Das Rastertunnelmikroskop im ... -...

Das Rastertunnelmikroskop im Physikunterricht

Neue Möglichkeiten des Zugangs zum atomaren Aufbau der Materie

Bodo Eckert

IFB-Fortbildung: „Atome sehen“ 02.-04.06.2004

Fachbereich Physik, TU KaiserslauternCD-ROM Version 2.0 – Juni 2004

2

Wenn wir qm Objekte wären...

...dann wäre Sport ganz anders

klassisch ~ Höhe qm ~ Dicke

3

Inhalt

• Bezug zum Lehrplan• Schulbücher• Materialien

– Unterrichtskonzepte– Experimente– Internet

• STM-Projekte• Simulationen / Visualisierungen

4

Inhalt




5

Bezug zum Lehrplan IPflichtbereich• Wellenoptik I

– Doppelspaltexperiment• Mikroobjekte I

– qm Verhalten von e und ν– Doppelspaltexperiment– Wahrscheinlichkeitswelle– Unschärferelation

• Mikroobjekte III– Fotoeffekt,Comptoneffekt

• Atomphysik I– Atommodell, Termschema

• Kernphysik I– Zerfall, Fusion

6

Bezug zum Lehrplan IIWahlpflichtbereich• Teilchen in Feldern

– e/m-, e-Bestimmung– Teilchenbeschleuniger,

Massenspektrometer• Mikroobjekte II

– Braggreflexion, Elektronenbeugung

• Atomphysik II– Potentialtopf

• Kernphysik II– Tunneleffekt

• Festkörperphysik– Bändermodell, Eigenschaften

• Astrophysik

7

• Quantenmechanisches Verhalten von Teilchen• Atommodelle - atomare Struktur der Materie• Teilchen im Potentialtopf, an Potentialschwelle

• Anwendungen: Strukturuntersuchungen (Debye-Scherrer, Bragg-Str.)FEM, FIMSTM, AFM, ...

• Kernphysik: Tunneleffekt und α-Zerfall• Astrophysik: Fusionsprozess in der Sonne

Fazit zum Lehrplan

8

Inhalt




9

Tunneleffekt im Schulbuch• In allen Lehrwerken: α-Zerfall (Kernphysik)

• Analog-Versuch mit Mikrowellen– Dorn-Bader: Gesamtband 12/13 – Kuhn: Physik IIIE Quantenphysik Tunneleffekt = Wellenphänomen

• Kuhn: Physik Band 2 12/13– Rastertunnelmikroskop (Elektronen in Kraftfeldern – Kap. Quanten und

Atome)– Quantenfluktuationen (Kap. Kosmologie)

• Metzler: Physik– Zener-Diode (Kap. Festkörperphysik)

• Handbuch der Exp. Physik, SII, Band 8: Atome & Quanten

10

Inhalt




11

Materialien

• Unterrichtskonzepte

• Experimente (Auswahl)

• Internet

– STM-Projekte

– Simulationen / Animationen

– Visualisierungen

12

Unterrichtskonzepte I• Handreichung SII

J. Leisen / Koblenz– direkte Bezüge zum

Lehrplan– Didaktischer Hintergrund– Unterrichtsvorschlag

• qm Verhalten von Elektronen und Photonen

• Photon-Elektron-WW

• Handreichung (pdf)

13

• Leitprogramme der ETH Zürich

„Kann man Atome sehen?“(gezippt: .doc, .pdf)

„Atome unter der Lupe“(gezippt: .pdf)

– sehr umfangreich– viele Anregungen– Quantenmechanik– Rastertunnelmikroskop

– Didaktische Überlegungen: H. P. Dreyer in PlusLucis 1/97 (.pdf)

• STM easyScanAnleitungen (pdf): STM – Ergänzung 1, 2Demosoftware - www.nanosurf.ch (extern)

Unterrichtskonzepte II

14

Unterrichtskonzepte III• Das Münchener Unterrichtskonzept zur

Quantenmechanik– Wiesner und Mitarbeiter / LMU München– Qualitativer Basiskurs - Quantitativer Aufbaukurs– Schwerpunkte

• Apekte der Quantenphysik → neu gegenüber klassischer Physik

• Begrifflichkeit der Quantenphysik– Simulationsprogramm Doppelspalt (Installation)

– milq - Münchener Internetprojekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik

• zur Homepage (extern) - Konzept (.pdf), Kurs (.pdf gezippt)

15

• Berliner KonzeptFischler und Mitarbeiter / FU Berlin– Betonung der Unterschiede zwischen

Klassischer Physik und Quantenphysik– z. B. Vermeidung des Bohrschen Modells– z. B. Statistische Deutung anstatt Dualismus

(„Elektronen und Photonen: weder Welle noch Teilchen“)

– Werkstattheft 13 / Päd. Landesinstitut Brandenburg

– Konzept (.pdf) - Homepage AG Fischler (extern)

Unterrichtskonzepte IV

16

• Bremer KonzeptNiedderer und Mitarbeiter / Uni Bremen– Wellenfunktion und Schrödinger-Gleichung– Licht und Elektron als Quanten

Klassische stehende WellenH-Atom: Modelle, Wellen, Potential, SpektrenHöhere Atome

– Modellbildung STELLA– Elektronium (→ Herrmann / Uni Karlsruhe)

Veröffentlichungen in Physics Education (.pdf): 1, 2

– Unterrichtskonzept (157 Seiten!! .pdf) Teil 1, Teil 2, Anhang– Basistext für Schüler (117 Seiten!! .pdf)

Unterrichtskonzepte V

17

• Berliner KonzeptWerner, Schön / HU Berlin– Feynman‘s Zeigerformalismus– Lichtwegkonzept für die Optik Sek I

(Schön und Erb)– Fortführung zur Quantenphysik:

Atommodell und gebundene Elektronen

– Curriculum– Test in ener Oberstufenklasse– Handreichung für den Unterricht

– Buchbeschreibung

Unterrichtskonzepte VI

18

• Visual Quantum Mechanics (extern)

Zollman / Kansas State University USA– Kurs mit Simulationen

• qubit - Quanteninformation in der SchuleUniversität Oldenburg– Unterrichtseinheit für Kl. 13– Experimente an Universität

(z. B. Abklingzeit der Fluoreszenz)– Interneteinsatz

• Weiteres: Kurse etc. siehe Linkliste

Unterrichtskonzepte VII

19

• Berger / Uni Kassel(jetzt LMU München)

– AFM-Funktionsmodell– UE zum REM

Unterrichtskonzepte VIII

20

• W. Schäfer / Martinus-Gymnasium LinzKessler / FH Remagen– Tagesprojekt Mai 2003, LK Physik 12– REM und STM– Inhalte

• Wiederholung der Grundlagen• Praktisches Arbeiten (Probenpräparation, Messungen)

– geplant: fachübergreifende Projektwoche zum Thema „Mikroskopie“

• Mehrere KollegInnen / KL – RLPAeschlimann, Mering / TU KL– Besuch an Uni, Ausleihe von STM

• Erfahrungsaustausch / Kontakt über PENPEN

Unterrichtskonzepte IX

21

• Einiges zur Quantenmechanik– Abkehr von klassisch-mechanistischen Modellen– verschiedene Ansätze und zentrale Elemente

• Weniges zu neueren mikroskopischen Methoden– ETH-Leitprogramm: „Atome unter der Lupe“– Berger / Uni Kassel: AFM-Funktionsmodell– verschiedene Unterrichtsprojekte (u. a.TU KL)– SXM-Projekt / Uni Münster (s. w. u.)

Fazit Unterrichtskonzepte

22

Materialien



• Internet

– STM-Projekte



23

Experiment I:Elektronenstreuung an Graphit

• Welle-Teilchen-Dualismus• Strukturuntersuchungen

Anleitungen: Leybold (pdf) / PHYWE (pdf)RemoteLab TU KL (extern)

24

• Ergebnis– Beugungsringe– Interferenz bei Elektronen– zwei Netzebenen

• Optische Analogversuche

Experiment I:Elektronenstreuung an Graphit

25

Experiment II: Feldemissionsmikroskop

• Aufbau / Prinzip– Wolfram-Einkristall

als Kathode– unterschiedliche

Elektronenemission→ Abbild der Spitze

auf Leuchtschirm– Feldstärke ~ 109 V/m– 500000fache

Vergrößerung– Auflösung ~ nm

(Barium-Atome)

• Anleitung Leybold (pdf)

26

Experiment II: Feldemissionsmikroskop

• Ergebnis– kubisch-raum-

zentriertes Gitter

– Spitze in [110]orientiert

– Ebene [110] Austrittsarbeit größere-Austritt geringer

27

• Analogversuch zum qm Tunneleffekt– Totalreflexion und Tunneln von Mikrowellen

Experiment III:Frustrierte Totalreflexion

28

• Tunneln einer elektromagnetischen Welle


29© Gordon VanDalen


• Simulation des Tunneleffekts mit Mathematica

30

• Interaktives Bildschirmexperiment: µ-Wellen


© J. Kirstein TU Berlin / aus der CD-ROM „Elektronen“ der MHSG (extern)

31

• Elektronenbeugung– Elektron als Welle– Optische Analogie

• Feldelektronenmikroskop– mikroskopische Methode

• Analogversuch zum Tunneleffekt– Tunneln ist ein Wellenphänomen– Simulationen (s. w. u.)

• STM-Ausleihgeräte

Fazit Experimente

32

Materialien



• Internet

– STM-Projekte



33

Internet: STM-Projekte I• SXM-Project Uni Münster

– ~ 1000 €– Mailingliste (extern)

– Video aus Quarks & Co(132 MB .avi – DivX !!) (5.6 MB .rm – RealOne)

34

Internet: STM-Projekte II... Bastler weltweit ...

35

Internet: STM-Projekte III

Weitere Beispiele ... Linkseite

... ein professioneller Bastler ... ... STM for Students ...

36

Materialien



• Internet

– STM-Projekte



37

• Funktionsweise eines STMTU Wien

Diashow 1:"Atome zum Anschauen"

Diashow 2:„Rastertunnelmikroskop“

Internet: Simulationen etc. I

38

• QuantumPhysicsOnline(extern)

Internet: Simulationen etc. II

Ecole Polytechnique

Palaiseau Cedex

FranceSimulation eines STM (extern)

39

• Software Download– AFM-Model– Driven Oscillator– Probe Simulator

J. Griffith / NC State University

Internet: Simulationen etc. III

AFM-Modell

40

• Tunneln eines WellenpaketsDOS-Programm (.zip)TU Kaiserslautern

• Tunneln einer WelleVisual Quantum Mechanics(extern)

Zollman / Kansas State Univ.

Internet: Simulationen etc. IV

(extern)

41

• Tunneln durch eine Barriere / Mark / TU Budapest (extern)

Internet: Simulationen etc. V

42

Internet: Simulationen etc. VI

• Virtual Microscopy

Florida State University

– Sammlung von simulierten Mikroskopen

– Beispiel: REM (extern)

43

• Membran-Schwingungenals Modell für atomare Eigenfunktionen

DOS-Programm (.zip)Java-Applet (.zip)TU Kaiserslautern

Concordia UniversityCanada (extern)

Internet: Simulationen etc. VII

(extern)

44

• Simulation einer Wellenwanne

Interferenz von Wellen

Physlet© by ChristianDavidson CollegeNorth Carolina USA

Deutsche Physlet©-Seite(extern)

Internet: Simulationen etc. VIII

(extern)

45

Internet: Simulationen etc. IX

• Doppelspalt-Experimentaus: Visual QuantumMechanics(extern)

Zollman / Kansas State University (extern)

46

• Doppelspalt-Experimentaus: Visual QuantumMechanics(extern)

Thaller / Uni Graz

als Buch mit CD-ROM bei Springer

Internet: Simulationen etc. X

47

Materialien



• Internet

– STM-Projekte


– Visualisierungen / „Real“aufnahmen

48

• Wachstumsprozesse,beobachtet unter einem STM

– Wachstum von Schichten

– Wachstum vonAdsorbat-Kristallen

AG VoigtländerForschungszentrum Jülich (extern)

Internet: Realaufnahmen I

49

• Flug durch ein atomares QAG Rieder / FU Berlin(extern)

• Weitere „Flüge“ siehe Ordner „MATERIAL_SAMMLUNG“

bzw. in der Linkliste

Internet: „Real“aufnahmen II

50

• Man findet viele Beispiele für – Animationen & Simulationen– „Real“aufnahmen – verschiedene Themen, wie

Doppelspalt, Tunneleffekt, STM, AFM etc.

– auch Unterrichtsanregungen• Zunahme in letzten Jahren• Qualität unterschiedlich

• Einige „gute“ Beispiele hier gezeigt

Fazit Internet

51

Zusammenfassung• Bezug zum Lehrplan• Schulbücher• Unterrichtskonzepte• Experimente• Beispiele zur

Simulation & Visualisierung

• Erfahrungsaustausch ?• Internetfortbildung ?

Erfahrungsaustausch zum Unterrichtseinsatzin den PENPEN-Foren

Websites zum Thema

(extern)

Das Rastertunnelmikroskop im ... -...

Documents

Transcript of Das Rastertunnelmikroskop im ... -...