Das RTM funktioniert nach dem Prinzip des Quantentunneleffektes, wobei es eine extrem feine Spitze von wenigen Nanometern Durchmesser (oft nur so breit wie ein Atom) verwendet. Anhand aussagekräftiger Grafiken, Animationen und Videos werden die Lernenden an die Funktionsweise eines RTM hingeführt. Die bereits bekannten Gesetzmäßigkeiten zum Tunneleffekt finden beim RTM ihre Anwendung und dienen dazu, Berechnungen zum groben Verständnis des komplexen Gerätes anzustellen.
Das Rastertunnelmikroskop – eine Anwendung des Tunneleffekts
Unterrichtseinheit
Ein Rastertunnelmikroskop (RTM) oder Scanning Tunneling Microscope (STM) ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung und näheren Untersuchung von Oberflächen auf der Ebene von atomaren Strukturen. Aufgrund seiner Fähigkeit, Oberflächen auf atomarer Ebene untersuchen zu können, ist das RTM auf vielen Forschungsfeldern unverzichtbar geworden. Dazu gehören unter anderem die Oberflächenanalyse, Materialforschung, Nanotechnologie sowie die Elektronik und Quantenphysik.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 2 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
In einem kurzen Statement weist die Lehrkraft anhand von mit dem RTM gemachten Bildern auf die Bedeutung des Gerätes für die Wissenschaft hin.
10 Minuten -
Erarbeitung
Mithilfe von verschiedenen Abbildungen (Arbeitsblatt 1) wird die Funktionsweise eines RTM besprochen.
Die für Berechnungen notwendigen, bereits bekannten Formeln werden kurz wiederholt. Die Übungaufgaben 1 und 3 (Arbeitsblatt 2 und Lösungen) werden zur Hausaufgabe.
35 Minuten -
Vertiefung
Nach der Besprechung der Hausaufgabe werden die weiteren Übungsaufgaben (Arbeitsblatt 2 und Lösungen) bearbeitet und gemeinsam diskutiert.
45 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Das Rastertunnelmikroskop – eine Anwendung des Tunneleffektes
Die Besprechung der Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops dient dazu, den Tunneleffekt in seiner praktischen Anwendung den Lernenden näherzubringen. Mit einem RTM kann ein präzises Relief einer Materialoberfläche sichtbar gemacht werden. Mit dem möglichen Auflösungsvermögen können klassische Lichtmikroskope um das Tausendfache übertroffen werden, sodass selbst einzelne Atome eines Materials sichtbar gemacht werden können.
Vorkenntnisse
Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können vorausgesetzt werden, wenn der zugrundeliegende Tunneleffekt im Unterricht besprochen wurde. Damit lassen sich einfache Übungsaufgaben lösen, die einen Einblick in die Möglichkeiten des RTM bieten.
Didaktische Analyse
Die Behandlung des interessanten Themas mithilfe von computergenerierten Mikroskopbildern, die teilweise faszinierende Landschaften von eigener Ästhetik zeigen, kann durchaus dazu dienen, den Schülerinnen und Schülern ein Bild von der Besonderheit naturwissenschaftlicher Forschung näherzubringen.
Methodische Analyse
Das Thema RTM sowie der zugrundeliegende Tunneleffekt in der Quantenphysik sind schwierige Themen. Dennoch ist es möglich, durch vielfältiges Bildmaterial und entsprechend nachvollziehbare Gesetzmäßigkeiten den Lernenden zu zeigen, dass solche Themen trotzdem in ihrer prinzipiellen Form verstanden werden können.
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Mithilfe dieses Arbeitsblattes werden theoretische Grundlagen vorgestellt und anhand von Abbildungen verständlich gemacht.
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Die Fragestellungen und Übungsaufgaben ergänzen die theoretischen Grundlagen.
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In diesem Arbeitsblatt sind die ausführlichen Lösungen zu den Fragestellungen und den Übungsaufgaben enthalten.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- können die Funktionsweise eines RTM beschreiben und erläutern.
- wissen um die Bedeutung solcher Präzisionsgeräte für die naturwissenschaftliche Forschung.
- können ergänzende Übungsaufgaben berechnen und damit die Zusammenhänge bei der Funktionsweise eines RTM besser verstehen.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet.
- können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. diskutieren zu können.
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