FP-Versuch

Optische Pinzette 1 2 3 4 5 6

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Inhaltsverzeichnis Vorbereitung.......................................................................................................................... 2 Hinweise: Mikroskopie und allgemeine Vorgehensweise .................................................... 2 Bestimmung des Auflösungsvermögens und der Vergrößerung........................................... 2 Justage / Einsatz des Lasers bei der Optischen Pinzette........................................................ 3 Materialien für die Versuche ................................................................................................. 4 Aufgaben ............................................................................................................................... 4 6.1 Probenpräparation ......................................................................................................... 4 6.2 Brownsche Bewegung .................................................................................................. 5 6.3 Optische Pinzette .......................................................................................................... 6 Literatur ................................................................................................................................. 6 Anhang .................................................................................................................................. 7 8.1 Maßstab zur Längenkalibrierung / Eichung der Vergrößerung bzw. zur Überprüfung des Auflösungsvermögens........................................................................................... 7 8.2 Aufbau und Strahlengang des Mikroskops Nikon Eclipse 200 (Quelle: Nikon).......... 8 8.3 Software-Hinweise zu Videoaufnahme, Konvertierung, Auswertung.......................... 9

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1 Vorbereitung ► Aufgabe 1: Erläutern Sie kurz mit eigenen Worten, ggf. anhand von Skizzen • Laserschutzbestimmungen • Funktionsweise eines Lasers, insbesondere eines Halbleiterlasers • Prinzip der Optischen Pinzette (einschließlich Kräfte im Lichtfeld, Stokessche Reibung, Steifheit ~ Kraftkonstante einer optischen Falle) • Strahlengang im Mikroskop, Funktion des Kondensors, Strahlengang im Luft- und Immersionsobjektiv •

Definieren Sie den Begriff Auflösungsvermögen

•

Erläutern Sie die Brownsche Molekularbewegung, nennen Sie die EinsteinSmoluchowski-Formel und erklären Sie die darin vorkommenden Größen.

► Bereiten Sie Aufgabe 4 vor. ► Aufgabe 2: Nach Beendigung der Versuche säubern Sie bitte alle benutzten Materialien, räumen den Arbeitsplatz auf und teilen Ihrem Betreuer oder dem FP-Techniker eventuell zu besorgende Gegenstände oder Chemikalien mit.

2 Hinweise: Mikroskopie und allgemeine Vorgehensweise •

Vor der Untersuchung unter dem Immersionsobjektiv sollten die Proben unter Luftobjektiven untersucht werden. Warum dürfen Proben mit Immersionsöl auf den Deckgläsern nicht unter ein Luftobjektiv gelegt werden? • Zur Dokumentation und Auswertung dynamischer Prozesse (z. B. Brownsche Bewegung, Manipulation mit optischer Pinzette) nehmen Sie Videos auf. Hierzu steht ein Rechner bereit, an den die CCD-Kamera des Mikroskops über USB angeschlossen ist. Hinweise zur Video- und Auswertungs-Software siehe Anhang 8.3. • CCD-Kamera Die CCD-Kamera ist über einen USB-Anschluss mit dem RCL1-Rechner verbunden. Mit Hilfe der Software „WinCam 2000“ lässt sich das Live-Bild der CCD-Kamera betrachten.

3 Bestimmung des Auflösungsvermögens und der Vergrößerung ► Aufgabe 3: Bestimmen Sie Auflösungsvermögen und Längenskalierung der jeweiligen Objektive mit Hilfe des Maßstab-Objektes und dokumentieren Sie die Ergebnisse. Hinweise zur Maßstab-Objekt und zur Längenkalibrierung unter den Mikroskopen siehe Anhang 8.3.

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RCL steht für remote-controlled lab (also ferngesteuertes Labor).

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4 Einsatz des Lasers bei der Optischen Pinzette ► Aufgabe 4: Schätzen Sie die Leistungsdichte des Lasers auf der Netzhaut ab, falls er direkt ins Auge gelangt. Vergleichen Sie das Ergebnis mit einem direkten Blick in die Sonne. Ziehen Sie daraus Schlussfolgerungen für die Versuchsdurchführung. Wichtige Gefahrenhinweise • • • •

Beachten Sie die Laserschutzbestimmungen! Nie in den Strahl blicken! Bereits das Streulicht des verwendeten 50 mW-Halbleiterlasers kann die Netzhaut des Auges zerstören! Legen Sie alle reflektierenden Gegenstände ab, die in den Strahl geraten könnten: Uhren und Schmuckstücke am Arm oder auch lange Ketten oder ähnliches. Vermeiden Sie, die Augen in Höhe des Laserstrahls (Strahlebene) zu bringen. Benutzen Sie bei eingeschaltetem Laser AUSSCHLIEßLICH die installierte CCD-Kamera.

Justage des Lasers ist in der Regel bereits erfolgt, da das Experiment außerhalb der Praktikumszeit als remote-controlled Lab (RCL) dient. Die Justage erfolgt NUR am Einkoppelspiegel mittels Drehschrauben (letzter Umlenkspiegel vor dem Mikroskop). Bei korrekter Justage sollte man einen kreisförmigen und gleichmäßig ausgeleuchteten Fleck auf einer Unterlage auf dem Objekttisch erkennen. Hierzu wird der Revolver durch Drehen auf eine Stellung ohne Objektiv gebracht. Alle anderen Komponenten auf dem optischen Tisch lassen, wie sie sind. Einsatz des Lasers Der im Versuch verwendete Laser wird über den angeschlossenen PC und mittels Steuersoftware für den remote-controlled Lab-Versuch (RCL) gestartet. Nach Einschalten des Lasers verlassen Sie das RCL durch Drücken der Windows-Taste und herunterfahren des RCLRechners. Schalten Sie ebenfalls das Netzteil zur Steuerung der Schrittmotoren aus. Der Laser kann nun über den Schalter an der Steckdosenleiste aus- und eingeschaltet werden. Vermeiden Sie, den Laser unnötig oft an- und auszuschalten. Er kann vollständig abgedeckt werden. Wählen Sie eine geeignete Abdeckung. Im Strahlengang direkt vor dem Laserausgang befinden sich zwei Graufilter (Neutraldichtefilter mit ND = 4 und 16), die zum Abblenden des Lasers in den Strahlengang geschwenkt werden können. Reflexe!

Trotz Abschwächung sind die Filter kein absoluter Augenschutz!

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5 Materialien für die Versuche

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Mikroskop Nikon Eclipse 200

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CCD-Kamera (siehe Anhang 8.3)

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Wattestäbchen (mit Äthanol tränken zum Reinigen der Objektträger von Klebstoffrückständen des Klebestreifens)

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Powermeter zur Laserleistungsmessung (ggf. in einer anderen Gruppe, z. B. NdYAB Laser, ausleihen.)

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Zahnstocher

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Äthanol

Objektträger Deckgläser Bechergläser Pipetten Peleusbälle Pinzetten Klebestreifen (Dokumentklebestreifen – Textilklebeband o. ä. ist nutzlos)

Skalpelle

Thermometer Linsenpapier Immersionsöl Nagellack Kleber (z. B. Sekundenkleber) Maßstab-Objekt Glaskügelchen als Pulver (Behälter mit Aufschrift „Aq“)

Petroleum

► Aufgabe 5: Überprüfen Sie am ersten Tag, ob alle für Ihre geplanten Versuche nötigen Materialien vorhanden sind. Falls nicht, fragen Sie Ihrem Betreuer oder den FP-Techniker.

6 Aufgaben 6.1 Probenpräparation Eine Spatelspitze Glaskugeln in ein Schraubglas geben, mit 50ml Wasser aufgießen, Glas verschließen und schütteln. Der saubere Objektträger wird mit einem, zwei oder drei Streifen Klebeband beklebt. Anschließend schneidet man mit einem Skalpell zwei bis drei „Fenster“ als Probenraum heraus, wobei die „Fenster“ deutlich kleiner sind als das Deckglas, das am Schluss der Präparation aufgebracht und mit Nagellack angeklebt wird (vgl. Abb. 1). Im Bereich des Probenraums ev. verbliebenen Klebstoff mit äthanolgetränktem Wattestäbchen entfernen. Wenn sich in der Glaskugelsuspension ein Teil der Kugeln absedimentiert hat (das sind im Wesentlichen die größeren Kugeln, die wir nicht brauchen können) und der obere Teil nur noch leicht getrübt erscheint, wird dort mit der Pipette entnommen. Stets Pipettierhilfe verwenden! Bringen Sie Glaskugelsuspension im ProAbb. 1: Vorbereitung des Objektträgers benraum auf. Deckglas auflegen und sanft (!) andrücken, für die Präparation der Glaskügelchenevtl. überschüssiges Wasser an den Rändern vorsichtig Suspension (Ansicht von oben). man mit Papier aufsaugen oder trocknen lassen. Das Deckglas beachte das Größenverhältnis Probensollte jetzt nicht mehr verrutschen können: Zur Fixierung raum-Deckglas. des Deckglases empfiehlt es sich zunächst, zwei gegenüberlegende Ecken mit je einem Tropfen Nagellack zu fixieren. Anschließend wird mit NaSeite 4 von 9

gellack versiegelt (Warum?), gegebenenfalls mehrmals. Gut aushärten und keinen Nagellack unter das Deckglas fließen lassen. Die so hergestellte Probe sollte für etwa 2 h brauchbar sein. Erweist sich die Probe als unbrauchbar, muss die Kugelsuspension (mehr Kugeln, mehr Wasser) oder auch die Anzahl Lagen Klebsteifen angepasst werden. Ein weiterer, häufiger Grund für Präparate, die unbrauchbar sind oder schnell nutzlos werden, ist mangelhafte Versiegelung der Probenkammer. Auch lineare, fast gleichförmige Bewegungen von Kugeln deuten auf ein schlechtes Präparat (Begründen Sie!).

6.2 Brownsche Bewegung ► Aufgabe 6: Untersuchen Sie die Probe mit Trockenobjektiv bei verschiedenen Vergrößerungen. Was können Sie beobachten? Geben Sie, wenn Ihre Präparation erfolgreich war, einen Tropfen Immersionsöl auf das Deckglas und legen Sie Ihr Präparat unter das Immersionsobjektiv. Immersionsöl ist zäh, daher sollten Sie den Objekttisch langsam nach oben/unten bewegen. Fokussieren Sie mittels Live-Bild der CCD-Kamera. Weisen Sie den gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen und Δt bei der Brownschen Bewegung nach. Verwenden Sie Glaskügelchen mindestens zweier verschiedener Größen (Filme mit Videoanalyse-Programm Viana auswerten). Nehmen Sie hinreichend lange Beobachtungsintervalle auf - für Wasser sowie Wasser mit Spülmittel (sehr wenig Spüli). Bestimmen Sie die Viskosität von • Wasser - Gruppe / Zweierteam am 26.-27.02.072 • Spülmittellösung - alle anderen Gruppen / Zweierteams² Hinweise für den Beginn der Auswertung: Analysieren Sie die Bewegung, indem Sie die Bewegung von Teilchen in der x-y-Ebene auftragen (Abb. 2), sowie als Funktion von Δt auftragen (Abb. 3)3.

Abb. 2: Bewegung von Brownschen Teilchen in der x-y-Ebene, nach [1]

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Abb. 3: Auswertung der Brownschen Bewegung eines Teilchens, abgetragen ist (in 10-12 m2) gegen t (in s), aus [2]

Wenn genügend Zeit bleibt bitte beide Messungen durchführen. Vgl. auch die Darstellungen in Demtröder Band 1 und 3.

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6.3 Optische Pinzette ► Aufgabe 7: Führen Sie die Versuche für Wasser und Spülmittellösung durch. Justieren Sie den Laserfokus (Verschieben des Objekttisches nach oben bzw. unten). Fangen Sie ein Kügelchen in der Größe des Laserfokus ein und bewegen Sie es mit Hilfe der optischen Pinzette (Schrauben am Einkoppelspiegel). Versuchen Sie dies mit größeren Kügelchen. Nehmen Sie jeweils Videos auf. Bestimmen Sie die Abreißkraft experimentell: Messen Sie die Geschwindigkeit, bei der Sie ein Kügelchen nicht mehr im Lichtfeld des Lasers halten können. Verwenden Sie hierfür zwei verschiedene Laserleistungen (wenn Sie genug Zeit haben). Messen Sie mit Hilfe eines Powermeters die Laserleistung am Ort des Fokus. Berechnen Sie die „Lichtkraft“. Welche Annahmen müssen Sie für eine solche quantitative Abschätzung machen? Welche Kräfte spielen eine Rolle, welche sind vernachlässigbar? Kalibrieren Sie die Längenskalen des Videobilds mit dem Maßstab-Objekt.

7 Wichtige Hinweise Hier einige wichtige Ratschläge und Anweisungen zur Durchführung des Versuchs. Bitte beachten. (Teils bereits genannt, aus gegebenen Anlass hier wiederholt.) • Es erfordert erfahrungsgemäß viel Zeit und auch Geduld (!) geeignete Präparate herzustellen. Planen Sie daher den Ablauf des Versuchs sorgsam. • Oft hat es sich bewährt, mit einem brauchbarem Präparat in unmittelbarer Folge sowohl die Versuchsteile zur Brownschen Bewegung als auch zur optischen Pinzette durchzuführen. Die Präparate werden nach einigen Stunden – oft auch schon eher – unbrauchbar. • Die Justage der optischen Pinzette erfordert Zeit. Die Pinzette ist zu Beginn bereits eingestellt. Sollte dies nicht der Fall sein, den Betreuer zu Rate ziehen. • ALLE Komponenten so lassen, wie sie sind, es sei denn, die Anleitung fordert dazu auf, sie zu verstellen. • Sorgsam und umsichtig arbeiten. • Optische Komponenten sachgerecht behandeln. Finger von den Linsen, die auf dem optischen Tisch stehen. Spiegel, Linsen usw. in Ruhe lassen. • Laserschutz beachten.

8 Literatur [1] J. B. Perrin : Les Atomes, Paris, Alcan, 1913. Reprint by Gallimard, 1970. Translation: Atoms, by D. L. Hammick, London, Constable; New York, Van Nostrand. [2] T. Greczylo, E. Debowska: Brownian Motion with Data Video, Proceedings of the 9th Workshop Multimedia in Physics Teaching and Learning (MPTL 9), Graz 2004.

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9 Anhang 9.1 Maßstab zur Längenkalibrierung / Eichung der Vergrößerung bzw. zur Überprüfung des Auflösungsvermögens Den Aufbau des Maßstab-Objekts zeigt folgende Abbildung: Die Zahlenangaben neben den Testfeldern entsprechen den Stegbreiten des Gitters in µm. Das Steg – Spalt – Verhältnis beträgt 1 : 3, demzufolge ist die Gitterkonstante das 4-fache der Stegbreite. Beispiel: Die auflösbare Ortsfrequenz ist also (4·X)-1, wobei X zwischen 0,2 μm und 3,0 μm liegt.

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9.2 Aufbau und Strahlengang des Mikroskops Nikon Eclipse 200 (Quelle: Nikon)

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9.3 Software-Hinweise zu Videoaufnahme, Konvertierung, Auswertung Alle im folgenden beschriebenen Programme sind auf dem zur Verfügung stehenden Rechner (WinXP) installiert. Das Live-Bild der CCD-Kamera wird mit der Software „WinCam 2000“ betrachtet (z. B. zur Justage, zur Farbkorrektur etc.). Die Aufnahme der Videos erfolgt mit „MS Moviemaker“ (Windows XP). Videos werden hierin nur im Format .wmv abgespeichert. Sie müssen zur Auswertung in .avi umgewandelt werden. Videos im wmv-Format lassen sich einfach mit dem freeware-Programm „Open Video Converter“ in avi-Format umwandeln. Hierbei gilt eine Zeiteinschränkung: maximal 1 min Videozeit. Das reicht für die Versuche hier (Brownsche Bewegung und Optische Pinzette) völlig aus. Nach Aufruf des Programms „Try“ drücken (vgl. Bild links). Anschließend lassen sich verschiedene Optionen einstellen („Output options“, vgl. Bild rechts).

(Hinweis: benötigt DirectX 9.0 und DivX Codec) Auswertung mit dem Videoanalyse-Programm „Viana“ Hinweise: eine automatische Analyse gelingt oft nicht leicht. Ggf. von Hand auswerten. Vor Benutzung die „Hilfe“ lesen.

Nach dem Programmaufruf erscheint die Startseite (Bild links). Bevor es weitergeht, muss man den avi-Film laden, anschließend sollte man manuelle Auswertung wählen (Bild rechts). Seite 9 von 9