11. – 13. Schuljahr

Michael Barth

(M)Ein Kurs Quantenphysik

Mit Experimenten zu einem Verständnis der Quantenphysik

Die Schülerinnen und Schüler sollen neben der Vorbereitung auf die Abiturprüfung Grundideen der Quantenphysik, ihre speziellen Denk- und Argumentationsweisen erfassen, auch im Sinne von Allgemeinbildung, ferner die experimentellen Fähigkeiten weiterentwickeln. Sie sollen nicht darin ausgebildet werden, quantenphysikalische Probleme selbstständig zu lösen, schon gar nicht mathematisch.
Die Erarbeitung schließt an den Vorunterricht in Wellenoptik direkt an und nutzt auch historische Zugänge, insbesondere thematisiert sie Lichtmodelle und deren Fortentwicklung, die sich aus experimentellen Ergebnissen ergab (s. [2]). Ein voll entwickeltes elektromagnetisches Lichtmodell, wie es in [5] dargestellt ist, wird zielgerichtet zum quantenphysikalischen Modell (später unter Einschluss von Elektronen und anderen Quantenobjekten) weiterentwickelt. Diese Modellerweiterung durchzieht den Unterricht als roter Faden.
Im Vorunterricht wurde dafür durchgängig das Wechselspiel von Theorie und Experiment thematisiert und die Lerngruppe generell mit prozessbezogenen Kompetenzen vertraut gemacht, wofür sich m.E. historische Zugänge besonders eignen (vgl. [7]). Trotzdem halte ich für die Quantenphysik einen historischen Zugang für ungeeignet, orientiere mich aber am historischen Erkenntnisweg.
Insgesamt ergeben sich als wesentliche Voraussetzungen aus dem Vorunterricht:
  • Schwingungen, Wellen, Interferenz, Licht (mit Zeigermodell);
  • Vertrautheit mit Schülerexperimenten, die selbstständig nach Bedienungsanleitungen und Literatur durchgeführt werden („Praktikum; vgl. [8]);
  • Vertrautheit mit den prozessbezogenen Kompetenzen (insb. mit der Präsentation und Diskussion von Experimentalergebnissen);
  • Modell und Modellerweiterung für Licht;
  • Vertrautheit mit unvollständigen Sets von Experimentalergebnissen und Erkennen von Lücken;
  • Vertrautheit mit Herleitungen [4].
Der dargestellte Kurs wurde von 2001 bis 2015 insgesamt neun Mal durchgeführt, mit 5, später 4 Wochenstunden, davon zweimal in einem Grundkurs mit deutlich reduzierten Anforderungen.
Im Folgenden wird ein 4-stündiger Leistungskurs skizziert, seine Struktur zeigt Abbildung 1 . Inhalte und Reihenfolge der Module variierten je Kurs etwas, bedingt durch Beiträge der Lerngruppe zur Erarbeitung und Diskussion, Zeitbudget und Klausurtermine. In diesem Beitrag beschreibe ich den 1. und 2. Teil genauer, die anderen beiden Teile nur kursorisch, da sie in den Basisartikeln angesprochen sind. Eine umfangreiche kommentierte Zusammenstellung von Unterrichtsmaterialien (Arbeitsblätter, Klausuren, Texte, Unterrichtsverlauf mit Zeitangaben etc.) kann für den Gebrauch im Unterricht per Mail beim Autor angefordert werden.
Die Erarbeitung basiert stark auf Experimenten (s. Kasten 1 und weiter unten).
Experimente zur Quantenphysik
Experimente zur Quantenphysik
Eine (erheblich umfangreichere und informativere) Version dieser Liste erhielten meine Kurse vor dem Praktikum; dort sind die Experimente auch näher charakterisiert. Aufgelistet werden Experimente, die Argumente für das Quantenmodell liefern und die man in Schulbuch und Internet recherchieren kann bzw. im Artikel „Experimente findet. Markiert sind mögliche Realexperimente für Praktikum bzw. Unterricht („Ex).
1.Strahlungsgesetz (Planck 1900) Ex
2.(äußerer) Fotoeffekt (Einstein 1905) Ex
3.Spektralanalyse (Kirchhoff/Bunsen 1860) Ex
4.Absorptionsspektrum (Kirchhoff/Bunsen 1859) Ex
5.Röntgenspektrum (Bragg 1913) Ex
6.Elektronenstoßversuch(Franck/Hertz ab1913) Ex
7.Röntgen-Bremsspektrum (Duane/Hunt 1915) Ex
8.Comptoneffekt (Compton 1923) Ex
9.Elektronenspin (Pauli 1924)
10.Elektronenbeugung an Kristallen(Davisson/Germer 1927) Ex
11.Elektronenbeugung an Spaltsystemen (Jönsson 1960) Originaltext
12.Paarbildung und Zerstrahlung (Joliot-Curie 1933)
13.Experiment von Taylor (Taylor 1909) Originaltext
14.Beugung von Licht und...

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