Thematische Woche 4. Klassen Strahlung - Kantonsschule Trogen
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<strong>Thematische</strong> <strong>Woche</strong> - Chemie - <strong>4.</strong> <strong>Klassen</strong><br />
<strong>Strahlung</strong> – Pflanzenfarbstoffe – Nanotechnologie<br />
Reise in die Nanowelt – Zoom auf das Atom<br />
Wir können mit Licht keine Objekte erkennen, die kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Lichtes sind.<br />
Nano-Instrumente<br />
§<br />
§<br />
Rastersondenmikroskope (SPM) – Nanostrukturen ertasten<br />
Ø Rastertunnelmikroskop (STM)<br />
Ø Rasterkraftmikroskop (AFM)<br />
Elektronenmikroskop (EM)<br />
Das Rastertunnelmikroskop<br />
Für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (engl.: scanning tunneling microscope, STM), wurden die<br />
Forscher Gerd Binnig und Heinrich Rohrer im Jahr 1986 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Im STM<br />
wird eine spitze Metallnadel bis auf eine Entfernung von einem Nanometer an die Probenoberfläche herangeführt,<br />
ohne sie zu berühren. Legt man eine elektrische Spannung an, fliessen Elektronen zwischen der Nadelspitze<br />
und der Probenoberfläche („Tunnelstrom“). Dieser Effekt ist nur mit der Quantenphysik erklärbar, denn<br />
in dem Zwischenraum ist nichts, das die geladenen Teilchen leiten könnte.<br />
Die Spitze fährt anschliessend in versetzten Linien<br />
über die Oberfläche hinweg. Bei konstantem Strom<br />
hält die bewegliche Nadel in ihrer Auf- und Ab-Bewegung<br />
immer den gleichen Abstand zur Probe.<br />
Kommt sie beispielsweise einem Atom nahe, steigt<br />
der Tunnelstrom an und sie wird mechanisch so<br />
lange gehoben, bis die eingestellte Stromstärke<br />
wieder erreicht ist. Sinkt der Strom, wird sie abwärts<br />
bewegt. Ein Computer zeichnet die Hebe- und<br />
Senkbewegungen der Nadel auf und wandelt sie in<br />
ein Abbild aller Atome der Oberfläche um.<br />
Abb.: Nanostrukturen werden durch Rastertunnelmikroskope<br />
sichtbar<br />
Das Rasterkraftmikroskop<br />
Bei der Rasterkraftmikroskopie (engl.: atomic force microscopy, AFM) ist das Bauprinzip anders und lässt sich<br />
eher mit einem Plattenspieler vergleichen. Die Sondenspitze ist auf einer Biegefeder aus Silizium oder Siliziumnitrid<br />
(Cantilever) angebracht und fährt dicht über die Probenoberfläche hinweg. Kommt sie einem Oberflächenatom<br />
nahe, wird die Spitze durch Abstossungskräfte zwischen Sonden- und Oberflächenatom hochgedrückt,<br />
was wiederum den Cantilever-Arm auslenkt. Diese Bewegung wird mit einem Laserstrahl registriert,<br />
der auf die Oberseite des Cantilevers gerichtet ist: Wenn sich der Cantilever verbiegt, ändert sich der Reflexionswinkel<br />
des Laserstrahls. Ein Lichtsensor misst dieses Signal und überträgt es an den Computer.<br />
Das Elektronenmikroskop<br />
Im EM können die elektrisch geladenen Teilchen von einem glühenden Wolframdraht erzeugt werden. Ein<br />
elektrisches Feld im Inneren einer aufrecht stehenden Röhre beschleunigt die Teilchen. Durch magnetische<br />
Spulen, die als Linsen fungieren, entsteht ein gebündelter Elektronenstrahl. Dabei muss im Elektronenmikroskop<br />
ein Vakuum herrschen, da der Strahl sonst durch Gasteilchen gestreut würde. Der Strahl trifft auf die<br />
Probe am unteren Ende des Mikroskops und wird auf verschiedene Arten sichtbar gemacht.<br />
Das Raster-Elektronenmikroskop (wichtig im Bereich Nanotechnologie)<br />
Beim Raster-Elektronenmikroskop (REM) wird der Elektronenstrahl zu einem möglichst kleinen Fleck gebündelt<br />
und zeilenweise über den gewünschten Ausschnitt der Probe geführt. Treffen die reflektierten oder aus<br />
der Probe herausgeschlagenen Elektronen (Sekundärelektronen) auf einen Detektor, werden sie durch einen<br />
Verstärker in optische Signale auf einem Bildschirm umgewandelt. REM-Bilder sehen sehr plastisch aus und<br />
sind daher in der wissenschaftlichen Fotografie beliebt.<br />
Warum wird man Atome nie mit einem optischen Mikroskop sehen können?<br />
<strong>Kantonsschule</strong> <strong>Trogen</strong> 12