電子衍射實驗.ppt

1、電子衍射實驗,實驗?zāi)康模?1、了解電子衍射和電子衍射實驗對物理學(xué)發(fā)展的意義。 2、驗證電子具有波動性的假設(shè)。 3、了解電子衍射在研究晶體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，掌握電子衍射實驗技術(shù)。,實驗儀器 電子衍射儀，復(fù)合真空計，數(shù)碼相機，微機 ，打印機。 基礎(chǔ)知識 一、電子的波粒二象性 在普朗克和愛因斯坦關(guān)于光的微粒性理論取得成功的啟示下， 1924年，德布羅意獲巴黎大學(xué)博士學(xué)位，在博士論文中首次提出了“物質(zhì)波”概念。, 德布羅意假設(shè)了物質(zhì)粒子的波動性與光子有相似之處，提出了把粒子能量的量子化與有限空間中駐波的頻率及波長的不連續(xù)性聯(lián)系起來。 但是由于現(xiàn)實中沒觀察到相應(yīng)現(xiàn)象，而產(chǎn)生了疑問。 當(dāng)時，德布羅意給出了一定

2、的解釋，但是沒有從實驗中給出證明。, 兩年后，薛定諤根據(jù)“物質(zhì)波”理論提出了著名的薛定諤方程。 但是仍沒從實驗上進行解釋和證明。,這一假設(shè)于1927年被戴維遜和革末的電子衍射實驗所證實，他們將慢電子束入射到鎳單晶上，得到了與X射線衍射現(xiàn)象完全一樣的圖樣。以后，人們通過實驗又觀察到原子、分子等微觀粒子都具有波動性。實驗證明了物質(zhì)具有波粒二象性，不僅使人們認識到德布羅意的物質(zhì)波理論是正確的，而且為物質(zhì)波理論奠定了堅實基礎(chǔ)。 設(shè)電子的靜止質(zhì)量為m0，經(jīng)電壓U加速后以勻速V作定向運動，其動量P和能量E分別為 根據(jù)德布羅意關(guān)系，電子波長,將各已知物理常數(shù)值代入，得 此即電子波波長與加速電壓的關(guān)系。式對計

3、算加速電壓 低于500的電子運動是足夠準(zhǔn)確的。但加速電壓增大，電 子運動將表現(xiàn)出相對論效應(yīng)，此時電子質(zhì)量,電子動能 于是得到 式中 是相對論修正因子。將已知量代入， 上式可簡化為 當(dāng)電子的加速電壓達到50KV時，對德布羅意波長的修 正可達2。,二、電子波的衍射 與X射線射到晶體光柵上發(fā)生干涉現(xiàn)象一樣，若將一束 單向電子束射向晶體，電子被晶體中的原子散射。應(yīng)用布拉 格的處理方法，將電子波在晶體中的散射視為晶體中各晶面 對電子波的反射。當(dāng)反射電子束與晶面之夾角滿足 時，散射波在空間加強。上式中d為晶體反射面間距，為 電子波波長，見圖（1）。,對立方晶系有: 其中，a是晶體點陣常數(shù)，h、k、l 是晶

4、面指數(shù)。 比較、式得 多晶體的電子衍射圖樣：多晶體薄膜是由許多取向各不相 同的微小晶粒組成。當(dāng)電子束射入薄膜，在與入射線成 2角的圓錐面的任意位置上總可以找到一組滿足布拉格 公式的晶面，于是在與薄膜相距l(xiāng)處的垂直平面上可形成半 徑為R的相干的圓環(huán)。,由圖（2）可知 腳標(biāo)h k l 表示與R均相應(yīng)于某一指數(shù)為（h k l）的晶面。當(dāng)角很小， 近似的有tan=sin。于是 式表明，當(dāng)波長為的電子波被面間距為d的晶面反射時， 將在與晶面相距L處產(chǎn)生一個半徑為R的衍射圓。由于晶體中 有不同d值的晶面，因而對于一定的L值，將產(chǎn)生一組不同 半徑的同心衍射圓環(huán)。L值是設(shè)計電子衍射儀幾何尺寸的 依據(jù)，稱為儀器

5、常數(shù)。L是儀器鏡筒的物理長度。在實驗時， 電子加速電壓U是已知并可調(diào)整的。測得相應(yīng)于某晶體不同面 間距d的衍射環(huán)半徑R，比較式和式，可以驗證德布羅意 公式 。,實驗內(nèi)容 1、開機前檢查。 2、啟動機械泵，當(dāng)5Pa，啟動擴散泵。 3、制做好底膜，將樣品放入鍍膜腔中，注意電離規(guī)開啟條件。當(dāng)P10-2Pa，鍍膜。 4、取出樣品，放入衍射系統(tǒng)樣品架上。調(diào)節(jié)樣品，使其和電子束入射方向垂直。 5、當(dāng)P410-3Pa，加燈絲電壓到120V，高壓10KV，調(diào)節(jié)樣品位置，直到看到熒光屏上有一亮斑。 6、將燈絲電壓加到150V，高壓加到20KV，觀察衍射環(huán)。關(guān)閉高壓，燈絲。作好照相準(zhǔn)備。 7、將燈絲電壓加到175

6、V，高壓加到20KV35KV之間某一值，照相并記錄當(dāng)時的電壓值。關(guān)閉高壓，燈絲。 8、將相片輸入電腦，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，驗證德布羅意公式。 9、關(guān)機操作。 10、安全與防護：X射線防護；高壓安全防護。,11、相關(guān)數(shù)據(jù)：a=4.0856，L=315mm，黑斑物理直徑 d1=13.31mm；d2=12.34mm。 思考題 1、100KV加速電壓下電子波波長值為多少？用晶體作電子衍射光柵才能觀察到電子衍射現(xiàn)象，由此可否利用電子衍射現(xiàn)象研究晶體結(jié)構(gòu)？對此你能提出一些看法嗎？ 2、如果是利用單晶體作樣品，衍射圖樣有何特點？ 3、觀察電子衍射，在技術(shù)上需要什么條件？你能否做一總結(jié)？,附錄 立方晶系電子衍射線指數(shù)注釋表,從公式可知，在一定的加速電壓下，有： 從而可導(dǎo)出 根據(jù)面心立方