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1、电子衍射实验,实验目的： 1、了解电子衍射和电子衍射实验对物理学发展的意义。 2、验证电子具有波动性的假设。 3、了解电子衍射在研究晶体结构中的应用，掌握电子衍射实验技术。,实验仪器 电子衍射仪，复合真空计，数码相机，微机 ，打印机。 基础知识 一、电子的波粒二象性 在普朗克和爱因斯坦关于光的微粒性理论取得成功的启示下， 1924年，德布罗意获巴黎大学博士学位，在博士论文中首次提出了“物质波”概念。, 德布罗意假设了物质粒子的波动性与光子有相似之处，提出了把粒子能量的量子化与有限空间中驻波的频率及波长的不连续性联系起来。 但是由于现实中没观察到相应现象，而产生了疑问。 当时，德布罗意给出了一定
2、的解释，但是没有从实验中给出证明。, 两年后，薛定谔根据“物质波”理论提出了著名的薛定谔方程。 但是仍没从实验上进行解释和证明。,这一假设于1927年被戴维逊和革末的电子衍射实验所证实，他们将慢电子束入射到镍单晶上，得到了与X射线衍射现象完全一样的图样。以后，人们通过实验又观察到原子、分子等微观粒子都具有波动性。实验证明了物质具有波粒二象性，不仅使人们认识到德布罗意的物质波理论是正确的，而且为物质波理论奠定了坚实基础。 设电子的静止质量为m0，经电压U加速后以匀速V作定向运动，其动量P和能量E分别为 根据德布罗意关系，电子波长,将各已知物理常数值代入，得 此即电子波波长与加速电压的关系。式对计
3、算加速电压 低于500的电子运动是足够准确的。但加速电压增大，电 子运动将表现出相对论效应，此时电子质量,电子动能 于是得到 式中 是相对论修正因子。将已知量代入， 上式可简化为 当电子的加速电压达到50KV时，对德布罗意波长的修 正可达2。,二、电子波的衍射 与X射线射到晶体光栅上发生干涉现象一样，若将一束 单向电子束射向晶体，电子被晶体中的原子散射。应用布拉 格的处理方法，将电子波在晶体中的散射视为晶体中各晶面 对电子波的反射。当反射电子束与晶面之夹角满足 时，散射波在空间加强。上式中d为晶体反射面间距，为 电子波波长，见图（1）。,对立方晶系有: 其中，a是晶体点阵常数，h、k、l 是晶
4、面指数。 比较、式得 多晶体的电子衍射图样：多晶体薄膜是由许多取向各不相 同的微小晶粒组成。当电子束射入薄膜，在与入射线成 2角的圆锥面的任意位置上总可以找到一组满足布拉格 公式的晶面，于是在与薄膜相距l处的垂直平面上可形成半 径为R的相干的圆环。,由图（2）可知 脚标h k l 表示与R均相应于某一指数为（h k l）的晶面。当角很小， 近似的有tan=sin。于是 式表明，当波长为的电子波被面间距为d的晶面反射时， 将在与晶面相距L处产生一个半径为R的衍射圆。由于晶体中 有不同d值的晶面，因而对于一定的L值，将产生一组不同 半径的同心衍射圆环。L值是设计电子衍射仪几何尺寸的 依据，称为仪器
5、常数。L是仪器镜筒的物理长度。在实验时， 电子加速电压U是已知并可调整的。测得相应于某晶体不同面 间距d的衍射环半径R，比较式和式，可以验证德布罗意 公式 。,实验内容 1、开机前检查。 2、启动机械泵，当5Pa，启动扩散泵。 3、制做好底膜，将样品放入镀膜腔中，注意电离规开启条件。当P10-2Pa，镀膜。 4、取出样品，放入衍射系统样品架上。调节样品，使其和电子束入射方向垂直。 5、当P410-3Pa，加灯丝电压到120V，高压10KV，调节样品位置，直到看到荧光屏上有一亮斑。 6、将灯丝电压加到150V，高压加到20KV，观察衍射环。关闭高压，灯丝。作好照相准备。 7、将灯丝电压加到175
6、V，高压加到20KV35KV之间某一值，照相并记录当时的电压值。关闭高压，灯丝。 8、将相片输入电脑，读取相应的数据，验证德布罗意公式。 9、关机操作。 10、安全与防护：X射线防护；高压安全防护。,11、相关数据：a=4.0856，L=315mm，黑斑物理直径 d1=13.31mm；d2=12.34mm。 思考题 1、100KV加速电压下电子波波长值为多少？用晶体作电子衍射光栅才能观察到电子衍射现象，由此可否利用电子衍射现象研究晶体结构？对此你能提出一些看法吗？ 2、如果是利用单晶体作样品，衍射图样有何特点？ 3、观察电子衍射，在技术上需要什么条件？你能否做一总结？,附录 立方晶系电子衍射线指数注释表,从公式可知，在一定的加速电压下，有： 从而可导出 根据面心立方晶系衍射线出现的规律，可列出上表。测得 电子衍射图样中各衍射线的半径，求其平方值与第一线 （半径最小的）半径平方之比，与表中指数平方和比值比 较，便可确定面心立方晶体中个衍射线的晶面指数了。,