Mikroskop sił atomowych - część 2. Zasada działania mikroskopu sił atomowych

Na poziomie mikroskopowym oddziaływać mogą między sobą również cząsteczki oraz większe struktury materiałów, jak na przykład domeny magnetyczne w ferromagnetykach. Dzięki temu możliwe jest wyposażenie urządzenia w taką głowicę, która pozwoli na wykorzystanie wybranego zjawiska fizycznego w celu zbadania budowy próbki. Końcówka standardowej głowicy, jeśli jest wykonana bez wad, ma zazwyczaj rozmiar 1…2 atomów i jako taka może być przyciągana lub odpychana przez pojedyncza atomy lub cząsteczki. Mierząc odchylenie głowicy od jej normalnego położenia, uzyskamy informację o strukturze powierzchni badanej substancji i jej budowie atomowej. Jeśli natomiast chcemy zbadać strukturę domen magnetycznych, powinniśmy użyć głowicy namagnesowanej. 

1. Oddziaływanie elektrostatyczne dwóch atomów jest wypadkową oddziaływań
pomiędzy wszystkimi cząstkami elementarnymi budującymi te atomy

2. Końcówka głowicy (zazwyczaj pojedynczy atom) oddziałuje z atomami powierzchni materiału.
Jest ona przez nie przyciągana lub odpychana, co pozwala na mapowanie powierzchni próbki

Budujemy model mikroskopu sił atomowych

W celu dokładniejszego zrozumienia zasady działania mikroskopu sił atomowych można posłużyć się wykonanym przez uczniów modelem. Ponieważ budowa modelu wymaga nieco czasu oraz pomysłowości, najlepiej wykonać go na zajęciach pozalekcyjnych a na lekcji jedynie ograniczyć się do demonstracji i omówienia samej istoty zjawisk leżących  podstaw działania tego urządzenia.

Do wykonania modelu potrzebny będzie statyw, na którym zamocujemy ruchome ramię. Na jednym końcu ramienia powinna znaleźć się głowica, na drugim - pisak. Przyda się również papier milimetrowy, ewentualnie zwykły papier w kratkę. Niezbędny będzie również model badanego materiału. W łatwy sposób można go zrobić z kawałka deski lub sklejki oraz plastikowych nakrętek przymocowanych plasteliną lub klejem termicznym. Przykładowy schemat takiego zestawu został zaprezentowany na rysunku 3.

3. Schemat modelu mikroskopu sił atomowych.
Uwaga: pisak jest zamocowany w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny, w której porusza się głowica

Warto zwrócić uwagę na jeden szczegół - papier powinien przesuwać się razem z próbką (można skonstruować wspólną prowadnicę), aby zapisały się na nim zmiany położenia głowicy w czasie. Można również nałożyć osłonę na próbkę, aby uczniowie nie widzieli jej w trakcie ćwiczenia, a jej strukturę odtworzyli wyłącznie na podstawie uzyskanego zapisu.

Ciekawostka

Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół niego elektronów.

W bardzo uproszczony sposób można sobie zatem wytłumaczyć, że siła przyciągania elektrostatycznego między elektronem a jądrem pełni funkcję siły dośrodkowej, utrzymując elektron na stałej orbicie. Jaka jednak siła utrzymuje razem jądro atomowe, zbudowane z dodatnich protonów i pozbawionych ładunku elektrycznego neutronów?

Otóż za trwałość jądra odpowiedzialne są siły oddziaływania jądrowego, które mają charakter wyłącznie przyciągający i na małych odległościach (rzędu rozmiaru protonu) są o wiele silniejsze niż odpychania elektrostatycznego.

Dla nauczyciela

Materiał z niniejszego artykułu można wykorzystać na lekcjach fizyki w szkole ponadpodstawowej do realizacji poniższych punktów podstawy programowej.

Szkoła ponadpodstawowa, zakres rozszerzony

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
10. przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia, korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg [...];
20. tworzy modele fizyczne lub matematyczne wybranych zjawisk i opisuje ich założenia […]. 

Joanna Borgensztajn

Odpowiedź do zadania
Za pomocą światła o podanej długości fali zaobserwujemy długopis (światło odbija się od niego), a  na podstawie obrazu interferencyjnego ustalimy strukturę ścieżek na płycie CD. Pozostałe obiekty mają zbyt małe rozmiary, aby zostały zaobserwowane w świetle widzialnym.

Zobacz także:

Mikroskop sił atomowych. Zobaczyć atomy - część 1