近代物理隧道扫描报告

第一篇：近代物理隧道扫描报告

近代物理实验报告

（四）摘要：本文介绍了扫描隧道显微镜的原理、结构及其关键部件针尖。详细阐述了利用扫描隧道显微镜观察样品的实验步骤。得到了石墨原子排布图像，并对实验结果进行了分析。介绍了其再实验方面的其他应用和仪器存在的局限性和改进方向。

关键词：扫描隧道显微镜 量子隧穿

引言

1924 年德布罗意预言了一切微观粒子都具有波粒二象性;1927 年戴维孙等人的电子衍射实验证实了德布罗意的预言.微观粒子具有波粒二象性的一个重要结果就是隧道效应 ,扫瞄隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope ,STM)就是在此基础上发展起来的.1982 年世界上第一台 STM 问世 ,它不仅能够显示物质表面的原子分布 ,并且可借助它对原子进行移动操作 ,使得人们可在实空间获得原子尺度分辨率的表面信息.STM 的出现极大地延伸了人类视觉感官的功能 ,人类的视野第一次深入到原子尺度 ,它不仅是显微科学技术的一次革命 ,在物理学、化学表面科学、材料科学、生命科学等领域都获得了广泛的应用 ,被公认为 20 世纪 80 年代十大科技成就之一 ,标志着一个科技新纪元即纳米科技时代的开始。本文主要介绍扫描隧道显微镜的基本原理和使用方法。

正文

一、扫描隧道显微镜的原理

根据量子力学原理，粒子可以穿过比它能量更高的势垒。这种现象称为隧道效应,它是由于粒子的波动性而引起的,由量子力学可计算出穿过势垒的透射系数为：

由式中可见 ,T与势垒宽度a,能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系,随着势垒宽度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。

扫描隧道显薇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时（通常小于1mm）,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和平均功函数有关

式中Vb代是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数

扫描隧道显微镜

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（四）A为常数,在真空条件下约等于1,隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝,如钨丝、铂—铱丝等,被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流,由上式可知,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系 ,当距离减小1mm隧道电流即增加约一个数量级,因此,根据隧道电流的变化,我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息,如果同时对X，Y方向进行扫描,就可以直接得到三维的样品表面形貌图。

二、STM的结构

一般 STM的针尖是安放在一个可进行三维运动的陶瓷支架上,Vx、Vy、Vz分别控制针尖在x、y、z方向的运动.在 Vx、Vy上施加电压使针尖沿表面作扫描,测量隧道电流并以此反馈控制施加在针尖竖直方向上的电压Vz使得针尖与表面的间距s不变.当 s变大时,I有变小的趋向,反馈放大器改变电压Vz导致s变小,反过来也一样.电压 Vz的值就反映了表面的轮廓.一般说来隧道显微镜由三个大部分组成:隧道显微镜的主体、控制电路、计算机控制(测量软件及数据处理软件).主体主要包括针尖平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构、系统与外界振动的隔离装置.这是STM的关键技术,STM是十分精密的仪器 ,任何微小的扰动都会引起电流的剧烈变化,因此需要严格的隔离防震措施来保证原子级的分辨能力和稳定的图象.针尖结构也十分关键,理想的针尖其最尖端只有一个稳定的原子 ,通常用钨或铂铱合金为针尖材料,经过场蒸发等特殊工艺制备成探针针尖.三、STM的针尖和偏压

针尖相当于一个传感器 ,针尖的结构和功能决定着 STM 图像的分辨率和纳米操控加工能力,如果针尖足够的尖 ,只有一个稳定的原子 ,隧道电流就很稳定 ,就可以获得原子级分辨率的图像.STM利用隧道效应工作的 ,要求针尖必须是导电的,扫描隧道显微镜

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（四）目前常用的针尖材料有钨(W)和铂铱(Pt2Ir)合金 ,含量为75%的铂和25%的铱.电化学腐蚀法用于钨针尖的制备 ,机械成型法用于铂铱针尖的制备.对于更精确的科学研究也常用电子沉积法和场致蒸发法制备针尖.对针尖的研究是当前STM研究的课题之一.根据前面的讨论 ,针尖和样品的间距小于 1 nm时,电子有一定的概率穿透势垒到达另一极,若不加偏压,针尖上的电子以一定透射率穿透势垒到达样品,同时样品表面上的电子以几乎相同的透射率穿透势垒到达针尖 ,观察不到隧道电流 ,如果在针尖和样品间加上一定的电压 ,可以证明在保持间距不变的条件下 ,隧道电流与偏压成正比 ,偏压的作用就是为了提高针尖上电子的能量,使针尖上的电子比样品上的电子以更大的透射率穿过势垒 ,形成隧道电流.偏置电压控制在多大最为合适,既有利于电子转移,又不会因为电化学反应对针尖有腐蚀,这也是当前 STM 研究的课题之一.四、实验步骤

1、使用前先检查连线是否连接正确（机座与控制箱、电脑与控制箱、电源）。

2、先启动电脑，等电脑进入win—XP界面后在打开控制箱电源开关，然后打开桌面上AJ-Ⅰ扫描隧道显微镜的控制软件，软件打开后首先对显微镜进行校正（显微镜>校正>初始化），选定通道零，然后点击“应用”，最后确定。

3、打开如下图框：高度图象（H）、马达控制（A），再点击一次马达控制（A）的“单步进”。

4、剪针尖：首先将丙酮溶液对针、镊子和剪刀进行清洁，少等片刻让针、镊子和剪刀完全干燥。下面开始剪针尖：将镊子夹紧针一端，另一端则为我们要剪的针尖，慢慢转动剪刀使剪刀和针成一定角度（30度-45度）快速剪下，同时拌有冲力（冲力方向与剪刀和针成的角度一致），然后以强光为背光对针尖进行肉眼观察（建议观察

扫描隧道显微镜

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（四）者视力较好），看是否有比较尖锐的针尖。若无，请重复此项操作，若有操作继续。

5、安装针尖：小心的将针尖插入探头的针槽内（切勿插反），插入时保证针与针槽内壁有较强磨擦力，以确保针的稳固。然后将样品平稳的放到扫描管的扫描平台上。

6、进针：机座上有三个高度调节旋钮，前置两个为手动调节旋钮，后一个为马达驱动控制旋钮，先手动调节前置旋钮，从上往下看，顺时针为进针，逆时针为退针，调节时先在石墨平面上找到镜像小红灯，同时调节视点在镜像小红灯平面上找到实际针尖的镜像针尖，调节实际针尖和镜像针尖的距离。调节至实际针尖与镜像针尖的距离无法欲知再调节下去是否撞针时，采用自动进针。（调节时若看到Z高度显示（T）中的红线是否有撞针现象，红线到达顶部即为撞针，一般情况下针尖报废，如针未报废，重复上两步操作）点击马达高级控制面板（A）中的“连续进”并密切注意观察进针情况，待“已进入隧道区马达停止连续进”的提示框出现后，在点击提示框的“确定”，然后进行单步进操作。用鼠标点击马达高级控制面板（A）中的“单步进”，调节红线于中间位置时停止，进针结束，并关闭“马达高级控制面板（A）”图框。

7、针尖检验：打开“Iz曲线Z”图，观察图象中的电流衰减情况，图象中曲线越陡峭说明针尖越好；反之，针尖不好！

8、扫描：

将扫描控制面板中的“扫描范围”参数设置为最大，在将“显示范围”参数设置为10nm（一般5-20nm），其它参数无须设定保持默认值。由于本实验所用的针尖不够好，所以不需要采取悬挂防震。

在高度图像中颜色的深浅变化代表样品表面凹凸变化(颜色越亮样品表面就越突出,颜色越浅表面就越下凹)。高度曲线的变化已经很直观的反映样品的平整度状况，再结合高度曲线和高度图像进行操作，选定一片较为平整的区域为扫描区域!（最好选择靠近中间的区域）

9．实验结束：先用鼠标点击高级马达控制面板中的“连续退”，退到1000步左右停止。将扫描控制软件关闭，关掉控制箱电源！再关掉电脑，将实验工具整理和清洁。

五、实验结果与结果分析

1、石墨的原子排列结构

在石墨晶体中，同层的碳原子以sp2杂化形成共价键，每一个碳原子以三个共价键与另外三个原子相连。六个碳原子在同一个平面上形成了正六连连形的环，伸展成片层结构，这里C-C键的键长皆为142pm，这正好属于原子晶体的键长范围，因此对于同一层来说，它是原子晶体。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们相互重叠。电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电，这正是金属晶体特征。因此也归类于金属晶体。

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（四）石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定。鉴于它的特殊的成键方式，不能单一的认为是单晶体或者是多晶体，现在普遍认为石墨是一种混合晶体。

2、STM扫描图像

2.1扫描范围为20nm*20nm

扫描放大图像

扫描隧道显微镜

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（四）从这张扫描图像中我们可以大致看出石墨表面的结构，其表面并不平整，而是通过原子的键合实现的，原子与原子之间并不是一个紧挨着一个，当中存在空隙，所以会出现颜色较深的区域。颜色较浅的点为原子的实体，而较深的区域为空隙。但是通过这样一幅图像还不能看出原子之间键合后成怎样的集合图形。所以我们缩小扫描范围，来观察其细致结构。

2.2扫描范围为10nm*10nm

扫描放大图像

扫描隧道显微镜

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（四）从这张图像我们可以看出，原子的排布比较清晰，但是从上面的图形判断碳原子好像是以四边形排布的，可能是由于各项参数没有调整好，或者针尖没有达到单原子那种状态，图像显示没有太清晰，我们继续缩小视野范围。

2.3扫描范围为4nm*4nm

扫描放大图像

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（四）从这幅图像上我们可以比较清晰的看到他的原子排布特点了，如上图所示，虽然不算太清楚，但大致的六边形的轮廓还是出现了。2.4几次尝试

我们再次改变扫描半径、比例增益、积分增益、设置点、偏压等，都没有达到很好的效果。

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（四）六、扫描探针显微技术的应用

SPＭ作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有明显的优势： 首先，SPM得到的是真实的样品表面、原子级别的高分辨率图象。而不同于某些 分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。其次，由于STM在扫描时不接触样品，又没有高能电子束轰击，可以避免样品的变形。而且，它的使用环境宽松，不仅可以在真空中工作，还可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。SPM应用领域十分宽广。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。比如，目前人们已利用STM直接观察到DNA、RNA和蛋白质等生物大分子及生物膜等结构。

具体而言，基于扫描探针显微技术和光学技术的单分子科学方法，使人们初步实现了直接研究和操纵单个原子和分子。如利用SPM确定单分子在衬底表面的吸附取向；直接观测单个小分子的离解反应；对单个分子内的化学键进行选择性加工，并利用分子自身的特性，制备具有特殊性质的电子学器件；直接测量单个共价键强度，研究分子与表面成键特征、电荷转移效应和衬底对分子电子结构的影响；研究生物大分子在溶液中切割，单链折叠和组装过程。同样的，也可以利用AFM技术通过拆分DNA双链来测量DNA的两条链间碱基配对的作用力等等。

此外，SPM技术，尤其是STM和AFM技术已成为分析纳米结构的有力的常用技术手段。利用这些先进技术，进行纳米结构的单分子识别与控制，构筑纳米结构基元，还可以准确快捷测定各种纳米结构与性能。

七、扫描隧道显微镜的局限性和改进

扫描隧道显微镜至问世以来，已迅速成为许多实验室的常规仪器，随着其应用研究的深化和扩展，其弊端和不足也日益显现。主要表现在以下三个方面：（1）扫描探针对观测具有高取向结构的表面，可获得比较明确的解析，而对绝大部分多晶或非晶材料的STS图象解释难度很大；（2）SPM技术只能获得表面结构形貌图象，缺乏化学敏感性，难以与表面微区化学组分、微区电化学相互关联。鉴于此，发展复合型扫描探针技术已成为国际研究热点，如近年来发展的近场扫描光学显微镜（NSOM），可同时直接测量表面微区化学组分和表面微观形貌。同时，国际上还开始探索研制各种联用技术，已获得更新、更深层次的研究信息，使人们对客观世界的认识得一不断的深化。

参考文献

[1]近代物理实验讲义 浙师大数信学院近代物理实验室

扫描隧道显微镜

第二篇：近代物理心得体会

2012—2013第一学期近代物理实验总结

一、内容总结

1、光电效应法测普朗克常量

入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压UAK，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。根据光电效应我们可知照射到金属表面的光频率越高，逸出的电子初动能越大，用实验方法得出不同频率对应的截止电压，求出直线斜率，就算出普朗克常量。

2、G-M计数管特性研究（仿真实验）

我们学习和掌握了G-M计数管的结构，工作原理和使用方法，并对其主要特性进行研究，同时学习了有关使用放射源的安全操作规则。G-M计数管特性主要包括坪曲线，死时间等学会设置G-M计数管的工作电压学会验证放射性计数器的统计规律的方法。

3、液晶电光效应实验

液晶电光效应简单来说就是：在外界电场的作用下，液晶指向矢发生变化（倾起、旋转）从而导致光学上的变化我们学习了扭曲向列相液晶显示器件（TN-LCD）的显示原理。测定液晶样品的电光特性曲线。根据电光曲线，求出样品的阈值电压Uth，饱和电压Usat，对比度Cr陡度B等电光效应的主要参数，测定液晶样品的电光响应效应，求得液晶样品的上升空间Tr和下降时间Tf。、脉冲核磁共振

核磁共振是指受电磁波作用的原子核系统在外磁场磁能级之间发生共振跃迁的现象。核磁共振的物理基础是原子核的自旋。只有磁性核能才能产生核磁共振。通过观测核磁共振对射频脉冲的响应了解能级跃迁及了解弛豫过程，了解弛豫过程在核磁共振中起什么作用。理解了弛豫时间的概念，并测量样品的横向弛豫时间。测量样品的化学位移。

5、新能源实验系统

测量太阳能电池的伏安特性曲线，开路电压，短路电流，最大输出功率，填充因子等特性参数。测量燃料电池的伏安特性曲线，开路电压，短路电流，最大输出功率，及转化效率。、低温等离子体参量双探针诊断试验

掌握朗缪尔双探针诊断电子温度，密度，学习双探针的制作。

了解了双探针研究离子体参量的变化规律。体内物理现象与测量过程之间的联系。了解实现研究判据的复杂性。、CCL4拉曼光谱的测定

掌握测定CCL4拉曼光谱的原理及内实验步骤。拉曼光谱常被用来研究物质的浓度和压力等效应。、弗兰-克赫兹,实验

掌握弗兰克-赫兹实验的原理和方法通过测定氩原子等元素的第一激发电位（及中肯电位）证明原子能级的存在。学会使用弗兰克赫兹实验仪。、用密里根油滴仪测量电子电荷

通过对带点油滴在重力场和静电场中运动的测量。验证电荷的不连续性，测定电子的电荷e学习通过对宏观的测量而间接测量微观量的设计思想和实验方法。

10、黑体辐射

实验发现某些物体的热辐射光谱与物性无关，仅与温度有关，此中物体能够吸收全部入射电磁波而不反射，称为黑体。所有黑体在相同温度下的热辐射都有相同的光谱，这种热辐射特性称为黑体辐射。黑体辐射的光谱分布-----普朗克辐射定律，黑体的积分辐射---斯特凡---玻尔兹曼定律，维恩位移定律，瑞利---金斯定律

11、小型分子的构型优化及化学反应速率常数计算

学会使用Guassian03程序优化分子构型，学会使用从输出文件中找到分子的坐标，能量，频率，光谱等数据。学会使用AnharRRKM Rate程序计算化学反应速率常数。

12、法拉第--塞曼效应

了解法拉第效应，学会利用消光法获得费尔德常数。理解塞曼效应原理和仪器的工作原理； 观察汞灯546.1nm谱线在磁场中分裂的情况； 掌握F-P标准具测量塞曼分裂线（分量）的波数差； π。学习测量电子荷质比的一种方法。

二、心得体会

1，单色光可以用精度高的单色仪获得而不用滤色片（实验过程中滤色片表面不平整可以观察到等倾干涉的彩色条纹）此外应尽量减小反射到阳极的散射光，适当提高光电管的真空度仪二电极之间的距离以减少暗电流的大小，光电效应法测量金属逸出功，阴极电子的逸出功就是截止电压和频率关系图的截距的绝对值。

2，当发现计数管急剧增加时，立即将低电压，否则计数管因持续的电流而损坏，而仅仅关闭计数开关是不可以的，因为这样并没有真正的切断计数管上持续的电流没有达到保护计数管的目的。

3，这个实验里我错求阈值电压了。从Origin8.0做出的液晶样品电光特性曲线图上标出阈值电压，我标的是电压开始增大的那一点，而真正的阈值电压应标在电压下降的那一个点上。饱和电压求对了，是电压基本不变化的那一点。可是因为饱和电压求错了，所以后面的陡度和对比度全错了。不过我已经知道怎么求了。

4，核磁矩的横向弛豫只与核自旋的相位相干有关，因此也称为“自旋-自旋弛豫”相比于纵向弛豫时间，横向弛豫时间与外磁场B的关系不大。对于理想系统所有的核都处于相同磁场中就有相同的进行频率，但在真是磁场中磁场的不均匀性会使得共振频率在理论值附近产生分布，一段时间以后，这种分布会导致核自旋矢量的色彩，对于这种偏离理想的弛豫其信号可以被自旋回波实验来测量。

5，太阳能电池从本质上说一个能量转化期间，它把光能转化为电能，因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的，根据热力学原理我们知道任何的能转化过程都存在效率问题。燃料电池有很多种，各燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同，质子交换膜燃料电池以质子

oo交换膜为电解质，其特点是工作温度低（约70-80)启动速度快特别适用于作动力电池内化

o 学反应温度一般不超过806，双探针法等离子体参数，能有效的减小测量对等离子体的影响通过本次试验可以看到，高的放电效率不一定对应高的电子温度，另外取不同的参数时测得的探针I-V曲线图也不同，因此在实验时应当选取适当的气压功率以及探针位置和距离这样才能得到较为理想的是实验图。在|V|较大时理论曲线斜率为0.而理想实验曲线则有一个正斜率，这是因为在推导理论曲线时我们假设探针周围形成的空间鞘层很小，可以忽略。而探针拦截电子的面积一直不变，当X达到一定值时探针拦截电子的能力达到饱和，电流不再增大。而实际实验中探针周围的鞘层面积随着电压的增加而增加，这样探针拦截电子的能力会随着电压的增加而增强，于是I也会随之增大。

7，分析拉曼光谱的特点及其应用--根据拉曼光谱基本原理可以推测出拉曼光谱基本概貌谱线数且大致位置偏振性质和他们的相对强度，及其对应的振动方式。应用于有关分子的结构和对称性的信息。8，这次实验处理出了四处问题。

1）表格里的物理量忘了写单位---扣分了

2）表格里的物理量要写的准确无误--写错了一个没用的量 3）画图时坐标轴要在原点

4）小数的保留要准确，遵从规则

9，密里根油滴实验总结时我忘了讨论与拓展，只做了误差分析。而且我的实验结果误差较大一般条件下误差有1%左右。而事实是我的实验误差是2.3%这个实验主观误差较大选取油滴，算时间，仪器所引起的误差。

10，PhS接收到的溴钨灯辐射能量曲线与理论线比有起伏，主要是由于空气中水蒸气CO2等光谱结构产生的吸收透射造成的。狭缝宽度的作用是区分辐射光谱线。

11判断优化后的构型为最稳定构型；一般作频率分析看有无虚频存在，能量最低，对称性越大能量越低，即可判断最稳定构型。

12，改变磁感应强度B会观察到相邻两级谱线的重叠，且是不同的重叠情况。这是因为两谱线波长差>自由光谱范围则俩套干涉环就会产生重叠现象或者错级。

三、实验建议

1,2，3没建议

4，那个仪器怎么调也调不出结果。脉冲信号基本上没有反应。我觉得老师们可以自己调一调，看是仪器的问题还是我们的问题，在讨论换台仪器。（脉冲核磁共振仪）5，6，7，8，9，10，11没有建议

12，有一台仪器是坏的，随着电流的增大，电磁的线圈上产生的磁感应强度B没有变化，可以说根本没有按标准加磁。做实验的教室可以考虑无磁的环境。否则实验受到干扰。

四、Origin8.0使用心得

这学期开始很多实验数据开始用Origin8.0软件，用软件作图，分析。而一般物理化学试验数据繁多,手工作图不仅费时费力,而且误差较大。另外同样的数据由不同统计者进行手工处理,其结果可能不同。用origin8.0软件处理数据,其优点包括如下几方面:消除统计者在处理数据时人为引入的各种误差,提高数据处理的精确度,从而为客观评价试验结果提供依据;②避免费时且又繁杂的数据处理过程,从而提高效率。

特点：使用简单，采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作，全面支持鼠标右键、支持拖方式绘图等。

两大类功能：数据分析和绘图。数据分析包括数据的排序、调整、计算、统计、频谱变换、曲线拟合等各种完善的数学分析功能。准备好数据后，进行数据分析时,只需选择所要分析的数据,然后再选择响应的菜单命令就可.Origin的绘图是基于模板的,Origin本身提供了几十种二维和三维绘图模板而且允许用户自己定制模板.绘图时,只要选择所需要的模版就行。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板；

可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接；可以用C等高级语言编写数据分析程序，还可以用内置的Lab Talk语言编程等。

还有很多功能有待我们去开发。

第三篇：近代物理概论

1、什么是量子物理学？

量子物理学包含两个层次：一个是原子层次的物质理论：量子力学，正是它我们才能理解和操纵物质世界；另一个是量子场论，它在科学中起到一个完全不同的作用。

2、什么是量子力学？

量子力学（Quantum Mechanics）是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。

3、经典物理在原子光谱面前是怎样失效的？

为了解释氢原子的线光谱，必须研究氢原子的结构，如果从卢瑟福的原子核式模型出发，那么根据经典电动力学，电子的旋转将引起电磁辐射。因此，电子的轨道半径会越来越小，最后掉入核里，正负电荷中和，原子发生坍缩，可以证明在这一过程中，电子的旋转频率不断增加，辐射的波长也相应地连续改变，那么原子光谱应是连续谱。可是实验现象却不是这样，经典物理在原子光谱面前失效了。

4、为了解释氢原子光谱的实验事实，玻尔提出了哪三条基本假设？

1）.定态假设：电子绕核作圆周运动时，只在某些特定的轨道上运动，在这些轨道上运动时，虽然有加速度,但不向外辐射能量，每一个轨道对应一个定态，而每一个定态都与一定的能量相对应；

2）.频率条件：电子并不永远处于一个轨道上，当它吸收或放出能量时，会在不同轨道间发生跃迁，跃迁前后的能量差满足频率法则；

3）.角动量量子化假设：电子处于上述定态时,角动量L=mvr是量子化的.什么是光电效应？

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应。

5、光电效应具有哪些实验规律？

1）． 每一种金属在产生光电效应时都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。

2）． 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。

3）．光电效应的瞬时性。实验发现，即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。

4）.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间单位面积内逸出的光电子数目。在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。

6、什么是波函数的统计解释？

波函数模的平方代表某时刻t在空间某点(x,y,z)附近单位体积内发现粒子的概率，即|Ø| 2 代表概率密度。

7、什么是德布罗意波统计解释？

1.从粒子的观点看，衍射图样的出现，是由于电子不均匀地射向照相底片各处形成的，有些地方电子密集，有些地方电子稀疏，表示电子射到各处的概率是不同的，电子密集的地方概率大，电子稀疏的地方概率小。

2.从波动的观点来看，电子密集的地方表示波的强度大，电子稀疏的地方表示波的强度小，所以，某处附近电子出现的概率就反映了在该处德布罗意波的强

度。对电子是如此，对其它粒子也是如此。

3.普遍地说，在某处德布罗意波的振幅平方是与粒子在该处出现的概率成正比的。

8、什么是经典波？什么是德布罗意波？二者有何不同？

经典波包括机械波和电磁波，是宏观上主要显示波性的波。

机械波——机械振动在空间的传播

电磁波——由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。

德布罗意波——是对微观粒子运动的统计描述，它的振幅的平方表示粒子出现的概率，是概率波，这种微观粒子的运动主要显示粒性。

9、什么是自由粒子？

自由粒子是一种特殊的力学体系，它的动量、能量不随时间和空间位置改变。

10、什么是主量子数？

主量子数n是和能量有关的量子数。原子具有分立能级，能量只能取一系列值，每一个波函数都对应相应的能量。氢原子以及类氢原子的分立值为：En=-1/n*2×2.18×10*(-18)J，n 越大能量越高电子层离核越远。主量子数决定了电子出现的最大几率的区域离核远近，决定了电子的能量。N=1，2，3，……；常用K、L、M、N……表示。

11、什么是角量子数？

角量子数l是和能量有关的量子数。电子在原子中具有确定的角动量L，它的取值不是任意的，只能取一系列分立值，称为角动量量子化。L=√l(l+1)·(h/2π)，l=0，1，2，……（n-1）。l 越大，角动量越大，能量越高，电子云的形状也不同。l=0，1，2，……常用s，p，d，f，g 表示，简单的说就是前面说的电子亚层。角量子数决定了轨道形状，所以也称未轨道形状量子数。s 为球型，p 为哑铃型，d 为花瓣，f 轨道更为复杂。

12、什么是磁量子数？

磁量子数m是和电子能量无关的量子数。原子中电子绕核运动的轨道角动量，在外磁场方向上的分量是量子化的，并由量子数m 决定，m 称为磁量子数。对于任意选定的外磁场方向Z，角动量L 在此方向上的分量LZ 只能取一系列分立值，这种现象称为空间量子化。LZ=m·h/2π，m=0，±1，±2……±l。磁量子数决定了原子轨道空间伸展方向，即原子轨道在空间的取向，s 轨道只有一个方向（球），p 轨道有3 个方向，d 轨道5 个，f 轨道7 个……。l 相同，m 不同即形状相同空间取向不同的原子轨道能量是相同的。不同原子轨道具有相同能量的现象称为能量简并。

13、什么是自旋磁量子数？

粒子的自旋也产生角动量，其大小取决于自旋磁量子数（ms)。电子自旋角动量是量子化的其值为Ls=√s(s+1)·(h/2π)，s= 1/2，s 为自旋量子数，自旋角动量的一个分量Lsz 应取下列分立值：Lsz= ms(h/2π), ms=±1/2。

14、什么是玻恩对波函数的统计诠释？

波恩于1926年提出：波函数模的平方代表某时刻t在空间某点(x,y,z)附近单位体积内发现粒子的概率，即|Ø| 2 代表概率密度。如果|Ø| 2大，则电子出现几率大，因而电子出现的目也多，此处为衍射极大值处；反之，如果|Ø| 2小，则电子出现几率小，电子出现的数目也少，此处为衍射极小值处。

15、什么是拉莫尔进动？

磁矩在外磁场B中将受到力矩的作用，力矩将使磁矩u绕外磁场B的方向旋进，这种旋进成为拉莫尔进动。指电子、原子的磁矩、原子核在外部磁场作用下的进动。

16、为什么氦原子的能级和光谱分为两套？

因为氦有两个电子，其总自旋角动量S可以取0或1，其多重态的重数2S+1=1或3，因此其光谱就有单重态和三重态，能级和光谱分成了两套。

17、对于多电子原子，什么是L-S耦合？什么是J-J耦合？

根据原子的矢量模型，S1，S2合成 S，L1，L2合成L；最后L与S合成J，所以称其为L-S耦合。根据原子的矢量模型，S1，L1合成J1；S2，L2合成J2；最后J1与J2合成J，所以称其为J-J耦合。

18、为什么He原子的(1s1s)3S1态是不存在的？

因为He原子的(1s1s)3S1态的四个量子数n1=n2=1；l1=l2=0；ml1=ml2=0；ms1=ms2=±1/2,即S1 和S2 是同向的，否则不能得到S=1，可是它已经违反了Pauli不相容原理。所以这个状态是不存在的。

19、各壳层和各支壳层中所能容纳的最大电子数是多少？

壳层：Nmax=2n*n支壳层：（Nl）max=2（2l+1）

20、简述史特恩—盖拉赫实验，这个实验说明了什么？

简述：装置中的基态原子被加热成蒸汽，以水平速度v通过狭缝S1S2.然后通过一个不均匀的磁场，磁场方向沿着Z轴变化。到达P点处。

说明：史特恩-盖拉赫实验中出现偶数分裂的事实启示人们，电子的轨道运动似乎不是全部的运动。换句话说，轨道磁矩应该只是原子总磁矩的一部分。

21、什么是正常塞曼效应？什么是反常塞曼效应？

把原子放入磁场中，其光谱线发生分裂，原来的一条谱线分裂成几条的现象，被称为塞曼效应。一般情况下，谱线分裂成很多成分，称为反常塞曼效应。特殊情况下，谱线分裂成三种成分，称为正常塞曼效应。

22、什么是能级的第一次、第二次和第三次分裂？

由于附加能量以及L和S相互作用导致能级的第一次分裂；自旋磁矩u在原子内磁场中的附加能量引起能级第二次分裂；原子放入外磁场时，B与u的作用使原子又获得附加能量，从而导致能级的第三次分裂

23、什么是拉波特定则？

将核外所有电子的角量子数相加，偶数对应偶性态，奇数对应奇性态，因此，Laporte定则表述为：电子的跃迁只能发生在不同宇称的状态间，即电子的跃迁只能是偶性到奇性或奇性到偶性。

24、什么是洪特定则？

1）由同一电子组态得到的各种能级中，多重数大的，亦即S值最大的，能级位置低； 2）由同一组态形成的同一S内，具有不同L值的能级中,L大的能级位置低；

3）同一组态得到的同L不同J的能级中，J小的能级低称正常次序； J大的能级低 ,称为倒转次序；通常情况下，支壳层电子数少于半满时取正常次序，等于或 大于半满时取倒转次序。

25、求26号元素Fe（铁）的基态电子组态和基态原子谱项。

26、什么是X射线？X射线的性质有哪些？

X射线：是非常短的电磁波。具有波粒二象性。电磁波的能量以光子的形式传递。

X射线的性质 ：1）X射线能使照相底片感光；2）X射线有很大的贯穿本领；3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。

27、X射线标识谱线状谱的特征有哪些？

1.激发管电压特征：每一条谱线对应一定的激发电压，只有当管电压超过激发电压时才能产生相应的特征谱线，且靶材原子序数越大其激发电压就越高；

2.强度特征：每个特征射线都对应一个特定的波长。管电流和管电压的增加只能增强特征X射线的强度，不能改变波长。

28、X射线连续谱的特征有哪些？

连续谱在短波方向上有一个波长极限，称为短波限。它只与管电压有关。X射线的强度是由光子能量和数目决定的。强度与管电流、管电压、阳极靶的原子序数相关。

29、简述连续X射线谱产生的微观机制

能量为ev的电子与阳极靶的原子碰撞时。电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子即X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐失去自身的能力，即产生多次碰撞。由于多次辐射中光子的能量不同，因此出现连续X射线谱。

30、什么是康普顿效应？

在X射线与物质散射的实验中，被散射的X射线中，除了与入射X射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分X射线的波长因散射角的不同而异。这被称为康普顿效应。

31、康普顿散射与光电效应有何不同？

光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿散射中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；康普顿散射则总是发生在束缚得最松的外层电子上。

32、原子核的结合能包括哪些？

体积能Bv：描述核力对结合能的贡献；表面能Bs：对表面核子的体积能给出修正；库仑能；质子间库仑斥力使结合能减小；非对称能：Z≠N时，使得结合能减小；奇偶能：Z，N取奇、偶数进行不同搭配时，结合能各不相同。

33、核力的基本性质有哪些？

1.短程性的强相互作用；2.饱和性的交换力；3.电荷无关性；4．斥力心（排斥心）的存在；5．自旋相关性

34、什么衰变常数？它的物理意义是什么？

衰变常数：衰变统计规律式中引入的常数称为衰变常数。

衰变的物理意义：单位时间内的原子核的衰变几率，它标志着衰变的快慢。

35、什么是原子核的质量亏损？什么是原子核的结合能？

原子核由中子和质子组成，但实验表明，核的质量并不等于相应的质子+中子+电子质量之和，核子结合构成原子后总质量减少了，通常我们称之为质量亏损。

根据爱因斯坦的质能公式E=mc*2，原子核形成过程中，质量减少了，减少的质量必然以能量的形式放了出来，这种能量称为结合能。

36、什么是介子？什么是中微子？

π介子：是原子核或者强子物质的基本组元，在各种介子中，π介子最轻且最重要。

中微子：是轻子的一种，是组成自然界最基本的粒子之一，不带电，自旋为1/2，质量非常轻，速度接近光速。

37、什么是放射性活度？

为了表示某放射源的放射性强弱，人们引入放射性活度A，定义为：放射物在单位时间内发生衰变的原子核数目。放射物的放射性活度也是按指数规律衰减的。

38、什么是核反应的阈能？

能够引起核反应时，入射粒子所必须具有的最低能量，称为核反应的阈能。

39、什么是原子核的α衰变、β衰变和γ衰变？

α衰变是原子核自发放射α粒子的核衰变过程。原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。放出电子的衰变过程称为β-衰变。在 β衰变中，原子核的质量数不变，只是电荷数改变了一个单位。原子核从不稳定的高能状态跃迁到稳定或较稳定的低能状态，并且不改变其组成成分的过程称为γ衰变。

第四篇：近代物理实验总结

近代物理实验总结

通过这个学期的大学物理实验，我体会颇深。首先，我通过做实验了解了许多实验的基本原理和实验方法，学会了基本物理量的测量和不确定度的分析方法、基本实验仪器的使用等；其次，我已经学会了独立作实验的能力，大大提高了我的动手能力和思维能力以及基本操作与基本技能的训练，并且我也深深感受到做实验要具备科学的态度、认真态度和创造性的思维。下面就我所做的实验我作了一些总结。

一.核磁共振实验

核磁共振实验中为什么要求磁场大 均匀度高的磁场?扫场线圈能否只放一个?对两个线圈的放置有什么要求？测量共振频率时交变磁场的幅度越小越好?

1，核磁共振实验中为什么要求磁场大 均匀度高的磁场? 要求磁场大是为了获得较大的核磁能级分裂。这样，根据波尔茨曼，低能和高能的占据数（population)的“差值增大，信号增强。均匀度高是为了提高resolution.2.扫场线圈能否只放一个?对两个线圈的放置有什么要求? 扫场线圈可以只放一个。若放两个，这两个线圈的放置要相互垂直，且均垂直于外加磁场。

3.测量共振频率时交变磁场的幅度越小越好? 不对。但是太大也不好（会有信号溢出）应该有合适的FID信号

二.密立根有实验

对油滴进行测量时，油滴有时会变模糊，为什么？如何避免测量过程丢失油滴？ 若油滴平很调节不好，对实验结果有何影响？为什么每测量一次tg都要对油滴进行一次平衡调节？ 为什么必须使油滴做匀速运动或静止？试验中如何保证油滴在测量范围内做匀速运动？

1、油滴模糊原因有：目镜清洁不够导致局部模糊或者是油滴的平衡没有调节好导致速度过快

为防止测量过程中丢失油滴，油滴的速度不要太大，尽可能比较小一些，这样虽然比较费时间，但不会出现油滴模糊或者丢失现象

2、根据实验原理可知，如果油滴平衡没有调节好，则数据必然是错误的，结果也是错误的。因为油滴的带电量计算公式要 的是平衡时的数据

因为油滴很微小，所以不同的油滴其大小和质量都有一些差异，导致其粘滞力和重力都会变化，因此需要重新调节平衡才可以确保实验是在平衡条件下进行的。

3、密立根油滴实验的原理就是要 在平衡态下测量的，所以油滴必须做匀速运动或静止！

小心翼翼的调节平衡，并根据刻度目测油滴的位置变化快慢或者是否变化，从而估算油滴是否在做匀速运动或者确定油滴是否静止！不知道 1由于在实验过程中使用高压，温度上升，油滴会渐渐挥发。可以通过调节显微镜的距离来进行观察。

三.夫兰克__赫兹实验

第一峰值所对应的电压是否等于第一激发电为？原因是什么？所测得的极小值为什么随电压的增大而增大？

1，如果由于热运动受激，电子在最低激发态上的占据数等于，或大于基态的电子数，那么

第一峰值所对应的电压就不等于第一激发位。（在这个实验中，除了电子和气态原子的非弹性碰撞外，还有弹性碰撞和气体原子间由于热运动的相互碰撞而引起的能量交换。）

2，随着电压的增大，根据电子与原子碰撞过程的方程，那么射出的电子的动能也会逐渐增大，(当电子穿过栅极后受到减速电场的作用，电子动能只有大于eV才能达到阳极形成阳极电流),此时这部分电子数量明显增多，导致电流的极小值增加。

四.光电效应及普朗克常数的测定

定性解释实际U-I曲线与理想U-I曲线偏离的原因。

如何选择测量点，才能使U-I曲线画的准确？

选择滤色片的波长数较集中或分散，对实验结果有何影响？

1，定性解释实际U-I曲线与理想U-I曲线偏离的原因。

因为有暗电流和反向电流的存在。

2，选择测量点，才能使U-I曲线画的准确？

在电流变化激烈的地方应该多取点，电流变化舒缓的地方可大致取几个代表点。

3，选择滤色片的波长数较集中或分散，对实验结果有何影响？

原则上不宜过于集中或分散，最好是五个波长的滤色片都用上（除非你的实验室有任意可调波长的滤色片？）

下面我就谈一下我在做实验时的一些技巧与方法。

第一，做实验要用科学认真的态度去对待实验，认真提前预习，做好实验预习报告。第二，上课时认真听老师做预习指导和讲解，把老师特别提醒会出错的地方写下来，做实验时切勿出错。

第三，做实验时按步骤进行，切不可一步到位，太心急。并且一些小节之处要特别小心，若不会，可以跟其他同学一起探讨一下，把问题解决。

第四，实验后数据处理一定要独立完成，莫抄其他同学的，否则，做实验就没有什么意义了，也就不会有什么收获。实验仪器用的非常不熟悉，这一切都给我做实验带来了极大的不方便，当我回去做实验报告的时候又发现实验的误差偏大，可庆幸的是计算还顺利。

总而言之，第一个实验我做的是不成功，但是我从中总结了实验的不足之处，吸取了很大的教训。因此我从做第二个实验起，就在实验前做了大量的实验准备，比如说，上网做提前预习、认真写好预习报告弄懂实验原理等。因此我从做第二个实验起就在各个方面有了很大的进步，实验仪器的使用也熟悉多了，实验仪器的读数也更加精确了，仪器的调节也更加的符合实验的要求。就拿夫-赫实验/双光栅微振实验来说，我能够熟练调节ZKY-FH-2智能夫兰克—赫兹实验仪达到实验的目的和测得所需的实验数据，并且在实验后顺利地处理了数据和精确地画出了实验所要求的实验曲线。在实验后也做了很好的总结和个人体会，与此同时我也学会了列表法、图解法、函数表示法等实验数据处理方法，大大提高了我的实验能力和独立设计实验以及创造性地改进实验的能力等等。

第五篇：近代物理实验总结

近代物理实验总结

这学期我做了七个近代物理实验，分别是能谱和相对论动能动量关系的验证、声光效应与光拍法测光速、光泵磁共振、氦氖激光器的模分裂和模竞争、法拉第效应、液晶物性和塞曼效应。

这门课选取的都是在物理学发展史上的著名实验和在实验方法和技术上有代表性的实验。对于我做的实验我有以下体会：

一、实验内容涵盖广泛，涉及电磁学、光学及原子物理等很多领域。

二、实验原理比较复杂。很多实验涉及量子力学、原子物理中我不懂的知识。

三、实验仪器设备比较先进。除了示波器近代物理实验中还用到许多精密的、科研中常用到的仪器，如在氦氖激光器的模分裂和模竞争用到的扫描干涉仪、塞满效应里用到的摄谱仪等。

经过这学期的实验课，我个人得到了不少的收获，一方面加深了我对一些实验理论的认识，另一方面也提高了实验操作能力。下面我总结一下我的体会和在实验中遇到的问题。

一、教材和讲义中的实验原理都往往叙述很详细，但我们在写预习报告时却不应把书上的内容都抄写一遍，而是应该在理解了教材上的实验原理和公式推导的基础上，总结和概括书上的内容，这样的预习报告才会对实验操作有指导作用。但很多时候我们并没有完全理解教材上的内容，所以对实验具体做什么和这样做的目的并没有很好的掌握，只是参照实验室里的操作说明一步步的进行，对整个实验过程没有融会贯通。具体操作的步骤上出问题不能自己解决，经常去问老师。这个是我在实验中遇到的最大的问题。比如在实验中我知道要提高某一物理量的值就能得到实验结果，但反应到仪器上，我可能就不知道这个值要如何去改变，或者我不知道某个实验参数为什么那么选择。这给我的启示是应该在预习时多多思考实验原理是如何反应在实验具体操作步骤上的，这样在老师讲解过程中也能更有的放矢。

二、我这学期的实验里有4个实验要用到示波器，示波器尽管在普物实验课上多次使用了，但我觉得我并没有真正熟悉和理解示波器，这造成了经常要不停地调示波器，费时费力。还有调光路从普物实验时就是我的天敌，等高共轴、按着光传播的顺序依次调整各个仪器的道理我也明白，可是操作时总是控制不了光路，法拉第效应、声光效应与光拍法测光速和塞曼效应这三个实验都要用到调光路，尤其是声光测速里光路图很复杂，用到了许多小镜子，我调了许久才得到基本满足要求的光路，光路有偏差就造成了实验数据的误差。所以近代物理实验不仅要求对原理的理解和操作技巧，更需要耐心和仔细才能更好地完成实验。

三、做完实验后处理实验报告也很重要，正确的实验操作是得到合适的实验数据的基础，在系统误差一定的情况下，实验数据处理得恰当与否，会直接影响偶然误差的大小。所

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以对实验数据的处理是实验的重要内容之一。由于不理解实验仪器的精度，造成处理数据时弄错了数据的有效位数，比如我做的第一个实验能谱和相对论动能动量关系的验证，需要寻峰并记录道数，我采用的是软件的自动寻峰功能并记录了电脑上显示的道数，但是仪器显示了峰的倒数是有一位小数的，而实验中道数的有效位数只能是整数，所以明确实验条件是得到正确的实验数据的基础。

最后，这学期做近代实验收获挺大的，动手能力也得到了提高，理解了一些经典的物理实验，加深了我对物理的兴趣。

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