11. – 13. Schuljahr

Michael Rode

Quantenobjekte mit Ruhemasse zuerst

Beschreibung eines erprobten Unterrichtsgangs

Die Unterrichtseinheit Quantenphysik schließt an meiner Schule direkt an den Unterricht über Interferenz und Licht an. Ganz am Anfang steht die Auseinandersetzung mit Interferenz bei Quantenobjekten mit Ruhemasse. Erst sehr spät wird das Photon eingeführt, Experimente zum lichtelektrischen Effekt stehen fast am Ende der Unterrichtseinheit. Abbildung 1 stellt den Unterrichtsverlauf (im Uhrzeigersinn) in kompakter Form dar.
Lernvoraussetzungen
In meinem Unterricht ist die Zeigerdarstellung ein wesentliches Element der Vernetzung (s. dazu auch den entsprechenden Beitrag). Daher führe ich sie bereits bei der Behandlung von Schwingungen ein und benutze sie im Zusammenhang mit Wellen durchgehend. Eine frühe Einführung hat neben der Vernetzung den weiteren wichtigen Vorteil, dass beim Einstieg in die Quantenphysik nicht mehrere neue Elemente zur gleichen Zeit erarbeitet werden müssen, sondern das wesentliche Werkzeug schon angemessen bekannt ist.
Die Lernenden sollten beim Einstieg in die Quantenphysik über folgende Kenntnisse und Fertigkeiten verfügen (in Anlehnung an das Kerncurriculum Physik für die Oberstufe am Gymnasium in Niedersachsen auf meinen Unterricht hin ausformuliert): Sie ...
  • verwenden die Zeigerdarstellung zur Beschreibung von harmonischen Schwingungen und von Wellen,
  • erkennen in grundlegenden Experimenten mit Ultraschall, Mikrowellen und Licht das Vorliegen von Superposition, auch am Michelson-Interferometer,
  • beschreiben je ein Experiment zur Bestimmung der Wellenlänge von Ultraschall bei stehenden Wellen, Schall mit zwei Sendern, Mikrowellen mit dem Michelson-Interferometer sowie weißem und monochromatischem Licht mit einem Gitter,
  • bestimmen die resultierenden Zeiger in diesen Experimenten durch Zeigeraddition.
Grundlegendes zur Einführung in die Zeigerdarstellung findet sich in [1].
Zu den wesentlichen Experimenten gibt es sowohl Aufgabenmaterial als auch dynamische Geometrie-Dateien, die auf Wunsch beim Verfasser abgerufen werden können.
Unterrichtsskizzen
1. Neutronenbeugung und de-Broglie-Relation
Ziele: Die Lernenden erkennen, dass auch massereiche Objekte zur Interferenz gebracht werden können. Sie erschließen aus Messdaten die de-Broglie-Relation.
Zeitbedarf: etwa 3 Unterrichtsstunden
Verlaufsskizze: Der Unterricht beginnt mit einer Lernaufgabe, die inhaltlich Kasten 2 im fachlichen Basisartikel entspricht. Das zugrundeliegende Experiment [2] ist besonders gut geeignet, weil es eine einfache Doppelspalt-Anordnung enthält, die so gut dokumentiert ist, dass die Lernenden auf der Grundlage ihrer Kenntnisse vom Licht dem Phänomen selbstständig eine Wellenlänge zuordnen können. Erst nach Bestimmung der Wellenlänge wird mitgeteilt, dass es sich um ein Experiment mit Neutronen handelt. Aus der Beschriftung der Hochachse in Verbindung mit den Abmessungen der Apparatur und der Geschwindigkeit der Neutronen kann man dann entnehmen, dass zu jedem Zeitpunkt nur höchstens ein Neutron in der Apparatur unterwegs ist. Ausdrücklich erwünscht ist, dass an dieser Stelle mehr Erstaunen und Fragen als sichere Deutungen auftauchen!
An geeignetem Material wird anschließend die Abhängigkeit der Wellenlänge von der Geschwindigkeit der Neutronen untersucht. Das Ergebnis wird mit der de-Broglie-Gleichung verglichen.
Experimente stehen nicht zur Verfügung. Das Material ist aber so gut vergleichbar mit Doppelspaltexperimenten und so gut dokumentiert, dass ein Originalexperiment kaum Vorteile bieten wüde.
Anknüpfungen: Das Experiment kann später, in der Kernphysik, wieder aufgegriffen werden, wenn es um das Prinzip des Detektors mit seiner bor-haltigen Füllung geht. Das Prinzip der Detektion sehr enger Interferenzmuster kann beim Experiment zur Interferenz von Gamma-Photonen (s. Versuchskartei) wiedererkannt werden.
2. Interferenz bei Fullerenen und Elektronen
Ziele: Die Lernenden interpretieren die...

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