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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
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Inhalt
• Bezug zum Lehrplan• Schulbücher• Materialien
– Unterrichtskonzepte– Experimente– Internet
• STM-Projekte• Simulationen / Visualisierungen
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Inhalt
• Bezug zum Lehrplan• Schulbücher• Materialien
– Unterrichtskonzepte– Experimente– Internet
• STM-Projekte• Simulationen / Visualisierungen
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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
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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
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• 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
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Inhalt
• Bezug zum Lehrplan• Schulbücher• Materialien
– Unterrichtskonzepte– Experimente– Internet
• STM-Projekte• Simulationen / Visualisierungen
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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
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Inhalt
• Bezug zum Lehrplan• Schulbücher• Materialien
– Unterrichtskonzepte– Experimente– Internet
• STM-Projekte• Simulationen / Visualisierungen
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Materialien
• Unterrichtskonzepte
• Experimente (Auswahl)
• Internet
– STM-Projekte
– Simulationen / Animationen
– Visualisierungen
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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)
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• 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
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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)
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• 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
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• 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
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• 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
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• 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
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• Berger / Uni Kassel(jetzt LMU München)
– AFM-Funktionsmodell– UE zum REM
Unterrichtskonzepte VIII
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• 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
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• 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
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Materialien
• Unterrichtskonzepte
• Experimente (Auswahl)
• Internet
– STM-Projekte
– Simulationen / Animationen
– Visualisierungen
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Experiment I:Elektronenstreuung an Graphit
• Welle-Teilchen-Dualismus• Strukturuntersuchungen
Anleitungen: Leybold (pdf) / PHYWE (pdf)RemoteLab TU KL (extern)
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• Ergebnis– Beugungsringe– Interferenz bei Elektronen– zwei Netzebenen
• Optische Analogversuche
Experiment I:Elektronenstreuung an Graphit
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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)
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Experiment II: Feldemissionsmikroskop
• Ergebnis– kubisch-raum-
zentriertes Gitter
– Spitze in [110]orientiert
– Ebene [110] Austrittsarbeit größere-Austritt geringer
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• Analogversuch zum qm Tunneleffekt– Totalreflexion und Tunneln von Mikrowellen
Experiment III:Frustrierte Totalreflexion
29© Gordon VanDalen
Experiment III:Frustrierte Totalreflexion
• Simulation des Tunneleffekts mit Mathematica
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• Interaktives Bildschirmexperiment: µ-Wellen
Experiment III:Frustrierte Totalreflexion
© J. Kirstein TU Berlin / aus der CD-ROM „Elektronen“ der MHSG (extern)
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• Elektronenbeugung– Elektron als Welle– Optische Analogie
• Feldelektronenmikroskop– mikroskopische Methode
• Analogversuch zum Tunneleffekt– Tunneln ist ein Wellenphänomen– Simulationen (s. w. u.)
• STM-Ausleihgeräte
Fazit Experimente
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Materialien
• Unterrichtskonzepte
• Experimente (Auswahl)
• Internet
– STM-Projekte
– Simulationen / Animationen
– Visualisierungen
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Internet: STM-Projekte I• SXM-Project Uni Münster
– ~ 1000 €– Mailingliste (extern)
– Video aus Quarks & Co(132 MB .avi – DivX !!) (5.6 MB .rm – RealOne)
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Internet: STM-Projekte III
Weitere Beispiele ... Linkseite
... ein professioneller Bastler ... ... STM for Students ...
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Materialien
• Unterrichtskonzepte
• Experimente (Auswahl)
• Internet
– STM-Projekte
– Simulationen / Animationen
– Visualisierungen
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• Funktionsweise eines STMTU Wien
Diashow 1:"Atome zum Anschauen"
Diashow 2:„Rastertunnelmikroskop“
Internet: Simulationen etc. I
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• QuantumPhysicsOnline(extern)
Internet: Simulationen etc. II
Ecole Polytechnique
Palaiseau Cedex
FranceSimulation eines STM (extern)
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• Software Download– AFM-Model– Driven Oscillator– Probe Simulator
J. Griffith / NC State University
Internet: Simulationen etc. III
AFM-Modell
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• Tunneln eines WellenpaketsDOS-Programm (.zip)TU Kaiserslautern
• Tunneln einer WelleVisual Quantum Mechanics(extern)
Zollman / Kansas State Univ.
Internet: Simulationen etc. IV
(extern)
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Internet: Simulationen etc. VI
• Virtual Microscopy
Florida State University
– Sammlung von simulierten Mikroskopen
– Beispiel: REM (extern)
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• Membran-Schwingungenals Modell für atomare Eigenfunktionen
DOS-Programm (.zip)Java-Applet (.zip)TU Kaiserslautern
Concordia UniversityCanada (extern)
Internet: Simulationen etc. VII
(extern)
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• Simulation einer Wellenwanne
Interferenz von Wellen
Physlet© by ChristianDavidson CollegeNorth Carolina USA
Deutsche Physlet©-Seite(extern)
Internet: Simulationen etc. VIII
(extern)
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Internet: Simulationen etc. IX
• Doppelspalt-Experimentaus: Visual QuantumMechanics(extern)
Zollman / Kansas State University (extern)
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• Doppelspalt-Experimentaus: Visual QuantumMechanics(extern)
Thaller / Uni Graz
als Buch mit CD-ROM bei Springer
Internet: Simulationen etc. X
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Materialien
• Unterrichtskonzepte
• Experimente (Auswahl)
• Internet
– STM-Projekte
– Simulationen / Animationen
– Visualisierungen / „Real“aufnahmen
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• Wachstumsprozesse,beobachtet unter einem STM
– Wachstum von Schichten
– Wachstum vonAdsorbat-Kristallen
AG VoigtländerForschungszentrum Jülich (extern)
Internet: Realaufnahmen I
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• Flug durch ein atomares QAG Rieder / FU Berlin(extern)
• Weitere „Flüge“ siehe Ordner „MATERIAL_SAMMLUNG“
bzw. in der Linkliste
Internet: „Real“aufnahmen II
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• 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
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