Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

A jelentkezéssel kapcsolatos információk ITT.

dr. RADNÓCZI György Zoltán #06M - Virágszirmoktól az atomokig - személyes HONLAP
Témavezető 1.: dr. RADNÓCZI György Zoltán, Tel.:392-2222-1755, Épület:26, Szoba:124, E-mail:gy.radn@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)
dr. KOVÁCSNÉ dr. KIS Viktória #06M - Virágszirmoktól az atomokig - személyes HONLAP
Témavezető 2.: dr. KOVÁCSNÉ dr. KIS Viktória, Tel.:392-2692, Épület:26, Szoba:126, E-mail:kis@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

MOTTÓ:
"Az emberi történések nagysága eltörpül, jelentéktelenné zsugorodik, elvész az univerzum nagy folyamataiban. Jelentőségét mégis az adja meg, hogy az univerzum minden csodálatos objektuma, a pulzárok, kvazárok, fekete lyukak mellett a világegyetem nagy vajúdása megszülte a legcsodálatosabb objektumot, az emberi agyat, az emberi tudatot, amely a végtelen nagyot és a végtelen kicsit egyaránt be tudja fogadni." (Simonyi Károly: A Fizika kultúrtörténete)

Az elménkhez képest az emberi látásnak szigorúbb korlátai vannak. A hajszálat, ami nagyjából 50 μm vastag, még éppen meglátjuk, de annak részleteit már nem. Ennek ellenére az embereket mindig is érdekelték a részletek és igyekeztek olyan eszközöket készíteni, melyekkel egyre részletesebben megfigyelhették az egyre apróbb dolgokat.

Arra teszünk kísérletet, hogy az eszközök és a tudomány fejlődésének néhány érdekes állomását megismerjük a nyári iskola ideje alatt. Először megismerkedünk a klasszikus optika alapjaival (pl. domború lencse leképezésével), és kipróbáljuk, hogy mit láthatunk egy virágsziromból vagy fűszálból, ha kissé felnagyítjuk (1. ábra).

Bimbók Virágszirmok
1.a. ábra. Bimbók.
1.b. ábra. Virágszírmok.



A módszer határait feszegetve elindulunk a nagyobb nagyítások felé, és megismerkedünk többféle optikai mikroszkóppal. Amikor beleütközünk a fénymikroszkópok felbontási korlátaiba, a látható fény helyett majd elektronokat használunk az egyre nagyobb nagyításokhoz: transzmissziós elektronmikroszkópok és néhány érdekes minta segítségével belepillantunk az MFA-ban folyó kutatásokba. Ha végtelenül kicsiny objektumokig nem is jutunk el, az atomok alkotta kristályrács képéig és nagyjából 1 milliószoros nagyításig remélhetőleg igen :). (2. ábra.) Közben pedig megcsodálunk mindenféle apróságot, tücsköt, bogarat, volframspirált, CCD chipet, növekedő jégkristályt és bármit, ami eszünkbe jut és behelyezhető a mikroszkópokba.

ZnO kristály
2. ábra. ZnO csúcs a transzmissziós elektronmikroszkópban nagy nagyításban. A felvételen a ZnO atomi kristályrácsa látszik.



A jelentkezőket kifejezetten bátorítjuk arra, hogy a pályázatukban javasoljanak megfigyelésre méltó apróságokat! (Bármit azért nem tudunk a mikroszkópokba betenni. Az alábbiakban összefoglaltuk, hogy nagyjából milyen követelményeknek kell megfeleljen az, amit nézni szeretnénk. Minden mintára vonatkozó követelmény, hogy biztonságosan kezelhető, egészségre ártalmatlan, nagyjából szilárd anyag legyen.

  • Preparáló mikroszkópok (5-50x nagyítás): Nagyjából bármi, ami 5cm-nél kisebb és a vizsgálandó felület érdessége 2mm-nél nem mélyebb.
  • Fénymikroszkópok (100-500x nagyítás): lehetőleg (nem kötelező) átvilágítható minta, sík felület, max néhány cm-es méret.
  • Elektronmikroszkópok (500-1000000x nagyítás): Vákuumban és elektronsugár alatt stabil anyagok. (jellemzően fémek, félvezetők, kerámiák, sók, kőzetek stb. Általában nem megfelelőek: biológiai minták, műanyagok, szerves anyagok). Ezeknél a mikroszkópoknál vékony anyagok vizsgálhatók, ezt az iskola rövid ideje alatt nem egyszerű előállítani. Lehet nagyon vékony réteg valamilyen stabil anyagból, esetleg olyan anyag, amit finom porrá lehet törni, híg oldatból kikristályosodó apró-szemcsés anyag stb. A vizsgált minta vastagsága kisebb kell legyen mint 100nm, és olyan hordozóra kell tenni, ami belefér a 0.1mm vastag 3mm átmérőjű korong befogadására alkalmas mintatartóba.


  • A TEM, avagy a Transzmissziós ElektronMikroszkóp (3, 4)

    A múlt század folyamán az egyik legfontosabb anyagvizsgáló eszközzé vált. A neve szerint mikroszkóp, tehát kicsiny részletek "felnagyítására" (pontosabban nagyban való megtekintésére) használható eszköz. A nevéből az is kiderül, hogy elektronokkal világítjuk meg a mintát, továbbá hogy a mintán áthaladó elektronokkal (transzmisszió) készítjük el a képet. A működésének megértéséhez jól jön, ha ismerjük az optikai mikroszkópok felépítését és működését, de van néhány lényeges különbség is:

  • A megvilágítást itt fény helyett felgyorsított elektronnyaláb végzi, jellemzően 200-300 kV gyorsítófeszültség mellett. Terjedésekor (haladásakor) az elektronnyaláb - bizonyos megkötésekkel - koherens hullámként írható le, hasonlóan ahhoz, mintha egy lézerrel világítanánk meg a vizsgált tárgyat. Az elektronnyalábnak az energiájától (a gyorsítófeszültségtől) függő nagyságú hullámhossza van. Ez azonban lényegesen kisebb az atomi méreteknél, így ha elég jó mikroszkópot építünk (egyéb szempontokból), akkor az atomi méretű részletek megfigyelése is lehetővé válik.

  • TEM sugármenetek
    3. ábra. Lehetséges sugármenetek a TEM-ben.

    Philips cm20 TEM
    4. ábra. Philips gyártmányú cm20 típusú TEM.

  • Az elektronok csak vákuumban tudnak akadálytalanul mozogni, ellentétben a fénnyel, amely vígan terjedhet levegőben, vízben, vagy akár üvegben is. Az optikában tökéletesre fejlesztett üveglencséinknek itt nem vesszük hasznát, helyettük mágneses lencsékből épül fel a megvilágító- és a leképező-rendszer. A mágneses lencsék nagy előnye, hogy a mágneses teret előállító tekercs elektromos áramának változtatásával rendkívül könnyen állíthatók be a kívánt lencseparaméterek (pl. fókusztávolság). Ennek köszönhetően az objektívlencsének nem csak a képét tudjuk megfigyelni, hanem a (vetítőrendszer megfelelő hangolásával) az objektívlencse fókuszsíkjában lévő információt is rögzíteni tudjuk.

  • Az elektronok kölcsönhatása az anyaggal sok szempontból más mint a fényé. Rövidebb hullámhosszuk miatt kisebb objektumokon is szóródnak, esetlegesen nagy energiájuk (2-300 keV) miatt pedig képesek lehetnek olyan kölcsönhatásokra is, amelyek látható fotonokkal (2~4 eV) nem fordulna elő. Ennek egyik következménye, hogy a megvilágított terület atomjait gerjesztik (a nagy energiájú elektronok). A gerjesztés következményeinek megfigyelése alapján (a mintán áthaladó elektron energiavesztesége - EELS vagy a gerjesztett atom által kibocsátott röntgen foton - EDX, EDS) következtethetünk arra, hogy mely kémiai elemet (atomot) gerjesztettük, így a minta igen kis darabjairól szerezhetünk kémiai információt.
    Az elektronnak természetesen elektromos töltése és mágneses momentuma is van, és ezek révén is kölcsönhatásba lép az anyagokkal. Mikroszkópi szempontból az elektromos töltése a fontosabb, mert ebből kifolyólag az elektronnyaláb elektromos áramot is képez, amely feltöltheti a mintát (főleg a szigetelőket), ez pedig befolyásolhatja magának az elektronynyalábnak a mozgását. (Tulajdonképpen éppen ezt használjuk ki az elektrosztatikus és mágneses lencséknél is az elektronnyaláb fokuszálásához, illetve eltérítéséhez.)

  • A mintára vonatkozóan is mások a követelmények: nagyon vékony és nagyon stabil mintára van szükségünk. A megengedett vastagság a vizsgálat típusától, és anyagtól függően mintegy 10-200 nm. A mintának a kívánt nagy nagyítások érdekében nagyon stabilnak kell lennie. (Parányi elmozdulás is óriásira nagyítva jelenne meg, teljesen elmosva a képet.)

  • A képalkotás megértéséhez, a már említett optikai mikroszkóp, szűkebben a domború lencse leképzését kell jól ismerni. A lehetséges sugármenetek a 3. ábrán láthatók (a tárgy az egyszeres és a kétszeres fókusz között van elhelyezve):
    Ha a leképezéskor csak az "egyenesen" továbbhaladó (ún. direkt) sugarakat használjuk (piros vonal jelöli) és a többit kitakarjuk, akkor ún. világos látóteres képet kapunk, ha pedig a direkt sugár kitakarásával készítünk képet (egy vagy több sugárral), akkor az ún. sötét látóteres képet kapjuk. (Diffrakciós felvételt pedig úgy kaphatunk, ha a fókuszsíkban létrejövő "képet" nagyítjuk tovább.)




    ELŐISMERETEK:
    Előny ha valaki ismeri lencsék leképezését, egyébként elég ha valaki tudja a gimnáziumi fizikát és matekot. (Alapvető geometriai ismeretek, egy kis fénytan, hullámok és elektrosztatika.)
    jelentkezők száma: 1 vagy 2 (max 3.)




    ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető 1.: dr. RADNÓCZI György Zoltán, Tel.:392-2222-1755, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26, Szoba:124, E-mail:gy.radn@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)
    Témavezető 2.: dr. KOVÁCSNÉ dr. KIS Viktória, Tel.:392-2692, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26, Szoba:126, E-mail:kis@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

    Utolsó frissítés: Wed, 13 May 2015 19:23:52 GMT, Számláló: