物理实验报告.docx

实验预习

列出本次实验的具体内容，以及涉及到的物理定义、概念、规律等理论知识点

Ⅰ.压电陶瓷管的工作原理：压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换与逆转换的功能，这种功能利用了压电效应。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压则产生机械应力（称为逆压电效应），如果压力是一种高频振动，则产生的就是高频电流。而高频信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械振动）。

Ⅱ.螺旋测微计与微小位移的实现：螺旋测微计是利用直线位移转化为角位移的原理制成的，主尺上的固定刻度的最小分度值为0.5mm，螺旋尺即可动刻度有50个分度，当可动刻度旋转一周时，它在主尺上前进或后退一个刻度，所以它测量的长度可达到精度为0.01mm。

Ⅲ.隧道效应：对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。

Ⅳ.步进马达的工作原理：步进马达是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，马达的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率与脉冲数，而不受负载变化的影响，即给马达加一个脉冲信号，马达则转过一个步角。这一线性关系的存在，加上步进马达只有周期性误差而没有累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进马达来控制变得相当简单。

步进马达的特性：（1）步进马达必须加上驱动电路才能转动，驱动电路的输入端必须输入脉冲信号。输入时维持静止状态，反之，若加入适当的脉冲则会以一定的步角转动。加入连续脉冲时转子旋转角度与频率成正比；（2）步进马达步进角一般为1.8°；（3）步进马达有瞬间启动与急速停止的优越特性；（4）改变励磁线圈的顺序可以比较容易的改变马达的旋转方向。

Ⅴ.光栅结构：在镀膜玻璃上均匀刻制许多明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。

列出自己对本次实验的疑问、看法

恒电流与恒高度是通过哪些元件实现的？

预习题解答

实验原始记录

实验报告正文

实验目的

1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ScanningTunnellingMicroscope，简称STM）。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖．

电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达到原子级的分辨率—0．1nm，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件。

学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；

观测和验证量子力学中的隧道效应；

学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌；

学习用计算机软件处理原始图象数据。

实验器材（包括所用仪器及材料用品，标明型号和规格）

AJ-Ⅰa型扫描隧道显微镜；

马达、扫描控制系统；

测试样品：光栅；

离线软件；

计算机。

实验原理、实验内容及实验步骤（画出仪器结构图、实验原理图、电路图或光路图等，阐述实验原理、实验内容和实验步骤）

实验原理：1.隧道电流

扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。

图1隧道效应

隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：

（1）

由式(1)可见，T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。

扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。

隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数Φ有关：