Nanotechnologie

Was ist Nanotechnologie?

Der Sammelbegriff Nanotechnologie, oft auch Nanotechnik (altgriechisch nános ‚Zwerg‘), gründet auf der allen Nano-Forschungsgebieten zu Grunde liegenden gleichen Größenordnung der Nanopartikel vom Einzel-Atom bis zu einer Strukturgröße von 100 Nanometern (nm): Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10⁻⁹ m). In der Nanotechnologie stößt man also zu Längenskalen vor, auf denen besonders die Größe die Eigenschaften eines Objektes bestimmt. Man spricht von „größeninduzierten Funktionalitäten“.
Mit dem Begriff wird heute die entsprechende Forschung in der Oberflächenphysik, der Oberflächenchemie sowie in Teilbereichen des Maschinenbaus und der Lebensmitteltechnologie (Nano-Food) bezeichnet.

Schon heute spielen Nanomaterialien eine wichtige Rolle. Sie werden zumeist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt. Einige davon sind kommerziell verfügbar und werden in handelsüblichen Produkten eingesetzt, andere sind wichtige Modellsysteme für die physikalisch-chemische und materialwissenschaftliche Forschung.

Ebenfalls bedeutend ist die Nanoelektronik. Deren Zugehörigkeit zur Nanotechnologie wird in der wissenschaftlichen und forschungspolitischen Praxis nicht einheitlich gesehen. Unklar und unerforscht sind in vielen Bereichen die Wirkungen und der Einfluss der meist künstlich hergestellten Teilchen auf die Umwelt.
Eine Entwicklungsrichtung der Nanotechnologie kann als Fortsetzung und Erweiterung der Mikrotechnik angesehen werden, doch erfordert eine weitere Verkleinerung von Mikrometerstrukturen meist völlig unkonventionelle neue Ansätze. Die Chemie folgt in der Nanotechnologie oft dem entgegengesetzten Ansatz. Chemiker, die üblicherweise in molekularen arbeiten, bauen aus einer Vielzahl von einzelnen Moleküleinheiten größere nanoskalige Molekülverbunde auf. 
Ein kleiner Zweig der Nanotechnologie beschäftigt sich mit Nanomaschinen (siehe molekulare Maschine) oder Nanobots. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Nanotechnologien – Wie wir die Grundbausteine unserer Welt verändern können

2) → Experimente zur Nanotechnologie

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Videos:

1) → Was ist Graphen?

2) → Die Geschichte von Carbon Nanotubes

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Zusatzfolie:

Videos:

1) → Top 5 Nanotechnologie Erfindungen

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Aufgaben:

1. Fragen zum Video: "Top 5 Nanotechnologie Erfindungen" - Nenne die fünf Beispiele und erläutere sie jeweils kurz.
   

Aufgaben:

1. Schon sehr lange kennt man einen „besonderen Weg“ Glas rot zu färben. Wie funktioniert das?
2. Wann wurde das bereits von Glasbläsern genutzt?
3. Silber-Nanopartikel kann man auch selbst sehr leicht herstellen. Wie geht das?
4. Was ist der Tyndalleffekt und wofür kann man ihn einsetzen?
5. Was ist der Lotuseffekt und wo findet man ihn?
6. Wie lässt sich der Lotuseffekt in einem einfachen Versuch nachvollziehen?
7. Welchen Effekt haben Nanopartikel im Lack für ein Auto?
8. Wie lassen sich Oberflächen von Häusern oder Betonwände vor Verschmutzung schützen?
9. Im Film waren Leuchtdioden zu sehen die auf besondere Art angesteuert wurden. Wie funktionierte das?

Tyndall-Effekt 

Der Tyndall-Effekt [ˈtɪndl-] beschreibt die Streuung von Licht an weniger als 1 μm großen Schwebeteilchen in einem transparenten Medium, die Farberscheinungen hervorrufen, wenn sie kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, und das Medium weißlich trüb erscheinen lassen, wenn sie größer sind.

Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von ca. 400 bis 750 nm. Der Tyndall-Effekt tritt üblicherweise in Dispersionen¹ (Suspensionen²) mit Teilchengrößen von etwa 40 bis 900 nm auf. Licht längerer Wellenlänge (Rottöne) wird dabei weniger gestreut als kurzwelliges bläuliches Licht. Gerichtetes Licht erscheint dadurch in Richtung des Lichtstrahls eher rötlich, während das Streulicht quer zum Strahl eher bläulich wirkt.

Der Effekt ist nach seinem Entdecker John Tyndall benannt, der die Streuung von Licht in kolloiden ³ Lösungen untersucht hat. Als Messgerät dient ein Tyndalloskop.

Prinzip

Durch Streuung von Licht an kleinen Objekten deren Größe etwa der Wellenlänge des Lichts entspricht werden Strahlenbündel seitlich heraus gestreut. Dadurch wird der gesamte Lichtstrahl auch von der Seite her sichtbar. So nimmt man beispielsweise bei Sonnenschein im Dunst oder Nebel sogenannte Strahlenbüschel wahr oder sieht nachts die Lichtkegel (Tyndall-Kegel) von Scheinwerfern in Nebel oder Wolken.

Anwendungen

Optische Rauchmelder nutzen den Tyndall-Effekt, indem bei Anwesenheit von Rauch-Partikeln Licht aus einem Lichtbündel heraus auf einen lichtempfindlichen Sensor gestreut wird. Bei reiner Luft findet keine Streuung statt und der Sensor kann dementsprechend kein Streulicht detektieren. Ein Alarm wird ausgelöst, sobald das Sensorsignal einen definierten Schwellenwert überschreitet.

¹ Eine Dispersion zu lat. dispergere ‚verteilen‘, ‚ausbreiten‘, ‚zerstreuen‘ ist in der Kolloidchemie und in der Verfahrenstechnik ein heterogenes Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden.
² Eine Suspension (lateinisch suspendere ‚aufhängen‘, ‚in der Schwebe lassen‘) ist ein Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin fein verteilten Festkörpern (Partikeln).
³ Als Kolloide werden Teilchen oder Tröpfchen bezeichnet, die in einem Feststoff, Gas oder Flüssigkeit fein verteilt sind.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Nanotechnologien – Wie wir die Grundbausteine unserer Welt verändern können

2) → Nanobots werden Wirklichkeit - Roboter im eigenen Körper! - Science & Fiction

3) → GLOBALFOUNDRIES Fab 1 Dresden- Vom Sand zum Chip

4) → Herstellung von Prozessoren / CPUs / Chips / Transistoren (Animation)

5) → Bionik: Wie uns die Natur zu technischen Lösungen inspiriert | Watts On

6) → Wie sich Bionik die Natur als Vorbild nimmt

7) → Selbstorganisation und Nanotechnologie: Transregio 61

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Aufgaben:

1. Welchen Zusammenhang gibt es zwischen der Bionik und der Nanotechnologie?

2. Was versteht man unter "selbstorganisierenden Strukturen"?

3. Was ist ein "Nanobot" und ein "Nano-Auto" und welche Funktion sollen sie erfüllen?

4. Was ist ein "Wafer"?

5. Wie erreicht man bei der Herstellung von Mikroprozessoren die notwendigen Strukturen für die elektrischen Leiterbahnen? (Stichwort: "Fotolithografie" - Was ist das?)

6. Wie wird das Ergebnis und die Qualität von fertigen Prozessoren überprüft?

Videos:

1) → Wie gefährlich Nano wirklich ist | Mai Thi Nguyen-Kim

2) → Nanotechnologie-Unsichtbare Gefahr

3) → «Nano» in Produkten: mögliche Gefahren

Zusätzlich interessante Videos:

1) → Nanomedizin – Kleine Partikel, große Wirkung

2) → Nanopartikel – Der Weg vom Baustein zum Wirkstofftransportsystem

3) → Wie Nanomedizin das Immunsystem im Kampf gegen Krebs unterstützen kann

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Aufgaben:

Schau dir die drei Videos im Video-Ordner an ...

1) → Wie gefährlich Nano wirklich ist | Mai Thi Nguyen-Kim
2) → Nanotechnologie-Unsichtbare Gefahr
3) → «Nano» in Produkten: mögliche Gefahren

... und beantworte die Fragen:

1. In der Nanotechnologie spielen sehr kleine Teilchen eine wichtige Rolle. 
   a) Wie hängt die Teilchengröße hierbei mit der Oberfläche der Nanopartikel zusammen und welche Konsequenzen hat das? 
   b) In einem Video siehst du dies am Beispiel eines Eisennagels. Eisen kann aber auch als Eisenwolle vorliegen - was ist dann der Unterschied?
2. Medizinisch hat die Nanotechnologie als Beispiel ein sehr großes Potential. Welche neuen Möglichkeiten bietet die Nanotechnologie hier und was ist der Grund dafür? Warum ist die Nanotechnologie hier das richtige "Werkzeug"?
3. Die Frage nach den "gesundheitlichen Problemen der Nanotechnologie" ist nicht ganz allgemein zu beantworten. Was ist hierbei zu beachten? 
4. Bisher hat man nur wenige Probleme in Zusammenhang mit der Nanotechnologie nachgewiesen. Heißt das, dass es keine Probleme mit der Nanotechnologie gibt?
5. Welche Auswirkungen haben Nanopartikel im menschlichen Körper? 
6. Die Forschung im Bereich Nanotechnologie ist in vollem Gange. Wird hierbei immer auch auf die gesundheitlichen Auswirkungen geachtet? Worauf sollt bei begleitenden Untersuchungen geachtet werden?
7. Nanomaterialien können in die Luft "suspendieren". - Was ist damit gemeint und warum könnte das ein Problem sein?
8. "Die Dosis macht das Gift" - Was ist mit dieser Aussage gemeint?
9. Untersuchungen in Kläranlagen haben heute schon ein Problem mit Nanopartikeln gezeigt. Welche Nanopartikel sind das und wo kommen sie her?
10. Was ist der "Umweltrat der Bundesregierung"? und zu welchem Ergebnis sind sie bezüglich der Risiken der Nanotechnologie gekommen? - Nenne drei Empfehlungen des Umweltrates.
11. Eine sinnvolle Maßnahme beim Umgang mit der Nanotechnologie ist sicherlich die "Kennzeichnungspflicht". Was ist damit gemeint und wie ist die aktuelle Regelung diesbezüglich? Recherchiere.

Quarks

Das Quark-Modell wurde 1964 unabhängig voneinander von den Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig vorgeschlagen. Zu dieser Zeit gab es im sog. „Teilchenzoo“ eine Vielzahl von sehr kleinen Teilchen. Gell-Mann und Zweig postulierten, dass sie keine sogenannten „Elementarteilchen“ seien, sondern aus Kombinationen von noch kleineren Teilchen bestünden. (Als „Elementarteilchen“ bezeichnet man unteilbare subatomare Teilchen (innerhalb eines Atom), also die kleinsten bekannten Bausteine der Materie.) Der Vorschlag kam kurz nach Gell-Manns Formulierung eines Teilchen-Klassifizierungssystems aus dem Jahr 1961. Die anfängliche Reaktion der Physikgemeinde auf diesen Vorschlag war gemischt. Es gab insbesondere Streit darüber, ob das Quark eine bloße Abstraktion war, die verwendet wurde, um Konzepte zu erklären, die zu der Zeit nicht vollständig verstanden wurden.

Quarks sind fundamentale Bestandteile der Materie (Elementarteilchen). Sie verbinden sich zu zusammengesetzten Teilchen, sie werden nie isoliert gefunden, sondern nur in gebundener Form mit anderen Quarks. Hierzu gehören die Protonen und Neutronen, also die Bestandteile der Atomkerne.

Es gibt sechs Arten von Quarks: up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) und top (t). Diese können sich aber jeweils noch durch spezielle Eigenschaften voneinander unterscheiden. Es gibt also noch verschiedene „Versionen“ des Up-Quarks, des Down-Quarks, usw. Protonen und Neutronen sind aus Up- und Down-Quarks zusammengesetzt, den Quarks mit der mit Abstand geringsten Masse. Die schwereren Quarks treten nur in sehr kurzlebigen Verbindungen auf, die bei hochenergetischen Kollisionen (z. B. mit kosmischer Strahlung und in Teilchenbeschleunigern) entstehen. 

Masse
Die sechs Arten von Quarks haben sehr unterschiedliche Massen. Die Masse von Up- und Down-Quark unterscheiden sich nur wenig; das Top-Quark ist mit großem Abstand schwerstes Quark und ist ca. 80000 Mal schwerer als das Up-Quark. Die drei Quarks mit der geringsten Masse (d, u, s) werden summarisch als „leichte Quarks“ bezeichnet.

Größe
Die Größe von Quarks kann man sich anschaulich nur schwer vorstellen, sie werden als punktförmig betrachtet, also mit der Größe "Null". Sie haben also keine räumliche Ausdehnung. Bislang konnten keine Hinweise für eine von Null abweichende Größe gefunden werden. 
Quarks sind nach heutigem Wissensstand elementar. Es gibt zwar Überlegungen, dass Quarks aus „noch elementareren“ Bausteinen zusammengesetzt sein könnten, die ursprünglich auch als elementar galten. Dies ist aber reine Spekulation; es gibt keinerlei experimentelle Hinweise auf eine Substruktur.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Fundamentale Wechselwirkungen

Eine fundamentale Wechselwirkung ist einer der grundlegend verschiedenen Wege, auf denen physikalische Objekte (Körper, Felder, Teilchen, Systeme) einander beeinflussen können. Es gibt die vier fundamentalen Wechselwirkungen Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung. Sie werden auch als die vier Grundkräfte der Physik oder als Naturkräfte bezeichnet.

Einzeln oder in Kombination bringen die vier fundamentalen Wechselwirkungen sämtliche bekannten physikalischen Prozesse hervor, seien es Prozesse zwischen den kleinsten Teilchen die wir kennen (den Elementarteilchen) oder zwischen Materie im größten Ausmaß das wir uns vorstellen können, sei es auf der Erde, in Sternen oder im Weltraum.

Allerdings ist anzumerken, dass dieses einfache Bild, das etwa um die Mitte des 20. Jahrhunderts herausgearbeitet wurde, nach neueren Entwicklungen zu modifizieren ist. Hier ist das letzte Wort mit Sicherheit noch nicht gesprochen!

Gravitation

Die Gravitation, auch Schwerkraft genannt, wurde im 17. Jahrhundert von Isaac Newton als Naturkraft identifiziert und mathematisch beschrieben. Sie geht von jedem Körper mit Masse aus und wirkt anziehend auf alle anderen Massen. Sie nimmt mit der Entfernung ab, lässt sich nicht abschirmen und hat eine unendliche Reichweite. Die Gravitation ist die vorherrschende Wechselwirkung zwischen den Planeten und der Sonne und somit die Ursache für die Gestalt des Sonnensystems.

Elektromagnetische Wechselwirkung

Mit der elektromagnetischen Wechselwirkung lassen sich die Phänomene der Elektrizität, des Magnetismus und der Optik gleichermaßen beschrieben. Die Kräfte, die sie auf magnetische oder elektrisch geladene Körper ausübt, können vom Menschen direkt wahrgenommen werden. Wie die Gravitation hat die elektromagnetische Wechselwirkung eine unendliche Reichweite. Sie wirkt aber je nach Vorzeichen der elektrischen Ladung anziehend oder abstoßend und lässt sich deshalb im Gegensatz zur Gravitation abschirmen.

Schwache Wechselwirkung

Die auch als schwache Kernkraft bezeichnete schwache Wechselwirkung wurde 1934 von Enrico Fermi als fundamentale Wechselwirkung entdeckt und beschrieben. Sie hat eine extrem kurze Reichweite und wirkt beispielsweise zwischen den Quarks. Die schwache Wechselwirkung kann vom Menschen nicht direkt wahrgenommen werden, bewirkt aber z. B. radioaktive Zerfallsprozesse oder aber auch unverzichtbare Zwischenschritte bei der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium, aus der die Sonne ihre Strahlungsenergie bezieht.

Starke Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung, auch starke Kernkraft genannt, bindet die Quarks aneinander. Sie ermöglicht den Zusammenhalt der Protonen und Neutronen im Atomkern. Damit bestimmt die starke Wechselwirkung die Bindungsenergie der Atomkerne und die Energieumsätze bei Kernreaktionen. Diese Energieumsätze sind typischerweise millionenfach größer als in der Chemie, wo sie von der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Atomhüllen herrühren. Als stärkste Grundkraft der Natur wurde die starke Wechselwirkung in den 1970er Jahren zutreffend beschrieben. Die genauen Mechanismen der starken Wechselwirkung sind noch immer Gegenstand aktueller Forschung.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Teilchenzoo: Quarks - Bausteine der Atomkerne

2) → Harald Lesch • Die 4 Grundkräfte | Kosmologie (9)

3) → 06D Was sind die vier Grundkräfte ?

4) → Materie besteht nicht aus Materie | Harald Lesch

5) → Alpha.Centauri.-.153.-.Was.sind.Quarks

(Hinweis zu Video 4: Die Alpha-Centauri-Sendung beinhaltet bereits viele weiterführende Informationen und geht inhaltlich über die Thematik zur Folie [07] in vielen Bereichen hinaus)

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Aufgaben:

1. Was sind Quarks?
2. Welche Quarks gibt es?
3. Was ist ein Gluon und warum heißt das so?
4. Elektronen und Protonen sind "geladen". Man unterscheidet die positiven und negativen Ladungen. Welche Ladungen haben Quarks und wie beschreibt man sie?
5. Wie hat man die Quarks eigentlich überhaupt gefunden?
6. Fundamentale Kräfte (Wechselwirkungen):
   a) Nenne die vier fundamentalen Kräfte.
   b) Nenne zu jeder der vier fundamentalen Kräfte ein Beispiel für ihre Anwendung. Was "bewirkt" die jeweilige fundamentale Kraft?
7. Welchen Grundsatz gibt es in der Natur und was versteht man unter "Bindungsenergie"?
8. Atome sind sehr kleine Bausteine aus denen wie Welt besteht. Woher kommt der Begriff "Atom" eigentlich und wer hat ihn geprägt? 
9. Was versteht man unter "Elementarteilchen"? Was dachten die alten Griechen vor über 2000 Jahren und wie und warum hat sich hier der Kenntnisstand seit damals verändert?
10. Ernest Rutherford führte 1911 Streuversuche an Atomen durch und stellte sein Rutherfordsches Atommodell auf (Atome bestehen aus einem positiven (sehr kleinen) Kern und der Elektronenhülle). Ein Atomkern ist zusammengesetzt aus lauter positiven Protonen (und Neutronen). Man wunderte sich sehr über die Ergebnisse seiner Streuversuche! 
    a) Welches grundlegende Problem tauchte hier bei der Erklärung für den Aufbau des Atomkerns auf?
    b) Um das Problem zu lösen, musste man die Modellvorstellung erweitern! Wie tat man das, um den Aufbau des Atomkerns zu begründen?

Videos:

1) → Die Physik Einsteins - Teil 1: Der Photoeffekt (mit Harald Lesch)

2) → Welle oder Teilchen? Was genau ist Licht

3) → Der Welle-Teilchen-Dualismus

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Aufgaben:

1. Was ist der Photoeffekt und was wollte man beim Photoeffekt zunächst im Versuch erreichen?
2. Welche besondere Idee bezüglich der Vorstellung von Energie liegt dem Photoeffekt zugrunde?
3. Im Video zum Photoeffekt wurde ein Versuch mit verschiedenen Farben gezeigt. Eine Metalloberfläche wurde dabei mit verschiedenen Lampen beleuchtet. Was konnte man dabei feststellen? Beschreibe den Versuch und die Konsequenz, also das Ergebnis.
4. Welche Bedeutung hat der Photoeffekt in unserem Alltag? Welche wichtige Anwendung hängt damit zusammen?
5. Licht kann man sich (siehe auch: zweites Video) in drei Modellen vorstellen. Nenne die drei Modellvorstellungen und beschreibe das jeweilige Modell an einem Beispiel.
6. Welche Vorstellung hatte man im Verlauf der Zeit vom Licht? Nenne vier wichtige Modellvorstellungen, den Zeitraum und deren Schöpfer)
7. Welchen Versuch führte der Physiker Wilhelm Hallwachs (Video: Der Welle-Teilchen-Dualismus) durch und was war das wichtige Ergebnis dabei?
8. Welche wichtigen Resultate kann man zum Photoelektrischen Effekt zusammenfassen? Nenne drei wichtige Resultate.

Spektroskopie

Spektroskopie bezeichnet physikalische Untersuchungsmethoden, bei denen die von einem Körper ausgehende Strahlung nach einer bestimmten Eigenschaft wie Wellenlänge, Energie oder Masse analysiert wird. Die Strahlung enthält viele Informationen, allerdings sind diese zunächst „unsortiert“ und deshalb schwer „auszulesen“. Das verwendete Messgerät (Spektrometer) entschlüsselt die Informationen, dabei werden bestimmte Anteile der Strahlung mit unterschiedlichen Intensitäten gemessen. Die Intensitätsverteilung liefert dann wertvolle Informationen über die Quelle der Strahlung und wird als „Spektrum“ bezeichnet.

Ein wichtiges Beispiel ist das Licht. Ein Spektrometer kann beispielsweise das weiße Licht der Sonne in die „Regenbogenfarben“ zerlegen. Hier wird Licht als „Welle“ untersucht. Jede Farbe ist dabei aber mit unterschiedlicher Intensität vorhanden. Das Spektrum des Sonnenlichts beinhaltet durch die Intensitätsverteilung der verschiedenen Farben Informationen über die Lichtquelle, also die Sonne selbst. Das Spektrum des Lichts einer Quecksilber-Dampflampe zeigt bei bestimmten Wellenlängen (=Farben) eine hohe Intensität. Diese Verteilung lässt auf dieses spezielle Element rückschließen. Bei der Analyse von sichtbarem Licht spricht man dann von visueller („visuell“ – sichtbar) Spektroskopie. Die visuelle Betrachtung optischer Spektren führte erstmals Isaac Newton im 17. Jahrhundert durch. Er entdeckte die Zusammensetzung des weißen Lichts aus Spektralfarben. 

Die untersuchten Strahlungen umfassen den gesamten Bereich der elektromagnetischen Wellen wie z.B. sichtbares Licht oder auch nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung wie Infrarot- oder UV-Strahlung. Aber auch die mechanischen Wellen wie Schall und Wasserwellen, sowie Teilchenstrahlen z. B. aus Elektronen, Atomen oder Molekülen werden untersucht. 

Das Energie- oder Wellenlängenspektrum von Wärmestrahlung liefert beispielsweise ein breites Maximum, an dessen Lage man auch die Temperatur des strahlenden Körpers ablesen kann. Hingegen zeigt das von Atomen ausgesandte oder absorbierte Licht nur an ganz bestimmten „Stellen“ (Wellenlängen) eine hohe Intensität. Man bezeichnet das als „Linienspektrum“, an dem man einzelne chemischen Elemente eindeutig identifizieren kann. 

Weiterhin sind auch Schwingungen von Molekülen Gegenstand von spektroskopischen Untersuchungen. Mit Hilfe des Spektrometers lassen sich sogenannte „Resonanzfrequenzen“ bestimmen. Bei diesen Frequenzen wird von einem Stoff die Energie besonders effektiv aufgenommen. Daraus lassen sich dann Informationen über den Stoff gewinnen. Die Informationen liefert dabei Strahlung im sichtbaren Bereich, aber auch im nicht sichtbaren (infraroten und ultravioletten) Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Hier wird dann auch berücksichtigt, dass sich Licht sowohl als Welle, wie auch als Teilchen „verhält“.

Auch Massen von Atomen können spektroskopisch untersucht werden. Mit einem Massenspektrometer werden die Massen der in einem Stoff vorhandenen Moleküle untersucht oder gegebenenfalls auch die Massen ihrer Bruchstücke anzeigt. Massenspektrometer werden bei chemischen Analysen routinemäßig zum Nachweis von Beimengungen fremder Stoffe in geringster Konzentration eingesetzt.

Spektroskopische Untersuchungen von Atomen und Molekülen gaben entscheidende Impulse für die Entwicklung der Atomphysik und Quantenmechanik. Die hohe Präzision, mit der viele ihrer Spektrallinien gemessen werden können, erlaubt u. a. die genaue Überprüfung von Naturgesetzen, die Bestimmung von Naturkonstanten und die Definition der Basiseinheiten Meter und Sekunde.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Spektroskopie

2) → Schwingungen und die Resonanzkatastrophe (mit Tacoma Narrows Bridge)

  2b) → Wine glass resonance in slow motion

3) → IR-Spektroskopie (Teile des Videos gehen sehr tief ins Thema - Expertenwissen!)

4) → Spektroskopie - Sternenlicht zerlegen

5) → How does a spectrophotometer work?

6) → Chemistry Visualizations: IR-Spektroskopie mit ATR

7) → Types of Molecular Vibrations in IR Spectroscopy

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Aufgaben:

1. Was ist ein "Spektrum"?
2. Mit Hilfe der "Spektroskopie" kann man z.B. Informationen über weit entfernte Sterne erhalten. Welche Informationen sind das und wie funktioniert das?
3. Nanotechnologie behandelt die ganz kleinen Dinge. Wieso wurde hier in Aufgabe 2 von der Astronomie gesprochen (also den ganz großen Dingen in unserem Universum) und wie hängt das zusammen? 
4. Was bedeutet die Abkürzung "IR" und was ist die umgangssprachliche Bezeichnung für "IR-Strahlung"?
5. Welche Wellenlänge hat die IR-Strahlung bei der IR-Spektroskopie?
6. Erkläre den Begriff "Resonanz".
7. Was ist eine "Resonanzkatastrophe"? Erläutere den Begriff und nenne das berühmte Beispiel aus dem betreffenden Video.
8. Was bewirkt die IR-Strahlung bei der Bestrahlung auf ein Atom?
9. Auf Folie (09) ist in der Abbildung die Funktionsweise der IR-Spektroskopie schematisch dargestellt. Erläutere die Abbildung und die Funktionsweise.
10. Moleküle können auf sehr unterschiedliche Art schwingen. Wir unterscheiden zwei grundsätzlich verschiedene Varianten. Zähle sie hier auf. (Siehe Folie 10)​

Videos:

1) → UV VIS Spektroskopie

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Videos:

1) → Erfolgreiche Auswertung einer EDX Analyse von einem Mineral

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Aufgaben:

1. Was bedeutet UV-VIS?
2. Beschreibe kurz die Vorgehensweise bei einer UV-VIS-spektroskopischen Untersuchung.
3. Was bedeutet EDX? 
4. Welche Aussage liefert eine EDX-Spektroskopie?

Videos:

1) → Die Welt der Atome

2) → Nanotechnologie: Wissenschaft der Zukunft oder moderne Alchemie? (NZZ Format 1999) [STM und AFM]

3) → Das Rastertunnelmikroskop

4) → Rastertunnelmikroskop: JohanneumSTM (Schulprojekt) (deutsche Version)

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Aufgaben:

1. Was versteht man unter „Lichtmikroskopie?“
2. Wie groß sind die kleinsten sichtbaren Strukturen bei der Lichtmikroskopie?
3. Wer hatte das STM erfunden?
4. Ein wichtiger Bestandteil des STM ist die Messspitze. Was ist das und wie groß ist der Abstand zur Probe?
5. Was wird bei der STM-Mikroskopie eigentlich gemessen um Informationen über die Oberfläche einer Probe zu erhalten?
6. Es gibt zwei „Mess-Moden“ wie heißen sie und wie funktionieren sie?
7. Warum muss die Probe bei einer Untersuchung normalerweise gekühlt werden?

Videos:

1) → Das Rasterkraftmikroskop

2) → Wie funktioniert STM, TEM, SEM & AFM Mikroskopie? [Compact Physics]

3) → Das magnetische Rasterkraftmikroskop, Teil 1

4) → 3DIT | Rasterkraftmikroskopie (AFM) von Zeiss

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Videos:

1) → Videos aus dem Rasterelektronenmikroskop

2) → Wie ein Elektronenmikroskop das Unsichtbare sichtbar macht

3) → Wie ein Elektronenmikroskop funktioniert - Winzlingen auf der Spur - Planet Schule - SWR

4) → Das Rasterelektronenmikroskop

5) → Was lebt in deinem Bett? Mikroskop im Einsatz REM - Rasterelektronenmikroskop | Phil's Physics

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Aufgaben:

1. Was ist ein „Cantilever“? Erläutere anhand einer Skizze und beschreibe dir Funktion.
2. Ein AFM kann grundsätzlich in zwei verschiedenen Betriebsmoden eingesetzt werden. Welche beiden Betriebsmoden sind das und was ist der Unterschied dabei?
3. Welchen Vorteil hat ein Rasterkraftmikroskop (AFM) gegenüber einem Rastertunnelmikroskop (STM)?
4. Nenne die wichtigsten Bestandteile eines Rasterelektronenmikroskops (REM).
5. Zur Untersuchung mit einem Rasterelektronenmikroskop wird die Probe zunächst vorbereitet. Was wird dabei gemacht?
6. Aus welchem Grund muss die Probe beim REM in einer Vakuumkammer untersucht werden?
7. Zwischen einem Rasterelektronenmikroskop und einem herkömmlichen Lichtmikroskop gibt es Unterschiede und Gemeinsamkeiten. Nenne jeweils zwei Beispiele.
8. Es können auch chemische Untersuchungen mit dem REM vorgenommen werden. Welchen Vorteil bietet das REM dabei?

Videos:

1) → Transmission Electron Microscope TEM demo session

2) → Transmission Electron Microscopy (TEM) basics

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Dieser Text basiert auf dem Artikel Nanotechnologie aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Dieser Text basiert auf dem Artikel Tyndall-Effekt, Kolloid, Dispersion_(Chemie), Suspension_(Chemie) und Licht aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Dieser Text basiert auf den Artikeln Katalysator, Katalyse, Photokatalyse und Wilhelm_Ostwald aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Dieser Text basiert auf den Artikeln Quark (Physik), Elementarteilchen und Proton aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Dieser Text basiert auf dem Artikel Fundamentale Wechselwirkungen aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Dieser Text basiert auf den Artikeln Spektrometer, Infrarotspektroskopie und Spektroskopie und den Abbildungen Abbildung des Spektrums der HQ-Lampe (gemeinfrei) und Abbildung: Elektromagnetisches Spektrum aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Hintergrundbild: Eigenes Bild (A. Rueff)