高中物理 第一章 分子动理论

高中物理 第一章 分子动理论

‎1.2 测量分子的大小 ‎ 原子的观测与操纵 ‎　　纳米(nanometer)是长度单位，就是10‎-9m．纳米科技的研究对象结构尺寸在l nm～100 nm范围内，这远小于常规材料中基本颗粒的直径．要在这个尺度上进行观测，就要用到扫描隧道显微镜．‎ ‎　　扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelzng Microscope，STM)是20世纪80年代初发展起来的一种显微镜，其分辨本领是目前各种显微镜中最高的：横向分辨本领为0.1nm—0.2nm，深度分辨本领为0.01nm .它的高分辨本领可以清晰地展示直径大约为10‎-10m尺度的单个原子(或分子)，使得人类实现了直接看到微小的原子的理想．‎ ‎　　扫描隧道显微镜的工作原理与通常光学显微放大的原理截然不同．它是应用量子力学中的“隧道效应”来观察物质的原子(分子)的．‎ ‎　　我们知道，当两个导体之间有一个绝缘体时，如果在这两个导体之间加一定的电压，一般是不会形成电流的．这是因为导体中的自由电子不能穿过绝缘体运动到另一个导体上，也就是在两个导体之间存在势垒．经典物理学认为，只有电压增大到能把绝缘层击穿，也就是势垒被击穿时，电子才会通过绝缘体．‎ ‎　　量子力学认为，微观粒子在空间的运动是按一定的几率密度分布的．根据量子力学的计算知道，如果势垒厚度非常小，小到只有几个10‎-10m时，电子可能穿过势垒，即从势垒的这边到达势垒的另一边，形成电流．也就是说，在势垒相当窄的情况下，电子可能在势垒上打通一条道路，穿过势垒到达势垒的另一侧，形成电流在势垒相当窄的情况下电子能穿过势垒的现象，在量子力学中叫做隧道效应，这样形成的电流叫做隧道电流．隧道电流的强度对探测针尖与样品表面之间的距离Z非常敏感，这个距离每减小l×10‎‎-10m ‎，隧道电流就增加一个数量级．也就是说，当探测针尖与样品靠得很近时，在探测针尖与被测样品之间的绝缘层中能形成隧道电流而且绝缘层越薄势垒越小，形成隧道电流的机会越多；否则形成隧道电流的机会少．用扫描隧道显微镜探测时得到的隧道电流的大小，可以直接反映样品表面的凸凹情况，所以记录了隧道电流的大小，也就记录了样品表面的情况．‎