Kein Folientitel

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 Kaiserslautern
CD-ROM Version 2.0 – Juni 2004
Wenn wir qm Objekte wären...
...dann wäre Sport ganz anders
klassisch ~ Höhe
qm ~ Dicke
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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 I
Pflichtbereich
•
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 II
Wahlpflichtbereich
•
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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Fazit zum Lehrplan
• Quantenmechanisches Verhalten von Teilchen
• Atommodelle - atomare Struktur der Materie
• Teilchen im Potentialtopf, an Potentialschwelle
• Anwendungen: Strukturuntersuchungen
(Debye-Scherrer, Bragg-Str.)
FEM, FIM
STM, AFM, ...
• Kernphysik:
• Astrophysik:
Tunneleffekt und α-Zerfall
Fusionsprozess in der Sonne
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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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Unterrichtskonzepte II
• 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 easyScan
Anleitungen (pdf): STM – Ergänzung 1, 2
Demosoftware - www.nanosurf.ch (extern)
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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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Unterrichtskonzepte IV
• Berliner Konzept
Fischler 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)
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Unterrichtskonzepte V
• Bremer Konzept
Niedderer und Mitarbeiter / Uni Bremen
– Wellenfunktion und Schrödinger-Gleichung
– Licht und Elektron als Quanten
Klassische stehende Wellen
H-Atom: Modelle, Wellen, Potential, Spektren
Höhere 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)
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Unterrichtskonzepte VI
• Berliner Konzept
Werner, 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
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Unterrichtskonzepte VII
• Visual Quantum Mechanics (extern)
Zollman / Kansas State University USA
– Kurs mit Simulationen
• qubit - Quanteninformation in der Schule
Universität Oldenburg
– Unterrichtseinheit für Kl. 13
– Experimente an Universität
(z. B. Abklingzeit der Fluoreszenz)
– Interneteinsatz
•
Weiteres: Kurse etc. siehe Linkliste
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Unterrichtskonzepte VIII
• Berger / Uni Kassel
(jetzt LMU München)
– AFM-Funktionsmodell
– UE zum REM
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Unterrichtskonzepte IX
• W. Schäfer / Martinus-Gymnasium Linz
Kessler / 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 – RLP
Aeschlimann, Mering / TU KL
– Besuch an Uni, Ausleihe von STM
•
Erfahrungsaustausch / Kontakt über PEN
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Fazit Unterrichtskonzepte
• 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.)
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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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Experiment I:
Elektronenstreuung an Graphit
• Ergebnis
– Beugungsringe
– Interferenz bei Elektronen
– zwei Netzebenen
• Optische Analogversuche
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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-raumzentriertes Gitter
– Spitze in [110]
orientiert
– Ebene [110]
Austrittsarbeit größer
e-Austritt geringer
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Experiment III:
Frustrierte Totalreflexion
• Analogversuch zum qm Tunneleffekt
– Totalreflexion und Tunneln von Mikrowellen
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Experiment III:
Frustrierte Totalreflexion
• Tunneln einer elektromagnetischen Welle
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Experiment III:
Frustrierte Totalreflexion
• Simulation des Tunneleffekts mit Mathematica
© Gordon VanDalen
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Experiment III:
Frustrierte Totalreflexion
• Interaktives Bildschirmexperiment: µ-Wellen
© J. Kirstein TU Berlin / aus der CD-ROM „Elektronen“ der MHSG (extern)
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Fazit Experimente
• Elektronenbeugung
– Elektron als Welle
– Optische Analogie
• Feldelektronenmikroskop
– mikroskopische Methode
• Analogversuch zum Tunneleffekt
– Tunneln ist ein Wellenphänomen
– Simulationen (s. w. u.)
• STM-Ausleihgeräte
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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 II
... Bastler weltweit ...
34
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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Internet: Simulationen etc. I
• Funktionsweise
eines STM
TU Wien
Diashow 1:
"Atome zum Anschauen"
Diashow 2:
„Rastertunnelmikroskop“
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Internet: Simulationen etc. II
• Quantum
Physics
Online
(extern)
Ecole Polytechnique
Palaiseau Cedex
France
Simulation eines STM
(extern)
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Internet: Simulationen etc. III
• Software Download
– AFM-Model
– Driven Oscillator
– Probe Simulator
J. Griffith / NC State University
AFM-Modell
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Internet: Simulationen etc. IV
• Tunneln eines
Wellenpakets
DOS-Programm (.zip)
TU Kaiserslautern
• Tunneln einer
Welle
Visual Quantum Mechanics
(extern)
Zollman / Kansas State Univ.
(extern)
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Internet: Simulationen etc. V
• Tunneln durch eine Barriere / Mark / TU Budapest (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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Internet: Simulationen etc. VII
• MembranSchwingungen
als Modell für atomare
Eigenfunktionen
DOS-Programm (.zip)
Java-Applet (.zip)
TU Kaiserslautern
Concordia University
Canada (extern)
(extern)
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Internet: Simulationen etc. VIII
• Simulation einer
Wellenwanne
Interferenz von Wellen
Physlet© by Christian
Davidson College
North Carolina USA
Deutsche Physlet©-Seite
(extern)
(extern)
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Internet: Simulationen etc. IX
• DoppelspaltExperiment
aus:
Visual
Quantum
Mechanics
(extern)
Zollman /
Kansas State
University
(extern)
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Internet: Simulationen etc. X
• DoppelspaltExperiment
aus:
Visual Quantum
Mechanics
(extern)
Thaller / Uni Graz
als Buch mit CD-ROM bei Springer
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Materialien
• Unterrichtskonzepte
• Experimente (Auswahl)
• Internet
– STM-Projekte
– Simulationen / Animationen
– Visualisierungen / „Real“aufnahmen
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Internet: Realaufnahmen I
• Wachstumsprozesse,
beobachtet unter einem
STM
– Wachstum von Schichten
– Wachstum von
Adsorbat-Kristallen
AG Voigtländer
Forschungszentrum Jülich (extern)
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Internet: „Real“aufnahmen II
• Flug durch ein
atomares Q
AG Rieder / FU Berlin
(extern)
•
Weitere „Flüge“ siehe Ordner
„MATERIAL_SAMMLUNG“
bzw. in der Linkliste
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Fazit Internet
• 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
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Zusammenfassung
•
•
•
•
•
Bezug zum Lehrplan
Schulbücher
Unterrichtskonzepte
Experimente
Beispiele zur
Simulation & Visualisierung
• Erfahrungsaustausch ?
• Internetfortbildung ?
(extern)
Erfahrungsaustausch zum
Unterrichtseinsatz
in den PEN-Foren
PEN
Websites zum Thema
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