Wie untersucht man kleine Objekte?
Wie kann man Objekte sichtbar machen, die man eigentlich nicht sehen kann?

 

Welche Geräte kennst Du schon aus dem Physikunterricht oder aus dem Alltag, mit denen man kleine Dinge sichtbar machen kann?

Lupe
Fernrohr
Mikroskop
Fotoapparat

 

Außer den beiden obigen Apparaten gibt es noch weitere, die dazu dienen, kleine Strukturen "sichtbar" zu machen. Eines ist das sogenannte Elektronenmikroskop, ein anderes der Teilchenbeschleuniger.

Wie kann man sich nun die Funktionsweise der unterschiedlichen Geräte zur "Vergrößerung" vorstellen?

Im Alltag sehen wir Objekte mit den Augen.
Werden die Objekte zu klein, können wir sie mit einer Lupe vergrößern.
Reicht auch eine Lupe nicht mehr aus, benutzt man ein Lichtmikroskop.
All diese optischen Geräte, also das Auge, die Lupe und das Lichtmikroskop, arbeiten mit Licht.
Bisher kanntest Du Licht als Lichtstrahlen. Dies war eine zur geometrischen Betrachtung der Funktionsweise von Lupe, Mikroskop und anderen optischen Geräten nützliche Modellvorstellung des Lichts.
Nun kann man sich aber vorstellen, daß diese Lichtstrahlen sich aus kleinen Teilchen zusammensetzen, genauso wie sich Wasserstrahlen aus Wassertropfen zusammensetzen. Dies ist eine weitere Modellvorstellung des Lichts, die hier zur Erklärung beobachtbarer Phänomene herangezogen werden kann.
Diese kleinsten Teilchen, aus denen sich das Licht zusammensetzt, nennt man Lichtteilchen oder Photonen.

Betrachtet man nun die Funktionsweise von Lupe und Mikroskop unter dem Aspekt, daß das Licht aus Photonen besteht, kann man sie sich folgendermaßen vorstellen:
Die Lichtteilchen, die man auch allgemein als Probeteilchen bezeichnen kann, stoßen auf den zu betrachtenden Gegenstand und werden entweder direkt oder durch optische Geräte wie Lupe oder Mikroskop zum Auge reflektiert. Dadurch werden die Objekte "sichtbar".
Stellt man sich den Gegenstand oder das Objekt selber wieder aus kleinen Teilchen zusammengesetzt vor, so kann man diese als Zielteilchen bezeichnen, und die Probeteilchen dienen zur Strukturuntersuchung des Gegenstandes oder Objekts. Je nachdem, in welcher Richtung die Probeteilchen von den Zielteilchen zurückgeworfen werden, kann man auf innere Strukturen des Objekts schließen.

Überlege nun, wie man das Prinzip der Strukturuntersuchung nun zusammenfassend darstellen kann!

Eine mögliche Antwort könnte sein:

Das Prinzip der Strukturuntersuchung lautet:
Man hat Probeteilchen und Zielteilchen. Die Probeteilchen fallen auf die Zielteilchen und werden unter einem gewissen Ablenkwinkel von ihnen zurück geworfen. Beobachtet man die Ablenkung der Probeteilchen, so kann man Rückschlüsse auf die Struktur des untersuchten Objekts ziehen.

Warum kann man mit dem Lichtmikroskop nur bis zu einem bestimmten Grad Gegenstände vergrößern?

Mit den Photonen des sichtbaren Lichtes kann man nur begrenzt den Ort bestimmen, an dem sie auf das Zielobjekt treffen. Dadurch sind sehr kleine Strukturen nicht mehr auflösbar. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Auflösungsvermögen des Lichtes. Dabei ist das Auflösungsvermögen die Grenze, bis zu der Probeteilchen noch Strukturen darstellen können.

Nun kann man aber mit Probeteilchen, die höhere Energien besitzen, den Ort, an dem sie auf das Zielobjekt treffen, besser bestimmen. Daraus kann man schließen, daß die Photonen des sichtbaren Lichts Probeteilchen mit zu geringer Energie sind, um sehr kleine Strukturen aufzulösen. Sie haben eine Grenze ihres Auflösungsvermögens.

Den Effekt, daß höherenergetische Teilchen ein besseres Auflösungsvermögen haben, kann man nur mit Hilfe der Quantenmechanik verstehen. Ein paar nähere Infos kann man dazu hier finden.
Vorstellen kann man ihn sich, wenn man versucht, in einem unruhig fahrenden Zug durch eine Tür zu gehen. Geht man langsam (also mit wenig Energie bzw. Bewegungsenergie), hat man Mühe, problemlos durch die Türe zu kommen. Geht man dagegen sehr schnell (mit höherer Energie bzw. Bewegungsenergie), trifft man die Tür recht einfach.

Im allgemeinen kann man sagen:

Das Auflösungsvermögen von Probeteilchen wird durch ihre Energie bestimmt bzw. begrenzt!

Werden die Untersuchungsobjekte so klein, daß ihre Strukturen nicht mehr vom sichtbaren Licht dargestellt werden können, könnte man Photonen mit höherer Energie als Probeteilchen nehmen. Solche hochenergetischen Photonen hat z.B. die Röntgenstrahlung. Hochenergetische Photonen sind jedoch für Experimente recht ungeeignet, weil man sie nicht mit Linsen bündeln kann, wie man es bei dem Lichtmikroskop kann. Linsen für Röntgenstrahlung gibt es nicht! Daher bietet es sich an, andere Teilchen mit hoher Energie zu nehmen, bei denen man die Möglichkeit hat, sie zu bündeln und damit gezielt auf bestimmte Orte des Zielobjektes zu führen.

Als mögliche Probeteilchen bieten sich Elektronen an. Sie können wegen ihrer elektrischen Ladung fokussiert werden. Daher hat man sogenannte Elektronenmikroskope erfunden. Hierbei werden an Stelle von Photonen hochenergetische Elektronen auf das Objekt geschossen und dadurch ein Bild erzeugt.
Vielleicht hast Du schon einmal in der Biologie oder aus dem medizinischen Bereich Elektronenmikroskopbilder gesehen. Man kann mit Elektronenmikroskope Objekte so stark vergrößern, daß sogar Bilder von Atomen erzeugt werdem können!

In der Teilchenphysik sollen nun Strukturen untersucht werden, die kleiner sind als Atome (also der sogenannte subatomare Bereich). Hier werden Strukturen mit Teilchenbeschleunigern, den "Mikroskopen der Teilchenphysik", untersucht.
Die Teilchen, die auf die zu untersuchenden Objekte treffen und danach ein "Bild" der Strukturen erzeugen, haben eine noch höhere Energie als die Elektronen aus den Elektronenmikroskopen.

Allgemein kann man sagen: Je kleiner das zu untersuchende Objekt ist, umso größer müssen die Energien der "Wurfgeschosse" sein, die ein "Bild" von dem Objekt erstellen. Außerdem nutzt man möglichst kleine Teilchen, da sie leichter hohe Energien erhalten können und ebenfalls besser kleine Strukuren untersuchen können.

In der Teilchenphysik benutzt man also zur Strukturuntersuchung hochenergetische und sehr kleine Probeteilchen.

Um Dir die zweite Bedingung anschaulich vorstellen zu können, hier nun eine Simulation zur Veranschaulichung:

Ein unbekanntes Objekt verbirgt sich in einer dunklen Höhle. Man möchte seine Gestalt heraus finden, indem man es mit unterschiedlich großen Bällen (Basketbälle, Tennisbälle und Murmeln) bewirft.  Du bedienst Dich zuerst der recht großen Basketbälle und beobachtest, an welchen Stellen die Bälle auftreffen. Du siehst folgendes:

Viel erkennen kann man da noch nicht, deshalb wirfst Du nun die kleineren Tennisbälle. Es ergibt sich ein genaueres Bild :

Jetzt erkennt man schon genauere Umrisse des Objektes, aber um es noch besser erkennen zu können, wirfst Du noch die recht kleinen Murmeln:

Nun kannst Du erkennen, daß es sich um einen Bären handelt, der sich in der dunklen Höhle verbirgt. Dieses Beispiel zeigt also, dass die Struktur eines Objektes umso genauer untersucht werden kann, je kleiner die "Wurfgeschosse" sind. die Teilchen des Untersuchungsstrahls sind.

Eine historische Untersuchung zum Thema Strukturuntersuchung mit kleinen Objekten stellt der sogenannte Rutherfordsche Streuversuch dar.

In der Teilchenphysik heißen die "Wurfgeschosse" Teilchen, die in einem Teilchenstrahl zusammengefaßt sind, und das zu untersuchende Objekt nennt man Target.

Die "Mikroskope der Teilchenphysik", die Teilchenbeschleuniger, funktionieren mit Teilchenstrahlen und Targets. Genaueres über die Teilchenbeschleuniger kannst Du auf der nächsten Seite, Beschleuniger, erfahren.

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