Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

101 24.2 Untersuchung von Mikro- und Nanostrukturen Die Herstellung von immer kleineren Strukturen und die Manipulation immer kleinerer Objekte setzt vor- aus, dass man überlegt, wieweit die Eigenschaften und das Verhalten klassischer Gegenstände auf diese Nanostrukturen und Nanoteilchen mit Abmessungen zwischen 1 µmund 1 nmanwendbar sind. Es zeigt sich beispielsweise dabei, dass die Gravitation imVergleich zur elektrostatischen Kraft wesentlich an Bedeutung verliert, oder dass freie Nanoteilchen aufgrund der thermischen Bewegung enorme Geschwindigkeiten annehmen können, oder dass der Strahlungsdruck von Licht Nanoteilchen in Bewegung setzen kann. Typische Nanoteilchen sind Buckminster-Fullerene wie die fußballförmigen C 60 Moleküle oder winzige Röhren aus Kohlenstoff ( Nanoröhren ) A1 Berechne die thermische Geschwindigkeit von 1 nm 3 Diamant mit der Dichte 3,5 · 10 3 kg/m 3 bei einer Temperatur von 300 K. A2 Berechne die thermische Geschwindigkeit eines C 60 Fullerens bei 0 ° C und bei 10 K. A3 Berechne die Geschwindigkeit eines freien C 60 Fullerens, das im Ruhezustand ein Photon sichtbaren Lichts mit m = 500 nm absorbiert hat! A4 Berechne und vergleiche die Größenordnung der Kraft zwischen zwei C 60 Fullerenen im Abstand von 100 nm aufgrund der Gravitation und für den Fall, dass jedes der Moleküle eine Elementarladung trägt! A5 Diskutiere Konsequenzen aus den vorigen Rech- nungen! Untersuchung von Mikro- und Nanostrukturen Zur Untersuchung von kleinen Objekten eignen sich naturgemäß Mikroskope . Neben Mikroskopen, die mit sichtbarem Licht arbeiten, verwendet man auch Elektronenmikroskope. Zusätzlich zu mikroskopi- schen Verfahren, die im Wesentlichen auf eine Abbil- dung des Objektes abzielen, finden auch spektros- kopische Verfahren Anwendung. Durch die Einflüsse der untersuchten Objekte auf Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge, lassen sich Rückschlüsse über die Objekte ziehen hinsichtlich ihrer Abmessungen oder ihrer Form. Weiters verwendet man zur Unter- suchung von Mikro- und Nanostrukturen auch Beu- gungsverfahren , bei denen man Elektronenstrahlen oder Heliumatomstrahlen an den Untersuchungsob- jekten beugt. Bei Emissionsverfahren liefern austre- tende Elektronen Informationen über die chemischen Eigenschaften der Oberflächen der untersuchten win- zigen Objekte. 24.2 Mikroskope A6 Wiederhole aus der Unterstufe die Begriffe Brenn- weite, reelles und virtuelles Bild und die Abbildungs- eigenschaften von Sammellinsen! In einem einfachen Lichtmikroskop wird von einem Objekt durch eine Sammellinse ( Objektiv ) ein vergrö- ßertes, verkehrtes und reelles Zwischenbild erzeugt, das durch eine weitere Sammellinse ( Okular ) betrach- tet und weiter vergrößert wird. Das Okular wirkt dabei wie eine Lupe. In modernen Mikroskopen bestehen Objektiv und Okular meist aus mehreren Linsen, da- mit Linsenfehler ausgeglichen werden können, so dass die Bildqualität steigt. Ingesamt erzeugt das Mik- roskop ein vergrößertes, verkehrtes und virtuelles Bild des Objekts. Auf der Netzhaut entsteht bei Betrachtung dieses Bil- des ein reelles Bild, das viel größer ist, als jenes Bild des Objekts, das auf der Netzhaut entstünde, wenn der Gegenstand mit freiem Auge in der Distanz der deutlichen Sehweite ( s = 0,25 m) betrachtet würde. Der Sehwinkel } ist für das virtuelle Bild imMikroskop viel größer als der Sehwinkel { für das Objekt bei Be- trachtung mit freiem Auge im Abstand der deutlichen Sehweite. Unter der Vergrößerung v des Mikroskops versteht man das Verhältnis der Tangenswerte der beiden Sehwinkel tan tan v { } = 24.2.1 Abb. 101.1 Aufbau eines einfachen Lichtmikroskops Objekt Objektiv Zwischenbild Feldblende Okular Detektor, zB. Auge Abb. 101.2 Durch ein Mikroskop vergrößert sich der Sehwinkel, unter dem ein Gegenstand in der Entfernung der deutlichen Sehweite wahrgenommen wird. G B v B r A A A) B) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv