Quantenphysik / Mikroobjekte - Josef Leisen - Studienseminar für ...

I. Didaktischer Teil
1. Die Rolle des Doppelspaltexperiments in der Schulphysik
1.1 Der Einstieg in die Quantenphysik
Der Einstieg in die Quantenphysik über den Fotoeffekt hat Tradition. Als "Geburtstag" der
Quantenphysik gilt der 14. Dezember 1900, jener Tag, an dem Max PLANCK seine Ergebnisse
in der Sitzung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vortrug und im Zusammenhang
mit den Strahlungsgesetzen die Formel E=h f in Ansatz brachte. In seinem legendären
Aufsatz "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen
Gesichtspunkt" im Band 17 der Annalen der Physik des Jahres 1905 wandte Albert
EINSTEIN die Quantisierungsideen PLANCK's auf den Fotoeffekt an. Der Fotoeffekt begleitete
somit schon frühzeitig die rasante Entwicklung der Quantenphysik.
Bedingt durch die experimentellen Möglichkeiten, hin bis zur h-Bestimmung, entwickelte
sich der Fotoeffekt als der Standardeinstieg in die Quantenphysik der Schule. Das Experimentieren
mit freien Elektronen war weniger weit entwickelt, wenn man bedenkt, dass
MILLIKAN seine Öltröpfchen-Experimente zur Bestimmung der Elementarladung erst in
den Jahren um 1911 und später anstellte. Weitere experimentelle Vorteile begünstigten den
Zugang zur Quantenphysik über Licht. Licht lässt sich leicht mittels eines Prismas oder Gitters
auf eine Frequenz hin 'präparieren'. Durch die zwischenzeitlich gut entwickelte Physik
der Röntgenstrahlung erschlossen sich weitere experimentelle Möglichkeiten (Grenzwellenlänge),
denkt man an die Experimente von W.H. und L. BRAGG zur Streustrahlung (Bragg-
Reflexion) oder an die Experimente von Max von LAUE, W. FRIEDRICH und P. KNIP-
PING zur Kristallgitterbeugung von Röntgenstrahlen. Elektronen als Mikroobjekte wurden
historisch vornehmlich in gebundenen Zuständen, nämlich in der Atomtheorie der zwanziger
Jahre, erforscht. Mit freien Elektronen als Mikroobjekten wurde erst später im Verlaufe der
sich entwickelnden Beschleunigertechnik experimentiert.
Nach wie vor gibt es Gründe, den Einstieg in die Quantenphysik über den Fotoeffekt zu
wählen. Der neue Lehrplan ermöglicht dies durch Vorziehen des Bausteins Mikroobjekte III.
Gleichwohl gibt es inzwischen bewährte Alternativen mit hervorstechenden Vorzügen. So
bietet sich, angestoßen durch Feynman's Bücher, der Einstieg in die Quantenphysik über das
Doppelspaltexperiment an, sei es mit Licht oder Elektronen durchgeführt. Der Lehrplan legt
diesen Weg nahe, ohne aber andere auszuschließen.
1.2 Das Doppelspaltexperiment als didaktischer Alleskönner
"Das zentrale Geheimnis der Quantentheorie steckt im Doppelspaltexperiment." So schätzt
R. FEYNMAN die Rolle und Bedeutung des Doppelspaltexperiments ein. Das erklärt auch
die Tatsache, dass in seinen Büchern immer wieder auf das Doppelspaltexperiment Bezug
genommen wird. Im Blick auf den Unterricht stellen sich folgende Fragen:
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