比，只要工作電壓不太小，光 電流和工作電壓無關，光電特性是線性關系。所以當光電池與數(shù)字檢流計構成的回路內(nèi)電阻恒定時，光電流的相對強度就直接表示了光的相對強度。由于硅光電池的受光面積較大，而實際要求測出各個點位置處的光強，所以在硅 光電池 前裝一細

8、縫光欄（0.5mm），用以控制受光面積，并把硅光電池裝在帶有螺旋測微裝置的底座 上，可沿橫向方向移動，這就相當于改變了衍射角。四、實驗儀器sgs-3型衍射光強實驗系統(tǒng)：單色光源：he?ne激光器；衍射器件：可調(diào)單縫、多 縫板、多孔板、光柵；接收器件：光傳感器、光電流放大器、白屏；光具座：1m硬鋁 導軌。附1：二維調(diào)節(jié)滑動座這是光具座上使用的一種有特殊裝置的滑動座，4個旋鈕分列兩側，其中一側有3個， 上方的用于調(diào)節(jié)光學器件（如狹縫）在豎直平面內(nèi)的轉角，使器件鉛直，中間的用于橫向調(diào) 節(jié)；下面的用于鎖定滑動座在導軌上的位置。附2：移動測量架主要機構是一個百分鼓輪控制精密絲杠，使一個可調(diào)狹縫往復移動，

9、并由指針在直尺上 指示狹縫的位置，狹縫前后分別有進光管和安裝光電探頭的圓套筒。鼓輪轉動一周，狹縫移 動1mm，所以鼓輪轉動一個小格，狹縫（連同光電探頭）只移動0.01mm。附3：光傳感器主要由硅光電探測器用于相對光強測量，波長范圍：2001050nm。附4：數(shù)顯光電流 放大器通過xs12k3p接插件（航空插頭）與光傳感器連接，可在與測量相對光強有關的實驗中 使用。該儀器操作簡便，前面板上除數(shù)字顯示窗和開關外，只設一個增益調(diào)節(jié)旋鈕。如遇較 高光強超出增益調(diào)節(jié)范圍而溢出（窗口顯示“1”），可酌情減小增益或減小狹縫寬度，以恢 復正常顯示。五、實驗內(nèi)容與步驟按圖4安裝好各實驗裝置。開啟光電流放大器，預

10、熱10 20分鐘。圖41激光器，2 一單縫，3一光導軌，4一小孔屏，5一光電探頭，6 一 一維測量裝置，7一數(shù)字檢流計篇三：電子衍射實驗報告電子衍射實驗報告一、目的：通過實驗，驗證德布羅意波。二、原理：由德布羅意公式 TOC o 1-5 h z h?（1）式中?單位是埃；v是加速電壓，單位是伏特。晶體對電子波衍射的關系式由布拉格定 律給出：2dsin?n?（2）式中n代表以整數(shù)表示的衍射級數(shù)，d是晶面間距，？為掠射角。設一束電子透過多晶樣品，產(chǎn)生的衍射環(huán)半徑為r，散射角為2?，樣品到熒光屏的距離 為d （見圖1）。有d?tg2?r（3）因?很小，tg2?2sin?代入（2）式得rd?d（4）對

11、立方晶系有d?a（5）ar?由（4）、（5）式得：?d11（6）圖1三、實驗儀器：df-8型電子衍射儀四、實驗數(shù)據(jù)（金屬樣品到熒光屏距離d=259mm?5mm）（樣品為多晶金au晶格常數(shù)a=4.0786?）說明：由多次實驗求出的晶格常數(shù)相加求平均值與金的晶格常數(shù)對比驗證。2篇四：x射線衍射實驗報告x射線衍射實驗報告摘要：本實驗通過了解到X射線的產(chǎn)生、特點和應用；理解x射線管產(chǎn)生連續(xù)x射線譜和特征 X射線譜的基本原理，了解d8xx射線衍射儀的基本原理和使用方法，通過分析軟件對測量樣 品進行定性的物相分析。關鍵字：布拉格公式晶體結構，x射線衍射儀，物相分析引言：x射線最早由德國科學家w.c. ro

12、entgen在1895年在研究陰極射線發(fā)現(xiàn)，具有很強的穿 透性，又因x射線是不帶電的粒子流，所以在電磁場中不偏轉。1912年勞厄等人發(fā)現(xiàn)了 x射 線在晶體中的衍射現(xiàn)象，證實了 x射線本質(zhì)上是一種波長很短的電磁輻射，其波長約為10nm 到10-2nm之間，與晶體中原子間的距離為同一數(shù)量級，是研究晶體結構的有力工具。物相 分析中的衍射方法包括x射線衍射，電子衍射和中子衍射三種，其中x射線衍射方法使用最 廣，它包括德拜照相法，聚集照相法，和衍射儀法。實驗目的：1. 了解x射線衍射儀的結構及工作原理熟悉x射線衍射儀的操作掌握運用x射線衍射分析軟件進行物相分析的方法實驗原理：x射線的產(chǎn)生和x射線的光譜實

13、驗中通常使用x光管來產(chǎn)生x射線。在抽成真空的x光管內(nèi)，當由熱陰極發(fā)出的電子 經(jīng)高壓電場加速后，高速運動的電子轟擊由金屬做成的陽極靶時，靶就發(fā)射x射線。發(fā)射出 的x射線分為兩類：(1)如果被靶阻擋的電子的能量不越過一定限度時，發(fā)射的是連續(xù)光譜 的輻射。這種輻射叫做軔致輻射；(2)當電子的能量超過一定的限度時，可以發(fā)射一種不連 續(xù)的、只有幾條特殊的譜線組成的線狀光譜，這種發(fā)射線狀光譜的輻射叫做特征輻射。對于特征x光譜分為k系譜線:外層電子填k層空穴產(chǎn)生的特征x射線ka、kp l系譜線：外層電子填l層空穴產(chǎn)生的特征x射線la、lp如下圖1 圖1特征x射線x射線與物質(zhì)的作用x射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種

14、復雜過程。就其能量轉換而言，一束x射線通過物質(zhì)分 為三部分：散射，吸收，透過物質(zhì)沿原來的方向傳播，如下圖2,其中相干散射是產(chǎn)生衍射 花樣原因。圖2 x射線與物質(zhì)的作用晶體結構與晶體x射線衍射晶體結構可以用三維點陣來表示。每個點陣點代表晶體中的一個基本單元，如離子、原 子或分子等?？臻g點陣可以從各個方向予以劃分，而成為許多組平行的平面點陣。因此，晶體可以看 成是由一系列具有相同晶面指數(shù)的平面按一定的距離分布而形成的。各種晶體具有不同的基 本單元、晶胞大小、對稱性，因此，每一種晶體都必然存在著一系列特定的d值，可以用于 表征不同的晶體。x射線波長與晶面間距相近，可以產(chǎn)生衍射。晶面間距d和x射線的波

15、長的關系可以用 布拉格方程來表示2dsin0 =nA根據(jù)布拉格方程，不同的晶面，其對x射線的衍射角也不同。因此，通過測定晶體對x 射線的衍射，就可以得到它的X射線粉末衍射圖。如下圖3就是衍射儀的圖譜。圖3 x射線衍射圖譜物相鑒定原理任何結晶物質(zhì)均具有特定晶體結構（結構類型，晶胞大小及質(zhì)點種類，數(shù)目，分布）和 組成元素。一種物質(zhì)有自己獨特的衍射譜與之對應，多相物質(zhì)的衍射譜為各個互不相干，獨 立存在物相衍射譜的簡單疊加。衍射方向是晶胞參數(shù)的函數(shù)（取決于晶體結構）；衍射強度是結構因子函數(shù)（取決于晶胞 中原子的種類、數(shù)目和排列方式）。任何一個物相都有一套d-i特征值及衍射譜圖。因此，可 以對多相共存的

16、體系進行全分析。也就是說實驗測得的圖譜與數(shù)據(jù)庫中的已知x射線粉末衍 射圖對照，通過兩者的匹配性就可以確定它的物相。實驗儀器本實驗中使用的是德國布魯克公司d8 x射線衍射儀其核心部件是：1）高壓發(fā)生器與x光管2）精度測角儀與b-b衍射幾何3）光學系統(tǒng)及其參數(shù)選擇對采集數(shù)據(jù)質(zhì)量影響4）探測器5）控測、采集數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理儀器設計原理：r1=r2=r，試樣轉。角，探測器轉20角（2。/0偶合）或試樣不動，光 管轉。，探測器轉。（0 / 0偶合），其基本結構原理圖如下圖4圖4 x射線衍射儀設計原理聚焦圓隨衍射角大小而變化，衍射角越大、聚焦圓半徑越小，當20 =0，聚焦圓半徑r= 8；當 20 =1800

17、 時，r=r/2,且 r = r/2sin0。實驗步驟一，樣品制備將待測粉末樣品在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，使試樣面與玻璃表面齊平，二，d8 x射線衍射儀使用測量衍射圖譜1.按照d8 x射線衍射儀操作規(guī)程開機。（1）開總電源。（2）開電腦。（3）開循環(huán)水。（4）開儀器電源（按綠色按鈕，由4燈全亮變成on和alarm燈亮）。（5）開x-ray高壓（右側扳手順時針向上扳45度保持35秒，直到ready燈亮）。（6）開bias （在前蓋盤內(nèi)）。0.10900，步長大些，快速掃描。然后，參照第前面的譜線，把掃描起始角放在第一個 峰前一點，把終止角放在最后一個峰后一點。對于一般定性分析用連續(xù)掃描

18、。對于定量分析 （例如無標樣定量相分析等）對強度要求高，就用步進掃描。按照d8 x射線衍射儀操作規(guī)程關機。（3）關x-ray高壓（右側扳手逆時針向上扳45度），再等5分鐘。（4）關儀器電源（按紅色按鈕）。（5）關循環(huán)水（關儀器電源后迅速關水）。（6）關bias （在前蓋盤內(nèi)）。（7）關電腦。（8）關總電源。三，eva軟件對圖譜處理進行物相分析（1）將待處理的數(shù)據(jù)文件導入。點擊file/import/scan調(diào)入原始數(shù)據(jù)文件*.raw 進行處（2）在toolbox框內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理。i）扣背景：點擊backgnd/點擊default/點擊replace，顯示扣背景處理后的數(shù)據(jù)（也可以點擊backg

19、nd，把門檻threshold改為“0”，上下移動滑塊，調(diào)整至合適背景，點擊“replace”，顯示扣背景處理后的數(shù)據(jù)）。ii）刪除k：點擊strip k/點擊default/點擊replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)（也可以上下移動滑塊調(diào)整至合適，單擊replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)）。iii）平滑處理：單擊smooth/點擊default/點擊replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)（也可以設定需要平滑的參數(shù)，左右或上下移動滑塊進行調(diào)整，合適后單擊replace，顯示處理后的數(shù)據(jù)）。iv）尋峰：點擊peak search，設定尋峰參數(shù)（門檻threshold與峰寬width標定，可以上下移動滑塊進行調(diào)整

20、）。點擊“ append to list ”標定全譜衍射d值（標定漏峰只需按左鍵將“I”拖移至峰頂點擊即可，刪除峰可點擊刪除峰與“X”即可），此時數(shù)據(jù)在peak狀態(tài)列于框內(nèi)。（2）選定所有的峰，單擊made dif生成dif文件。（4）物相的定性分析：點擊search/match。在search/match框內(nèi)選擇前三個quality marks，選擇可能的元素，并選擇pattern，點擊search進行檢索/匹配。（先選toggle all/ 點擊左上角的元素“h”可以將所有的元素變?yōu)榧t色，即肯定沒有。/選擇肯定有的點成綠色。 /選擇可能有的點成灰色。紅色肯定沒有。）。最后根據(jù)列表給出的可能

21、物質(zhì)通過比較卡片內(nèi)的 譜線和實際測量出譜線的吻合程度來確定組成成分，也就完成了 x射線衍射的初步分析工作。 篇五：xrd衍射實驗報告化學化工學院材料化學專業(yè)實驗報告實驗名稱：xrd物相鑒定和圖譜標定年級：09級材料化學日期：2011-9-7姓名： 蔡鵬 學號：222009316210096 同組人：鄒磊預習部分：x衍射原理：x射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，實質(zhì)上是大量的原子散射波互相干涉的結果。晶體所產(chǎn)生 的衍射花樣都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。概括地講，一個衍射花樣的特征，可以認為 由兩個方面的內(nèi)容組成：一方面是衍射線在空間的分布規(guī)律，（稱之為衍射幾何），衍射線的分布規(guī)律是晶胞的大 小、形狀和位

22、向決定另一方面是衍射線束的強度，衍射線的強度則取決于原子的品種和它們在晶胞中的位置。x射線衍射理論所要解決的中心問題：在衍射現(xiàn)象與晶體結構之間建立起定性和定量的 關系。布拉格方程：2dsin?n?根據(jù)布拉格方程，sin?不能大于1，因此：對衍射而言，n的最小值為1，所以在任何 可觀測的衍射角下，產(chǎn)生衍射的條件為?2d，這也就是說，能夠被晶體衍射的電磁波的波 長必須小于參加反射的晶面中最大面間距的二倍，否則不能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。若將布拉格方程中的n隱含在d中得到簡化的布拉格方程：2dhklnsin?,令 dhkl?dhkln則有：2dhklsin?把（hkl）晶面的n級反射看成為與（hkl）晶面平行

23、、面間距為（nh,nk,nl）的晶面的一 級反射。面間距為dhkl的晶面并不一定是晶體中的原子面，而是為了簡化布拉格方程所引入 的反射面，我們把這樣的反射面稱為干涉面。干涉面的面指數(shù)稱為干涉指數(shù)。應用現(xiàn)狀目前x射線衍射（包括散射）已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結構的有效 方法。在金屬中的主要應用有以下方面：物相分析是x射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對 材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相； 后者則根據(jù)衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關系和檢查 材料的成分配比及隨后的處理規(guī)程是否合理等

24、方面都得到廣泛應用。精密測定點陣參數(shù)常用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的測定。溶解度的變化往往引起點陣常 數(shù)的變化；當達到溶解限后，溶質(zhì)的繼續(xù)增加引起新相的析出，不再引起點陣常數(shù)的變化。 這個轉折點即為溶解限。另外點陣常數(shù)的精密測定可得到單位晶胞原子數(shù)，從而確定固溶體 類型；還可以計算出密度、膨脹系數(shù)等有用的物理常數(shù)。取向分析包括測定單晶取向和多晶的結構（見擇優(yōu)取向）。測定硅鋼片的取向就是一例。 另外，為研究金屬的范性形變過程，如攣生、滑移、滑移面的轉動等，也與取向的測定有關。晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應力的測定由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的 大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。宏觀應力的測定宏觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測量 點陣平面在不同方向上的間距的變化，可計算出殘留應力的大小和方向。對晶體結構不完整性的研究包括對層錯、位錯、原子靜態(tài)或動態(tài)地偏離平衡位置，短程 有序，原子偏聚等方面的研究（見晶體缺陷）。合金相變包括脫溶、有序無序轉變、