Übersicht
Ziel:
Erkenntnis, dass Elektronen in einem Atom nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen können.
Leitfrage:
Licht und Elektronen haben sowohl Teilchen- wie Welleneigenschaften. Wie lässt sich das experimentell zeigen?
Zeitbedarf: 5 Lektionen
Das Modul beginnt mit einer kurzen Einführung in die Wellenlehre. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit den wichtigsten Begriffen vertraut machen, mit denen Wellen charakterisiert werden. Mithilfe von stehenden Wellen und der Erscheinung der Interferenz kommt es zur Erkenntnis, dass ein schwingungsfähiges System nur ganz bestimmte Schwingungszustände einnehmen kann.
Wie sich experimentell zeigen lässt, verhält sich Licht bei bestimmten Experimenten wie eine Wellenerscheinung, bei anderen hingegen wie ein Teilchenstrahl. Aus der Berechnung der Intensität gemäss den beiden Modellvorstellungen ergibt sich die Tatsache, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Photonen (Lichtteilchen; Teilchenmodell) in einem Beugungsexperiment (Wellenmodell) dem Quadrat der Wellenamplitude entspricht.
Ablenkung in einem Kathodenstrahlrohr sowie Beugungsexperimente beweisen den Teilchen- und Wellencharakter von Elektronen. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons (Teilchenmodell) in einem Atom entspricht dem Quadrat der Amplitude seiner Materiewelle (Wellenmodell).
Einsatz im Unterricht
Das Modul 1 «Wellen, Licht und Elektronen» ist die Grundlage für die Verwendung der drei weiteren Module. Die Kapitel 1 bis 4 müssen also von den S+S auf jeden Fall bearbeitet werden. Kapitel 5 enthält neben alphabetisch angeordneten Zeichen, Einheiten, Konstanten und Formeln zusätzliche Ergänzungen (einen Zeitungsartikel über Louis de Broglie sowie einige Zitate zur Quantenchemie). Die Schrödinger-Gleichung des Abschnitts 5.4 im Anhang ist in erster Linie für die Lehrpersonen als Hintergrundinformation gedacht. Im Modul 2 «Quantenchemie und chemische Bindung» taucht diese Gleichung nochmals im Anhang auf. Dort wird sie jedoch benützt, um die kinetische, potentielle und Gesamtenergie des Wasserstoff-Atoms im Grundzustand herzuleiten. Auch diese (umfangreichen) Rechnungen sind primär für die Hand der Lehrerinnen und Lehrer bestimmt, lassen sich aber auch, bei genügenden Kenntnissen der S+S, im Mathematikunterricht durchführen (fächerübergreifender Unterricht).
Unterrichtsmaterial
Das Unterrichtsmaterial zu diesem Modul ist umfangreich und muss eventuell teilweise in der Physikabteilung ausgeliehen werden. Genauere Details sind im Text ersichtlich.
Slinky-Feder, Gummiseil mit Exzenter-Antrieb, Streichinstrument, Kerze, Laser samt Dia mit Spalt und Loch, Material zum Fotoelektrischen Effekt (UV-Lampe, Kunststoff- und Glasstab, Elektroskop mit aufgesetzter Zinkelektrode, Glasscheibe), Kathodenstrahlrohr, Elektronenbeugungsrohr, Handspektrometer, Wasserstoff- und/oder Heliumröhre, Prisma
Als Ergänzung stehen eine Powerpoint-Präsentation sowie zusätzliche Übungen zur Verfügung.
