Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

45 21.4 Teilchen im Quantenkäfig Beispiel Feldelektronenmikroskop Elektronen können sich in einem Metall praktisch frei bewegen (Elektronengas). Das Austreten der Elektronen aus dem Metall wird durch eine elektro- statische Potentialbarriere verhindert. Abb. 45.1 links: Potentialbarriere für Elektronen an den Gren- zen eines metallischen Körpers. Rechts: Potentialbarriere an den Grenzen eines metallischen Körpers bei einem starken äußeren elektrischen Feld. Elektronenenergie Elektronenenergie Potentialgefälle aufgrund eines elektrischen Feldes Potentialbarriere für das Elektron A1 Begründe die Existenz einer Potentialbarriere für Elektronen an den Grenzen eines metallischen Kör- pers! Hinweis: Struktur eines Metalls. Durch den Tunneleffekt können Elektronen bei ei- nem starken elektrischen Feld das Metall verlassen. Um einen merklichen Tunneleffekt zu erzielen, be- nötigt man hohe Feldstärken. Diese kann man zum Beispiel an extrem dünnen Nadelspitzen erreichen. Abb. 45.2 Das Feldelektronenmikroskop besteht aus einer dünnen, metallischen Nadel in einem evakuierten Glaskolben, der mit einer Leuchtschicht versehen ist. Vakuum Hoch- spannung evakuierter Glaskolben Masse Aus der Metallspitze treten Elektronen aus und werden durch Hochspannung beschleinigt. uoreszierender Schirm zeigt das Abbild der Metallspitze E 1 Abb. 45.3 Die durch den Tunneleffekt aus der Nadelspitze des Feld- elektronenmikroskops austretenden Elektronen werden im elektrischen Feld beschleunigt und treffen auf eine fluoreszierende Schicht. Da an den Ecken und Enden der Nadelspitze die elektrische Feldstärke und damit der Tunneleffekt am stärksten ist, gehen von diesen Stellen besonders viele Elektronen aus, wodurch diese Stellen als helle Bereiche auf der Leuchtschicht abgebildet werden. Beispiel Feldionenmikroskop Das Auflösungsvermögen eines Feldelektronen- mikroskops reicht nicht aus, um einzelne Atome getrennt abzubilden. Ein besseres Auflösungsver- mögen erreicht man mit dem Feldionenmikroskop. Es ist ähnlich aufgebaut wie ein Feldelektronenmik- roskop. Der Hauptunterschied besteht darin, dass es mit einem Gas gefüllt ist und die Metallnadel positiv geladen ist. In der Nähe der Nadel ist das elektri- sche Feld so stark, dass den Gasatomen Elektronen entrissen werden. Die positiven Gasionen werden im Feld beschleunigt und erzeugen auf der Leucht- schicht eine Abbildung der Nadelspitze. Abb. 45.4 Das Auflösungs- vermögen von Feldionen- mikroskopen reicht aus, um den Ort einzelner Atome sichtbar zu machen. A2 Begründe mit Hilfe der de Broglie-Wellenlänge das hohe Auflösungsvermögen des Feldionenmikro- skops! Beispiel Raster-Tunnelmikroskop Abb. 45.5 Piezosteuerung Rückkoppelung  A U x y z Probe ... und der Abstand zur Ober ächen- struktur bleibt gleich. ... der Tunnelstrom konstant gehalten ... Durch die Auf- und Ab- bewegung der Nadel wird ... Mit dem in den 80er-Jahren entwickelten Raster- Tunnelmikroskop (Abb. 45.5) erreicht man Vergrößerungen im Bereich von 10 8 . Es dient der Untersuchung von Oberflächen leitender Körper. Eine dünne Metallnadelspitze wird im Ultrahoch- vakuum bis auf 10 –10 m an die Oberfläche eines metallischen Körpers geführt. Die dafür notwen- digen mikroskopisch kleinen Bewegungen der Nadel erreicht man mit Piezoquarzen, deren Länge sich durch Anlegen einer Spannung gering- Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv