4.15 Badanie dyfrakcji światła laserowego na krysztale koloidalnym(o19)

Podobne dokumenty
Równanie Fresnela. napisał Michał Wierzbicki

Wyznaczanie długości fali świetlnej za pomocą spektrometru siatkowego

(U.3) Podstawy formalizmu mechaniki kwantowej

Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne

Koła rowerowe malują fraktale

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Ćwiczenie 4 Badanie wpływu asymetrii obciążenia na pracę sieci

(Ćwiczenie nr 4) Wpływ siły jonowej roztworu na stałą szybkości reakcji.

jednoznacznie wyznaczają wymiary wszystkich reprezentacji grup punktowych, a związki ortogonalności jednoznacznie wyznaczają ich charaktery

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Koła rowerowe kreślą fraktale

WAHADŁO SPRĘŻYNOWE. POMIAR POLA ELIPSY ENERGII.

Podstawy rachunku prawdopodobieństwa (przypomnienie)

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Analiza parametrów rozszczepienia zero-polowego oraz pola krystalicznego dla jonów Mn 2+ i Cr 3+ domieszkowanych w krysztale YAl 3 (BO 3 ) 4

Pomiary napięć przemiennych

( ) + ( ) T ( ) + E IE E E. Obliczanie gradientu błędu metodą układu dołączonego

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

Geometria analityczna przestrzeni

MODYFIKACJA KOSZTOWA ALGORYTMU JOHNSONA DO SZEREGOWANIA ZADAŃ BUDOWLANYCH

Opis ćwiczenia. Cel ćwiczenia Poznanie budowy i zrozumienie istoty pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Henry ego Katera.

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

DRGANIA WŁASNE RAM OBLICZANIE CZĘSTOŚCI KOŁOWYCH DRGAŃ WŁASNYCH

Wyznaczanie rozmiaro w przeszko d i szczelin za pomocą s wiatła laserowego

Komputerowa reprezentacja oraz prezentacja i graficzna edycja krzywoliniowych obiektów 3d

Poniższe eseje zostały opublikowane w Encyklopedii Szkolnej - Fizyka, która została wydana w marcu 2006 r. przez:

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

A. Cel ćwiczenia. B. Część teoretyczna

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ

Wykład 21: Studnie i bariery cz.1.

A4: Filtry aktywne rzędu II i IV

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

METODA PROJEKTOWANIA REJONU ZMIANY KIERUNKU TRASY KOLEJOWEJ

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Metody badań monokryształów metoda Lauego

Krzysztof Nowakowski

Ćwiczenie nr 35: Elektroliza

σ-ciało zdarzeń Niech Ω będzie niepustym zbiorem zdarzeń elementarnych, a zbiór F rodziną podzbiorów zbioru Ω spełniającą warunki: jeśli A F, to A F;

P k k (n k) = k {O O O} = ; {O O R} =

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

PROCENTY, PROPORCJE, WYRAŻENIA POTEGOWE

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

Wykład 9. Fizyka 1 (Informatyka - EEIiA 2006/07)

Krystalografia. Dyfrakcja na monokryształach. Analiza dyfraktogramów

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

M.A. Karpierz, Fizyka

BELKI CIĄGŁE STATYCZNIE NIEWYZNACZALNE

Q strumień objętości, A przekrój całkowity, Przedstawiona zależność, zwana prawem filtracji, została podana przez Darcy ego w postaci równania:

Ćwiczenie Nr 11 Fotometria

Filtracja pomiarów z głowic laserowych

ZARYS METODY OPISU KSZTAŁTOWANIA SKUTECZNOŚCI W SYSTEMIE EKSPLOATACJI WOJSKOWYCH STATKÓW POWIETRZNYCH

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

R w =

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

Pomiar prędkości i natęŝenia przepływu za pomocą rurek spiętrzających

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

Metody badań monokryształów metoda Lauego

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

Wyniki pomiarów okresu drgań dla wahadła o długości l = 1,215 m i l = 0,5 cm.

TEORIA CIAŁA STAŁEGO (cz. II)

MECHANIKA OGÓLNA (II)

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Wyznaczenie długości fali świetlnej metodą pierścieni Newtona

Ćwiczenie VI KATALIZA HOMOGENICZNA: ESTRYFIKACJA KWASÓW ORGANICZNYCH ALKOHOLAMI

Wyznaczanie ciepła topnienia lodu lub ciepła właściwego wybranego ciała

1. Struktura pasmowa from bonds to bands

Tutaj powinny znaleźć się wyniki pomiarów (tabelki) potwierdzone przez prowadzacego zajęcia laboratoryjne i podpis dyżurujacego pracownika obsługi

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

1. RACHUNEK WEKTOROWY

XL OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP I Zadanie doświadczalne

REFERAT PRACY MAGISTERSKIEJ Symulacja estymacji stanu zanieczyszczeń rzeki z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych.

Wyznaczanie współczynnika załamania światła

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

PRACE ORYGINALNE ORIGINAL PAPERS

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

Badanie rozkładu pola elektrycznego

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

, to niepewność sumy x

Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej cienkiej soczewki skupiającej

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 51: Współczynnik załamania światła dla ciał stałych

STRUKTURA KRYSTALICZNA

Rejestracja dyfraktogramów polikrystalicznych związków. Wskaźnikowanie dyfraktogramów i wyznaczanie typu komórki Bravais go.

Politechnika Warszawska Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Zakład Optoelektroniki

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Laboratorium Podstaw Fizyki. Ćwiczenie 100a Wyznaczanie gęstości ciał stałych

Badanie rozkładu pola elektrycznego

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. DWÓJŁOMNOŚĆ MIKI

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN ZAKŁAD MECHATRONIKI LABORATORIUM PODSTAW AUTOMATYKI INSTRUKCJA

Temat ćwiczenia: POMIARY W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO. A Lp. U[V] I[mA] R 0 [ ] P 0 [mw] R 0 [ ] 1. U 0 AB= I Z =

3. Kinematyka podstawowe pojęcia i wielkości

Analiza nośności poziomej pojedynczego pala

Zastosowanie metody PCA do opisu wód naturalnych

Grupowanie sekwencji czasowych

SPRAWDZENIE PRAWA STEFANA - BOLTZMANA

WYKŁAD 5 METODY OPTYMALIZACJI NIELINIOWEJ BEZ OGRANICZEŃ

Transkrypt:

256 Fale 4.15 Badanie dyfracji światła laserowego na rysztale oloidalnym(o19) Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej sieci dwuwymiarowego ryształu oloidalnego metodą dyfracji światła laserowego. Zagadnienia do przygotowania: strutura rystaliczna(sieć przestrzenna, baza); omóra elementarna, omóra prosta; podstawowe rodzaje sieci dwuwymiarowych; sieć odwrotna; monoryształy i poliryształy; dyfracja promieniowania eletromagnetycznego na ryształach(prawo Bragga, równania Lauego, onstrucja Ewalda); wyonanie w postaci pisemnej trzech zadań z podrozdziału 4.15.1. Literatura podstawowa:[26] rozdział 1 i 2; literatura dodatowa:[34],[33],[32]. 4.15.1 Podstawowe pojęcia i definicje Sieć przestrzenna Klasyczna definicja ryształu mówi, że jest to ciało stałe, tórego gęstość ρ( r) jest funcją ( niezmienniczą względem przesunięcia o wetor sieci przestrzennej tj. ρ( r) = ρ r + L ).Wetor L = n 1 a 1 + n 2 a 2 + n 3 a 3 jestwetoremsieciprzestrzennej(sieci rzeczywistej,siecirystalicznej),gdzie a 1, a 2, a 3 sąwetoramibazowymisieciprzestrzennej(niemogąleżećwjednejpłaszczyźnie),a n 1, n 2, n 3 sąliczbamicałowitymi (rysune 4.15.1). Wetory bazowe sieci definiują omórę elementarną, czyli elementarną przestrzeń ryształu, tórej motyw(tj. rozmieszczenie atomów) jest periodycznie powtarzany w całym rysztale. Dlatego, aby opisać struturę ryształu, wystarczy znać: parametry omóri elementarnej, tj. długości wetorów bazowych oraz ąty między nimi, motyw omóri elementarnej tego ryształu. W badanym oloidalnym hesagonalnym rysztale 2-wymiarowym omóra elementarnajestrombem,tóregoboitworząąt 120.Komóraelementarnategoryształu ma tylo jeden parametr długość bou(oznaczany jao a), tórego wyznaczenie jest celem ćwiczenia. Sieć odwrotna Płaszczyzny sieciowe, tj. płaszczyzny przechodzące przez węzły sieci przestrzennej, oreślają zewnętrzne ściany ryształu. Kieruni prostopadłe do tych płaszczyzn(oraz dościan)sąoreśloneprzezwetorysieciodwrotnej L = h 1 a 1 +h 2 a 2 +h 3 a 3 (rysune

Badanie dyfracji światła laserowego na rysztale oloidalnym(o19) 257 L=n. a + n. a + n. a 1 1 2 2 3 3 a 3 a 2 a 1 a 2 a 1 =h. a * + h. a * + h. a * 1 1 2 2 3 3 Rys. 4.15.1: Trójwymiarowa i dwuwymiarowa sieć rystaliczna. 4.15.1). Wetory sieci odwrotnej oreślają taże ieruni promieniowania rozproszonego na badanym rysztale(promieniowania rentgenowsiego bądź eletronów czy neutronów dla ryształu lub światła laserowego w przypadu ryształu oloidalnego). Różnica międzywetoremfalowympromieniowaniapadającego ipromieniowaniarozproszonego jestrównadoładniewetorowisieciodwrotnej: = = L. (4.15.1) Ten tzw. warune Lauego(rysune 4.15.2) oreśla waruni dyfracji. Jest on równoważny warunowi Bragga oraz tzw. onstrucji Ewalda. 2 Rys. 4.15.2: Dyfracja na rysztale warune Lauego.

258 Fale Relacja między siecią przestrzenną i siecią odwrotną Wetory sieci przestrzennej definiują wetory sieci odwrotnej(v jest objętością omóri elementarnej): a 1 = 2π V ( a 2 a 3 ), a 2 = 2π V ( a 3 a 1 ), V = a 1 [ a 2 a 3 ] = a 2 [ a 3 a 1 ] = a 3 [ a 1 a 2 ]. a 3 = 2π V ( a 1 a 2 ), (4.15.2) Dlatego też na podstawie doświadczeń dyfracyjnych(oreślających parametry sieci odwrotnej,taichjadługościwetorów a 1, a 2, a 3 orazątymiędzynimi)możemy oreślić parametry omóri elementarnej. Na rysunu 4.15.3 przedstawiona jest sieć uośnoątna. Jest to najbardziej ogólny przypade dwuwymiarowej sieci przestrzennej. Oprócz sieci uośnoątnej wyróżniamy jeszczeczterytypydwuwymiarowychsieciprzestrzennych:siećwadratową(a 1 = a 2 ; α = 90 ),siećprostoątnąiprostoątnącentrowaną(a 1 a 2 ; α = 90 )orazsieć hesagonalną(a 1 = a 2 ; α = 120 ). a*2 a*1 a 2 a3 a*3 a 1 Rys. 4.15.3: Dwuwymiarowa sieć uośnoątna(puste óła) i jej sieć odwrotna(pełne óła). Zadanie 1. Znajdź: 1.związemiędzywetoramibazowymi a 1 i a 2 dwuwymiarowejsieciryształuoloidalnegoawetorami a 1 i a 2 jegosieciodwrotnejorazobliczątmiedzywetorami a 1 i a 2.Wsazówa:sorzystajzrelacji(4.15.2);jao a 3przyjmijwetorjednostowy w ierunu prostopadłym do płaszczyzny sieci dwuwymiarowej. Odpowiedź: szuanyątwinienmieć 60 ; 2.związemiędzydługością a wetorasieciodwrotnejiparametrem aomóri elementarnejryształuoloidalnego(stałąsieciprzestrzennej).odpowiedź: a = 4π a 3 ;

Badanie dyfracji światła laserowego na rysztale oloidalnym(o19) 259 3. długość dowolnego wetora sieci odwrotnej L h 1 h 2 = a h 2 1 + h2 2 + h 1h 2. Dyfracja na rysztale L h 1 h 2 = h1 a 1 + h 2 a 2.Odpowiedź: Warune Bragga dla dyfracji oreśla położenie n-tego masimum dyfracyjnego uzysanego dla promieniowania o długości λ rozpraszanego na uładzie równoległych płaszczyznsieciowychprzyodległościmiędzypłaszczyznowej d h1 h 2 h 3 : 2d h1 h 2 h 3 sin Θ = nλ. (4.15.3) Masimum to występuje dla oreślonej przez powyższy warune wartości ąta Θ(patrz rysune4.15.4).jesttoątmiędzypłaszczyznamisieciowymiaieruniem promieniowania padającego. Jednocześnie jest to ąt między tymi płaszczyznami a ieruniem promieniowaniarozproszonego.natomiast 2Θtoątmiędzy 0 i. 2 Rys. 4.15.4: Dyfracja na uładzie równoległych płaszczyzn sieciowych. Odległość d h1 h 2 h 3 międzyrównoległymipłaszczyznamisieciowymimożnałatwoobliczyć,jeśliznamydługośćwetora L h 1 h 2 h 3 oreślającegoorientacjętychpłaszczyzn (wetora prostopadłego do nich): 2π d h1 h 2 h 3 = L. (4.15.4) h 1 h 2 h 3 Jeżeli h 1, h 2, h 3 niesąliczbamiwzględemsiebiepierwszymitoprawąstronęrównania (4.15.4) należy pomnożyć przez liczbę naturalną więszą od jedności. Doświadczalny uład dyfracyjny przypomina uład stosowany w dyfracji eletronów na ryształach mających postać warstwy o grubości A(patrz rysune 4.15.5). Kąt 2Θ exp jestoreślonywesperymencieprzezrelację:

260 Fale A = = D 0 2 h 1 h 2 h 3 4 / A eran R h h h 1 2 3 Rys. 4.15.5: Schemat uładu do badania dyfracji na rysztale w postaci cieniej warstwy. 2Θ exp = arctan R h 1 h 2 h 3 D, (4.15.5) gdzie D odległośćryształudoeranu(liszy); R h1 h 2 h 3 odległośćnaeranie(liszy) od plami centralnej rozpraszania do plami odpowiadającej wetorowi sieci odwrotnej L h 1 h 2 h 3. Zadanie2.KorzystajączL h 1 h 2 obliczonegodlaryształuoloidalnegoorazrównań (4.15.3) i(4.15.4) oblicz, dla n = 1(masimum dyfracyjne pierwszego rzędu), teoretycznąwartośćąta Θ th,dlatóregopowinniśmyuzysaćmasimumdyfracyjne. Wyznaczoneesperymentalniewartościąta Θ exp porównaszzwartościamiteoretycznymi, aby wyznaczyć parametr a omóri elementarnej. Monoryształy i poliryształy Ciało rystaliczne, dla tórego orientacja sieci przestrzennej we wszystich jego puntach jest identyczna nazywamy monoryształem. Dyfracja na monorysztale daje plami dyfracyjne oreślone przez dysretne węzły sieci odwrotnej. W przypadu badanego ryształu oloidalnego plami dyfracyjne dadzą sieć hesagonalną. W otaczającym nas świecie stosunowo rzado spotyane są monoryształy o rozmiarach więszych od średnicy wiązi promieniowania użytego do dyfracji. Najczęściej badane ciała rystaliczne są onglomeratem wielu monorystalicznych ziaren, różniących się orientacją sieci przestrzennej. Taie substancje oreśla się mianem poliryształów (proszów rystalicznych). Obraz dyfracyjny otrzymany dla poliryształu to obraz wielu identycznych, ale różniezorientowanych,sieciodwrotnychowspólnymwęźle (h 1 h 2 h 3 ) = (0 0 0)(tj.dla L = 0 a 1 +0 a 2 +0 a 3 = 0).Węzełtenjestoreślonyprzezplamęcentralnąobrazudy-

Badanie dyfracji światła laserowego na rysztale oloidalnym(o19) 261 fracyjnego. W wyniu nałożenia obrazów tych różnie zorientowanych sieci odwrotnych otrzymujemy obraz dyfracyjny w postaci współśrodowych sfer o promieniach odpowiadających wartościom L (rysune4.15.6).wprzypadubadanegoryształu h 1 h 2 h 3 oloidalnego obraz dyfracyjny jego obszaru polirystalicznego ma postać oncentrycznych pierścieni o promieniach oreślonych zależnością L h 1 h 2 = a h 2 1 + h2 2 + h 1h 2. h 1 h 2 h ( h h h ) 3 1 2 3 (000) I h h h 1 2 3 I Rys. 4.15.6: Poliryształ i jego obraz dyfracyjny. Zadanie 3. Oblicz promienie olejnych pierścieni dyfracyjnych i przypisz im pary wsaźniów (h 1 h 2 ).Odpowiedź:powinieneśotrzymaćnastępująceparywsaźniów: (10),(11),(20),(21),(30),... 4.15.2 Przebiegpomiarów Uład pomiarowy W sład uładu doświadczalnego, przedstawionego na rysunu 4.15.7, wchodzą: laser He-Ne, przesłona, specjalnie spreparowany dwuwymiarowy ryształ oloidalny, eran służący do obserwacji i rejestracji obrazu dyfracyjnego. Ponadto do dyspozycji jest papier fotograficzny, wywoływacz i utrwalacz oraz uwety do utrwalenia obrazu dyfracyjnego. P K E Laser He - Ne Rys. 4.15.7: Schemat uładu służącego do otrzymywania obrazu dyfracyjnego dwuwymiarowego ryształu oloidalnego(p- przesłona, K- ryształ oloidalny, E- eran/lisza fotograficzna).

262 Fale Przebieg doświadczenia Wyonać obserwację strutury badanego dwuwymiarowego ryształu oloidalnego pod mirosopem- notatę umieść w protoole pomiarowym. Wyonać pomiary pozwalające na obliczenie stałej sieci badanego ryształu. Wyonać obserwację obrazu dyfracyjnego(oddzielnie dla obszaru monorystalicznego i polirystalicznego próbi) na eranie znajdującym się w odległości ooło 2 m od ryształu. Wyonać pomiary pozwalające na obliczenie stałej sieci badanego ryształu. Utrwalić obraz dyfracyjny(oddzielnie dla obszaru monorystalicznego i polirystalicznego próbi) na papierze fotograficznym ustawionym jao eran w odległości ooło 15 cmodryształu. 4.15.3 Opracowaniewyniów Na podstawie pomiarów wyonanych pod mirosopem obliczyć wartość stałej sieci badanego ryształu i oszacować niepewność pomiarową(niepewność pomiarowa wielości mierzonej bezpośrednio). Korzystając z wyniów uzysanych w zadaniach 1 3 znaleźć wyrażenie pozwalające wyznaczyć wartość stałej sieci badanego ryształu na podstawie pomiarów wyonanych na obrazie dyfracyjnym. Wyznaczyć wartość stałej sieci badanego ryształu(oddzielnie dla obszaru monorystalicznego i polirystalicznego próbi) na podstawie pomiarów wyonanych na obrazie dyfracyjnym obserwowanym na eranie znajdującym się w dużej odległości od ryształu. Oszacować niepewności pomiarowe(metodą różniczi zupełnej lub propagacji odchylenia standardowego dla pomiarów pośrednich). Należy zwrócić uwagę, czy uzysane wynii są zgodne w granicach niepewności pomiarowej. Przerysować zdjęcia obszaru monorystalicznego i polirystalicznego próbi na przeźroczystą folię, zaznaczając tylo najmocniejsze reflesy(istotne z puntu widzenia dalszego opracowania). Ponumerować reflesy, zmierzyć i zapisać w odpowiedniej tabeli odległościreflesówpozwalającenawyznaczeniepromieni R h1 h 2.Wyznaczyćwartość stałej sieci badanego ryształu(oddzielnie dla obszaru monorystalicznego i polirystalicznego próbi) oraz oszacować niepewności pomiarowe. Czy uzysane wynii są zgodne w granicach niepewności pomiarowych? Przeprowadzić dysusję zgodności wyniów uzysanych na podstawie pomiarów wyonanych pod mirosopem, na eranie umieszczonym w dużej odległości od badanego ryształu oraz na liszy fotograficznej, zarówno dla obszarów poli- ja i monorystalicznych. Należy pamiętać, że stosowane było przybliżenie małych ątów. Które pomiary są najbardziej precyzyjne? Sformułować wniosi ońcowe i podać uzysaną w esperymencie wartość stałej sieci badanego dwuwymiarowego ryształu oloidalnego(wraz z niepewnością pomiarową).