Auf dieser Seite haben wir Unterrichtsmaterialien zum Thema Kernphysik zusammengestellt. Zu den vier Unterthemen "Kernaufbau und Kerneigenschaften", "Natürliche und künstliche Radioaktivität", "Kernreaktionen" und "Kernspaltung und Kernfusion" finden Sie jeweils kurze Beschreibungstexte sowie passgenaue Unterrichtsvorschläge. Kernphysik ist der Zweig der Physik, der Aufbau, Struktur und auftretende Wechselwirkungen von und in Atomkernen beschreibt. Sie unterscheidet sich von der Atomphysik , die sich mit den vielfältigen Abläufen in der Atomhülle und den darin enthaltenen (negativ geladenen) Elektronen beschäftigt. Einteilen kann man die Kernphysik in die Teilbereiche Kernaufbau und Kerneigenschaften, Radioaktivität, Kernreaktionen sowie Kernspaltung und Kernfusion. Kernaufbau und Kerneigenschaften Die mit energiereichen α -Teilchen durchgeführten Streuversuche des neuseeländischen Physikers Ernest Rutherford (1871–1937) brachten im Jahr 1911 zutage, dass Atome keine homogenen und unteilbaren Massekugeln sind, sondern aus einem positiv geladenen Atomkern (Durchmesser je nach Teilchenzahl in der Größenordnung von 10 -15 m) und einer negativ geladenen Atomhülle (Größenordnung von 10 -10 m) bestehen. Dieser Atomkern setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die man als Nukleonen bezeichnet. Deren Massen liegen in der Größenordnung von 10 -27 kg; die Protonen tragen eine positive elektrische Ladung , während die Neutronen keine elektrische Ladung besitzen. Experimente in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts mit Teilchenbeschleunigern zeigten, dass Protonen und Neutronen jeweils aus zwei noch kleineren Teilchen aufgebaut sind – den sogenannten Quarks , die ihrerseits nach Up-Quarks und Down-Quarks unterschieden werden. So besteht ein Proton aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, während ein Neutron aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks besteht. Mithilfe von Kernmodellen wie dem Potentialtopfmodell, Tröpfchenmodell und dem Schalenmodell werden die Abläufe im Atomkern unter Einbeziehung der Quantenphysik beschrieben. Natürliche und künstliche Radioaktivität Ein weites Feld bei der Beschreibung der Vorgänge im Atomkern nimmt die Radioaktivität ein. Die naturgegebene Radioaktivität tritt als radioaktive Strahlung – bis auf wenige Ausnahmen wie Kohlenstoff C-14 – bei schweren Atomkernen auf und kann vom Menschen nicht beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu ist es aber auch möglich Radionuklide (Atome gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl) durch Bestrahlung von Atomkernen mit Protonen, Neutronen oder Alphateilchen zu erzeugen – dann spricht man von künstlicher Radioaktivität . Radioaktivität tritt auf in Form von Alpha -, Beta- und Gamma-Strahlung und folgt dem radioaktiven Zerfallsgesetz . Mithilfe dieser Gesetzmäßigkeit können sowohl Altersbestimmungen nach der C-14 Methode oder der Uran-Blei-Methode als auch die Messung der Durchdringungsfähigkeit radioaktiver Strahlen durchgeführt werden. Die große Gefahr der radioaktiven Strahlung durch lebensbedrohliche Strahlungsdosen auf den Menschen ist in erster Linie der künstlichen radioaktiven Strahlung geschuldet – wie etwa durch Austritt von Radioaktivität bei Unfällen in Kernreaktoren (Tschernobyl 1986, Fukushima 2011) oder durch den Abwurf von Kernspaltungsbomben (im 2. Weltkrieg 1945 auf Hiroshima und Nagasaki) sowie ebenfalls zu Versuchszwecken bereits erfolgte Abwürfe von Wasserstoff-Fusionsbomben (zum Beispiel 1962 auf der russischen Insel Nowaja Semlja oder dem Bikini-Atoll etwa 3000 km nordöstlich von Neuguinea). Gleichzeitig macht die Nuklearmedizin mit verfeinerten und für den Patienten zusehens besser zu vertragenden Diagnose- und Therapiemethoden in Hinblick auf Anwendung radioaktiver Substanzen und kernphysikalischer Verfahren immer größere Fortschritte. So verfügt die nuklearmedizinische Diagnostik mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) sowie der Szintigrafie über Verfahren, die einen sehr präzisen Einblick in den menschlichen Körper erlauben. Zudem können in der Strahlenbehandlung von Krebspatienten – etwa durch die Protonen- und Schwerionentherapie – mittlerweile punktgenaue Strahlendosen auf den entarteten Tumor abgegeben werden, die das den Tumor umgebende Gewebe weitgehend verschonen können. Kernreaktionen Unter einer Kernreaktion versteht man einen physikalischen Prozess, bei dem ein Atomkern durch den Zusammenstoß mit einem anderen Atomkern oder einem freien Teilchen – wie etwa einem Neutron – entweder in mindestens ein neues Atom oder in freie Nukleonen umgewandelt wird. Dabei ändern Atomkerne durch Aufnahme oder Abgabe von Teilchen ihre atomare Zusammensetzung, wobei die Gesamtzahl der an der Reaktion beteiligten Nukleonen stets erhalten bleibt. Der radioaktive Zerfall zählt nicht zu den Kernreaktionen, weil in diesen Fällen die Reaktion nicht durch einen Zusammenstoß ausgelöst wird , sondern spontan – also nicht vorhersehbar – erfolgt. Kernspaltung und Kernfusion Zu den Kernreaktionen zählen sowohl der durch langsame Neutronen ausgelöste Prozess der Kernspaltung als auch der seit Jahrmilliarden in der Sonne bei Temperaturen von etwa 15 Millionen Grad ständig stattfindende Ablauf der Kernfusion . Bei beiden Formen tritt gemäß der Einsteinschen Masse-Energie-Äquivalenz ein sogenannter Massendefekt auf, der dazu führt, dass bei jedem der beiden Prozesse Energie freigesetzt werden kann. Während die im Jahr 1939 von Otto Hahn (1879–1968) und seinen Mitarbeitern entdeckte Kernspaltung in Deutschland bereits seit 1960 durch Kernreaktoren Energie liefert, befindet sich die Kernfusionstechnik auch im Jahr 2021 nach wie vor im Forschungsstadium. Im Gegensatz zur militärischen Forschung, die mit der Wasserstoffbombe (H-Bombe) schon Mitte des 20. Jahrhunderts eine vernichtende Fusionsbombe entwickelt hatte, ist es trotz der immens aufwendigen Forschungsreaktoren ITER, JET und Wendelstein bis heute noch nicht gelungen, die für die Fusion in einem Reaktor notwendigen Bedingungen bei Temperaturen von 100 bis 150 Millionen Grad für einen kommerziellen Reaktor zu realisieren.

Die Unterrichtseinheit zum Thema Kernspaltung gibt den Schülerinnen und Schülern ausgehend von ihrer Entdeckung bis zur großtechnischen Nutzung bei der Energieerzeugung einen Einblick in die komplizierten Abläufe kontrollierter Spaltungsvorgänge. Dabei kann die sensationelle Entdeckung durch Otto Hahn und sein Forschungsteam im Jahr 1938 nicht genug hervorgehoben werden. Ohne diese unter sehr einfachen Versuchsbedingungen gefundenen Zusammenhänge wären technische Anwendungen wie etwa Kernkraftwerke zur Energiegewinnung nicht denkbar. Nicht vergessen darf man allerdings die negativen Entwicklungen der Kernspaltung in Form von Massenvernichtungswaffen wie Atombomben. Mithilfe von Videos, Animationen und veranschaulichenden Abbildungen wird den Schülerinnen und Schüler der Vorgang der Kernspaltung nähergebracht, bevor man dann auf die physikalischen Einzelheiten anhand der Spaltung von angereichertem Uran-235 durch den Einfang langsamer Neutronen eingeht. Zunächst wird der Ablauf der Spaltung über das Zwischenprodukt Uran-236 mit den entstehenden Bruchstücken und den darauffolgenden radioaktiven Umwandlungen bis hin zu stabilen Endprodukten im Vordergrund stehen. Anschließend sind die Vorgänge zu besprechen, die eine kontrollierte Kettenreaktion ermöglichen und im Reaktor-Druckbehälter ablaufen. Kernspaltung als Thema im Physik-Unterricht Die Thematik "Kernspaltung und Energieerzeugung" wird bei vielen Schülerinnen und Schülern möglicherweise negativ behaftet sein aufgrund der vielfältigen öffentlichen Diskussionen und Berichterstattungen in den Medien hinsichtlich des nicht zu unterschätzenden Gefahrenpotenziales. Deshalb ist es besonders wichtig, den Lernenden genau aufzuzeigen, welche Vor- und Nachteile die Nutzung der Kernspaltung mit sich bringt. Im Unterricht sollten Lehrkräfte deshalb gut präpariert sein, um im Rahmen einer sicher aufkommenden kontroversen Diskussion auf kritische Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler sind vermutlich vorhanden - diese werden sich aber vor allem auf das Gefahrenpotenzial beim Betrieb von Kernreaktoren beschränken. Konkrete Kenntnisse zu den physikalischen Gegebenheiten sind jedoch nicht zu erwarten, weil dazu die konkreten physikalischen Abläufe kaum bekannt sein dürften. Didaktisch-methodische Analyse Bei der Behandlung des Themas sollte man darauf achten, dass die Gefährlichkeit der Energiegewinnung durch Kernspaltung weder verharmlost noch überbewertet wird. In Hinblick auf den Klimaschutz wird die Energieerzeugung durch Kernspaltung von der EU-Kommission als klimafreundlich bewertet. CO 2 -neutral ist Atomstrom jedoch keineswegs. "Die Treibhausgasemissionen sind größtenteils der Stromproduktion vor- und nachgelagert. Betrachtet man den gesamten Lebensweg – von Uranabbau, Brennelementherstellung, Kraftwerksbau und -rückbau bis zur Endlagerung – so ist in den einzelnen Stufen des Zyklus zum Teil ein hoher Energieaufwand nötig, wobei Treibhausgase emittiert werden." ( Umweltbundesamt ). Bis heute ungelöst und nur schwer einschätzbar sind die Emissionen für die Endlagerung. Das Thema Kernspaltung wird die Lernenden interessieren, wenngleich mit unterschiedlichen Ausgangspositionen. Die intensive Auseinandersetzung mit der Thematik setzt aber viel konkretes Wissen voraus, um das Für und Wider richtig einschätzen zu können. Deshalb ist die exakte Darstellung der Vorgänge im Unterricht sehr wichtig. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Vorgänge beim Ablauf einer Kernspaltung beschreiben und erklären. wissen, wie ein mit angereichertem Uran bestückter Kernreaktor funktioniert. Können das Für und Wider der Energiegewinnung durch Kernspaltung einschätzen und bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Nuklearwaffen lernen die Schülerinnen und Schüler die Funktionsweise von Kernspaltungs- und Wasserstoffbomben kennen. Ausgehend von der Darlegung der Entwicklungen nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938, recherchieren die Lernenden eigenständig zum Aufbau und zur Funktionsweise einer Plutoniumbombe sowie einer Wasserstoffbombe. Ziel der Einheit ist ebenso das Überblicken kurz- und langfristiger Folgen und Auswirkungen nach Atombombenabwürfen.Das Wissen um die Vorgänge der friedlichen Nutzung der Kernenergie durch kontrollierte Kernspaltung beziehungsweise Kernfusion im Vergleich zur unkontrollierten Energiefreisetzung in Millionstel Sekunden sind für die Lernenden von entscheidender Bedeutung bei der Bewertung der friedlichen Energiegewinnung und der gleichzeitig möglichen militärischen Nutzung mit den daraus resultierenden verheerenden Zerstörungen und über Generationen andauernden gesundheitlichen Folgen für die betroffenen Menschen. Die Möglichkeiten der militärischen Nutzung der Energiefreisetzung durch Kernwaffen sind leider auch in der heutigen Welt denkbar; umso wichtiger ist es, genau Bescheid zu wissen über Bau- und Funktionsweise solcher Massenvernichtungswaffen und deren Auswirkungen für die Menschheit - sollte es zu einer Anwendung kommen. Nuklearwaffen als Thema im Physik-Unterricht Die Unterrichtseinheit zum Thema Nuklearwaffen beschäftigt sich mit einer Entwicklung, die nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938 so nicht vorhersehbar war. Unter dem Decknamen "Manhattan-Projekt" wurde ab dem Jahr 1942 in der Wüste von Nevada die Kernspaltungsatombombe entwickelt. Mit dem Abwurf der ersten Uranbombe (Bezeichnung Little Boy) kurz vor dem Ende des Zweiten Weltkrieges am 6. August 1945 auf die japanische Stadt Hiroshima und dem drei Tage später folgenden Abwurf der ersten Plutonium-Atombombe (Bezeichnung Fat Man) erreichte diese Entwicklung ihren unrühmlichen Höhepunkt, der 300 000 Tote und eine völlig verwüstete und radioaktiv verseuchte Umgebung hinterließ. Die Entwicklung von Kernspaltungsatombomben war nur der erste Schritt, denn das verstärkte Wissen um die Möglichkeiten der Kernfusion hatte schnell zur Folge, dass auch die Wasserstoff-Bombe entwickelt wurde, deren Energiefreisetzung in schier unvorstellbare Dimensionen vordringen sollte. Das Wissen um die Vorgänge der friedlichen Nutzung der Kernenergie durch kontrollierte Kernspaltung beziehungsweise Kernfusion im Vergleich zur unkontrollierten Energiefreisetzung in Millionstel Sekunden sind für die Lernenden von entscheidender Bedeutung bei der Bewertung der friedlichen Energiegewinnung und der gleichzeitig möglichen militärischen Nutzung mit den daraus resultierenden verheerenden Zerstörungen und über Generationen andauernden gesundheitlichen Folgen für die betroffenen Menschen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können in gewisser Weise vorausgesetzt werden, da die Thematik in den verschiedensten Medien immer wieder aufbereitet wird. Konkrete Kenntnisse sind jedoch nur eingeschränkt zu erwarten, weil das physikalische Wissen zu Aufbau und Funktion von Atomwaffen kaum bekannt ist. Didaktische Analyse Radioaktive Strahlung als Folge von radioaktivem Fallout nach Kernwaffentests dürfte die Lernenden sehr interessieren, weil der gesundheitliche Aspekt im Vordergrund steht. Die intensive Auseinandersetzung mit dem Thema setzt aber viel konkretes Wissen voraus, um die Gefahren richtig einschätzen zu können. Bei der Behandlung dieses sensiblen Themas muss man darauf achten, dass nur das Wissen um die genauen Abläufe bei der unkontrollierten Kernenergie-Freisetzung die Voraussetzung bietet, bei der Diskussion um das Für und Wider solcher Waffen mitreden zu können. Im Unterricht sollte der Diskussion ausreichend Zeit gegeben werden. Lehrkräfte müssen deshalb gut präpariert sein, um auf kritische Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, wie Kernspaltungs- und Wasserstoffbomben prinzipiell funktionieren. können zum besseren Verstehen der Zusammenhänge Übungsaufgaben zu den unterschiedlichen Nuklearwaffen lösen. kennen die kurz- und langfristigen Folgen und Auswirkungen nach Atombombenabwürfen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare zu Nuklearwaffen im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und entnehmen den unterschiedlichen Formaten sinnvolle Sachinformationen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen ihrer Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Schülerinnen und Schüler lernen den Unterschied zwischen der in der Sonne ablaufenden und der technisch kontrollierten Kernfusion sowie die damit verbundenen verschiedenen Reaktortypen kennen. Vorgänge auf der Teilchenebene werden anhand einer Flash-Animation des Max-Planck Instituts für Plasmaphysik visualisiert. Auf der Grundlage der im Physikunterricht erworbenen Kenntnisse über Atomkerne sollen sich die Schülerinnen und Schüler ein Bild von der Kernfusion machen. Sie lernen die Chancen und Risiken dieser Technologie kennen und erfahren, welche Hindernisse Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler überwinden müssen, damit die verlockende Vision der Kernfusion Realität und zum "global player" im Energie-Mix der Zukunft wird. Das Thema knüpft unmittelbar an die Alltagswelt der Schülerinnen und Schüler an (Ölpreissteigerungen, Störfälle in Atomkraftwerken). Die Unterrichtseinheit bietet einen ersten Einblick in eine vielversprechende und innovative Methode der Energieerzeugung und verdeutlicht die Bedeutung und Notwendigkeit der Grundlagenforschung. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch einen ITER - der Weg zu neuer, sauberer Energie ergänzt. Er informiert über die experimentelle Fusionsforschungsanlage der großen Industrienationen. Bis zum Jahr 2020 soll ITER im südfranzösischen Cadarache seinen Dienst aufnehmen. Die Materialien der Unterrichtseinheit sind ein Angebot der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. Auf der Webseite max-wissen.de finden Sie weitere Materialien für den Unterricht und Hintergrundinformationen zu aktuellen Forschungsthemen aus Physik, Chemie, Biologie und Erdkunde. An allen max-wissen-Beiträgen sind Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft beteiligt: Aktualität und fachliche Richtigkeit sind somit gewährleistet. Ein weiteres Angebot der Gesellschaft ist das Fragen-Portal : Lernende und Lehrpersonen können hier Fragen an Forscherinnen und Forscher stellen. Unterrichtsverlauf und Materialien Fachliche Voraussetzungen, Einbettung des Themas in den Unterricht und der Verlauf der Doppelstunde werden hier skizziert. ITER - der Weg zu neuer, sauberer Energie Für die Fortführung des Themas im Unterricht finden Sie hier weitere Informationen, Grafiken und Links zur internationalen Fusionsforschungsanlage. Die Schülerinnen und Schüler sollen die Vorgänge bei der Fusionsreaktion von Deuterium und Tritium sowie das Ergebnis beschreiben können. das Funktionsprinzip des Magnetfeldkäfigs zum Einschließen des heißen Plasmas am Beispiel der beiden grundlegenden Reaktortypen Stellarator und Tokamak kennenlernen und erklären können. die Gefahren bei der Nutzung der Kernfusion erarbeiten und im Vergleich mit anderen Formen der Energieerzeugung bewerten. die Kernfusion als potenzielle, nahezu unerschöpfliche Energiequelle der Zukunft erkennen. Thema Wann "zündet" die Idee der Kernfusionstechnologie? Autorinnen und Autor Roland Wengenmayr, Dieter Lohmann, Sabina Griffith Fach Physik Zielgruppe Sekundarstufe II, nach didaktischer Reduktion auch Klasse 9 und 10 Zeitraum 2 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetanschluss in ausreichender Anzahl (Arbeit in Kleingruppen), Flash-Player (kostenfreier Download) Planung Tabellarischer Verlaufsplan Fachliche Voraussetzungen Bevor die Unterrichtseinheit durchgeführt werden kann, müssen die Schülerinnen und Schüler bereits grundlegende Kenntnisse über den Aufbau von Atomkernen erworben und die Sonne als Ort für natürlich ablaufende Kernfusionsreaktionen kennengelernt haben. Auch die dort dominierende "Proton-Proton-Reaktion 1" sollte bereits bekannt sein. Für einen schnellen Wissenszugewinn wäre es zudem hilfreich, wenn die Lernenden Vorwissen über andere Formen der Energiegewinnung - erneuerbare Energien, Kernkraft oder fossile Brennstoffe - besitzen. Einsatz (nicht nur) in der Oberstufe Die Unterrichtseinheit ist in erster Linie für den Physik- und Technikunterricht der Sekundarstufe II an Gymnasien und Gesamtschulen konzipiert. Nach einer Anpassung der Arbeitsblätter (Erklärung von Fachbegriffen, geringerer Schwierigkeitsgrad der Arbeitsaufträge) ist auch eine Nutzung in den Jahrgangsstufen 9 und 10 an Gymnasien, Realschulen oder Gesamtschulen möglich. Anbindung an Lehrpläne In (fast) allen Bundesländern bieten die Lehrpläne und Richtlinien Einsatzmöglichkeiten für die hier vorgestellte Unterrichtseinheit. Ausführliche Informationen dazu und Vorschläge für einen fächerübergreifenden Unterricht zum Thema Kernfusion finden Sie auf der Webseite max-wissen.de (siehe "Links zum Thema"). Natürliche und technisch kontrollierte Kernfusion Um das bereits erworbene Grundlagenwissen aufzufrischen und zu festigen, beginnt die Doppelstunde mit einer Sicherungsphase, in der die Schülerinnen und Schüler das Prinzip der Kernfusion in der Sonne ausführlich beschreiben und erklären. Danach zeigt die Lehrperson das Bild eines geplanten Fusionsreaktors. Die Schülerinnen und Schüler sollen möglichst selbstständig einen Zusammenhang zwischen den Motiven herstellen und die "künstliche", also technisch kontrollierte, Kernfusion als Thema der Doppelstunde benennen. Unterrichtsimpulse per Beamer oder Tageslichtprojektor Schon hier wird von den Lernenden erwartet, einfache Hypothesen zur Funktionsweise von "künstlichen" Reaktoren auf der Basis ihres Vorwissens aufzustellen. Diese Vorschläge sollen dann in der Diskussion mit anderen Lernenden gegebenenfalls präzisiert, korrigiert oder widerrufen werden. Je nach Leistungsstand des Kurses kann die Lehrerin oder der Lehrer in dieser Phase zusätzliche Unterrichtsimpulse (Folien mit Grafiken oder Bildern, Texte) bereithalten, damit ein schneller und motivierender Lernforschritt gelingt. Um die Erarbeitungsphase effektiv zu gestalten und Schülerinnen und Schüler zu motivieren, werden alt bewährte Medien (Arbeitsblätter mit Texten und Abbildungen) mit digitalen Medien kombiniert. Eine Flash-Animation vom Max-Planck Institut für Plasmaphysik verbildlicht abstrakte Inhalte wie die Deuterium-Tritium-Kernfusionsreaktion und liefert zusätzliche Informationen. Schülerinnen und Schüler können dabei auch die Zündungsbedingungen für die Fusionsreaktion experimentell erkunden. Zeiteinteilung Der Zeitbedarf der Unterrichtseinheit beträgt 90 Minuten. Bietet der Stundenplan nur kürzere Einheiten, kann der Unterricht nach der ersten Erarbeitungsphase, dem Zusammentragen der Resultate, der Ergebnissicherung sowie der zweiten Problemfindungsphase beendet werden (siehe Verlaufsplan). Das Arbeitsblatt 2 und die dazugehörigen Begleitinformationen ("Ein Käfig für das heiße Plasma") können dann im Rahmen der Hausaufgabe zum Einsatz kommen. Thema der folgenden Unterrichtsstunde wäre dann "Kernfusion und Radioaktivität" (Arbeitsblatt 3). Die Fusionsforschungsanlage ITER Nach der Doppelstunde kann das vollständige Schema eines zukünftigen Fusionskraftwerks erarbeitet werden (siehe MAX-Heft "Die Sonne im Tank"). Eine ausführliche Auseinandersetzung mit der in Planung befindlichen internationalen Fusionsforschungsanlage ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) kann das Wissen der Schülerinnen und Schüler weiter ausbauen. Bis zum Jahr 2020 soll ITER im südfranzösischen Cadarache seinen Dienst aufnehmen. Wenn alles klappt, könnten in der Mitte des 21. Jahrhunderts erste kommerzielle Fusionsanlagen mit der Produktion von Strom und Wärme beginnen. Besuch eines außerschulischen Lernorts Wenn möglich, sollte die Unterrichtsreihe durch den Besuch einer Forschungseinrichtung abgerundet werden. Als Exkursionsorte kommen folgende Ziele in Frage: Garching: ASDEX Upgrade Der Tokamak ging 1991 in Betrieb. Die Anlage untersucht Kernfragen der Fusionsforschung unter kraftwerksähnlichen Bedingungen. Greifswald: Wendelstein 7-X Der Stellarator, der gegenwärtig im IPP-Teilinstitut entsteht, wird ein optimiertes Magnetfeld testen, das die Probleme früherer Stellarator-Konzepte überwinden soll. Karlsruhe:Tritiumlabor, Institut für Technische Physik (ITEP) Der Arbeitsschwerpunkt des Labors liegt auf der Fusionsforschung für ITER und dem Karlsruher Tritium Neutrino Experiment (KATRIN). Energieversorgung der Zukunft Der globale Energieverbrauch wird sich bis zum Ende dieses Jahrhunderts verdreifachen, schätzen die Experten. Gleichzeitig schwinden unsere Vorräte an fossilen Brennstoffen und die ökologischen Folgen ihrer Nutzung belasten die Umwelt gravierend. Damit drängen sich zwei Fragen auf: Wie werden wir in Zukunft die Energieversorgung der Menschen gewährleisten? Und wie können wir dies tun, ohne dabei klimaschädliche Treibhausgase freizusetzen? Nationales Handeln ist unzureichend "Angsichts der Dimension dieser Herausforderung ist nationales Handeln allein völlig unzureichend", sagte der Generalsekretär der Vereinten Nationen, Ban Ki-Moon, im September 2007 in seiner Rede zur Klimapolitik. "Keine Nation kann diese Aufgabe alleine meistern. Keine Region kann sich von den Folgen des Klimawandels abkapseln." Mit der Unterzeichnung des ITER-Vertrages haben sich die großen Industrienationen, darunter China, Europa, Indien, Japan, Korea, Russland und die USA, zusammengeschlossen, um gemeinsam nach einer Lösung zu suchen. ITER (lateinisch "der Weg") soll demonstrieren, dass sich durch Kernfusion Energie in großem Maßstab erzeugen lässt. Russische Pionierarbeit ITER basiert auf dem Tokamak-Prinzip, das im Jahr 1952 von den sowjetischen Physikern Andrei Sacharow (1921-1989) und Igor Jewgenjewitsch Tamm (1895-1971) am Kurtschatow-Institut in Moskau entwickelt wurde. In einem Tokamak-Reaktor schließen zwei sich überlagernde Magnetfelder das Plasma ein: erstens ein toroidales Feld, das durch äußere Spulen erzeugt wird, und zweitens das Feld eines im Plasma fließenden Kreisstroms. In dem aus den beiden Feldern kombinierten Magnetfeld laufen die Feldlinien dann schraubenförmig um. Die größte Fusionsmaschine Zusätzlich benötigt der Tokamak noch ein drittes, vertikales Feld, das die Lage des Stroms im Plasmagefäß fixiert und den Plasmarand formt. Abb. 2 und Abb. 3 (zur Vergrößerung der Ausschnitte bitte anklicken) zeigen Schemata des Reaktors. Das heiße Plasma ist in Abb. 2 pinkfarben dargestellt. Aus den Grafiken wird durch die eingezeichneten Menschen die Dimension der Anlage deutlich. Die Bilder können Sie hier in höherer Auflösung herunterladen. Viele weitere Grafiken, Fotos und Informationen finden Sie auf der englischsprachigen ITER-Homepage . ITER ist eine experimentelle Anlage Viele Fusionsreaktoren sind seit den ersten Pioniertagen gebaut worden und haben bewiesen, dass die Kernfusion - die Reaktion, die Sonne und Sterne erstrahlen lässt - auch auf der Erde möglich ist. ITER, die bis heute größte jemals gebaute Fusionsmaschine, soll nun beweisen, dass Kernfusion eine Alternative zur Lösung des weltweiten Energie- wie des Umweltproblems ist. Auch wenn ITER selber noch keinen Strom produzieren wird, so werden doch im Rahmen dieses Projekts die Technologie und die Materialien auf ihre Serienreife hin getestet, sodass der nächste Schritt hin zu einem kommerziellen Fusionskraftwerk nicht mehr weit ist. Sommer 2010 - Baubeginn in Frankreich Standort von ITER ist Cadarache in Südfrankreich. Im Sommer 2010 beginnen der Bau der ersten Gebäude und die Aushebung des Tokamak-Fundaments. Währenddessen sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit mit weiteren Vorarbeiten beschäftigt. So wird zum Beispiel in Karlsruhe an Prototypen für die Vakuumpumpen gearbeitet, während in Hefei (China) die riesigen toroidalen Magnetfeldspulen für ITER gebogen werden (Abb. 4, zur Vergrößerung bitte anklicken).

Die Unterrichtseinheit zum Thema "Äquivalenz von Masse und Energie" beschäftigt sich mit der vielleicht bedeutendsten Entdeckung von Albert Einstein im Jahr 1905. Im Rahmen seiner Herleitungen zur Speziellen Relativitätstheorie hat er die vermutlich berühmteste und bekannteste Formel der Physikgeschichte abgeleitet: E=m×c². Diese einfach aussehende Formel wurde für die Physik des 20. Jahrhunderts - und darüber hinaus - von fundamentaler Bedeutung. So hat sie es ermöglicht, zum einen die Vorgänge in der Sonne bei ihrer Energieerzeugung mit der bisher noch nicht realisierten Anwendung zur Energieproduktion auf der Erde zu erklären, zum anderen die im Jahr 1938 von Otto Hahn und seinen Mitarbeitern entdeckte Kernspaltung zur Energiegewinnung in Atomkraftwerken zu nutzen. Die berühmte Formel sollte auch Schülerinnen und Schülern "bekannt" sein, wenngleich die Tragweite der einfach aussehenden Formel nur den wenigsten geläufig sein dürfte. Die Herleitung der Formel über die bereits bekannten Fakten der Speziellen Relativitätstheorie wird für viele Lernenden eine große Herausforderung sein, der nur die mathematisch Versiertesten problemlos werden folgen können. Die Äquivalenz von Masse und Energie ist aber für das Verständnis vieler physikalischen Vorgänge so wichtig, dass man die Herleitung mit einem gut nachvollziehbaren Endergebnis trotzdem durchführen sollte. Äquivalenz von Masse und Energie Die im Rahmen der Speziellen Relativitätstheorie besprochene Äquivalenz von Masse und Energie mit der schon seit Jahrzehnten realisierten Energieerzeugung durch Kernspaltung und der mit Hochdruck beforschten Energieerzeugung durch Kernfusion (Stichwort ITER) wird auch in den Unterrichtseinheiten zur Kernphysik von grundlegender Bedeutung werden - und aufgrund der ungelösten Probleme mit der Lagerung der dabei entstehenden (langlebigen) radioaktiven Folgeprodukte für viel Diskussion sorgen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte deshalb gut vorbereitet sein, um auf kritische Fragen das Für und Wider dieser Formen der Energieerzeugung sachkompetent erklären zu können. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können in gewisser Weise vorausgesetzt werden, da die Thematik aufgrund der berühmten Formel ansatzweise bekannt sein wird. Konkrete Kenntnisse sind jedoch nicht zu erwarten, weil dazu das physikalische Wissen um die Vorgänge in der Speziellen Relativitätstheorie kaum bekannt und somit erst herzuleiten ist. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas sollte man die Schülerinnen und Schüler darauf hinweisen, dass trotz des sowohl bei Kernspaltung als auch Kernfusion auftretenden radioaktiven Gefährdungspotentiales diese Art der Energieerzeugung klimaneutral abläuft, ohne die Umwelt mit Schadstoffen zu belasten. Im Rahmen des Unterrichts kann gut gezeigt werden, dass die Masse-Energie-Äquivalenz im Alltagsleben kaum bemerkt werden wird, aber trotzdem bei jeder Energieumwandlung auftritt. Deshalb ist es sehr wichtig, den Lernenden zu vermitteln, welche Bedeutung der berühmten Formel im atomaren Bereich zukommt – in der Forschung (zum Beispiel am CERN in Genf), in der Energieerzeugung, aber auch in der gigantischen Energiefreisetzung bei Kernwaffen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die weitreichende Bedeutung der speziellen Relativitätstheorie und dem daraus abgeleiteten Prinzip der Äquivalenz von Masse und Energie. können nachvollziehen, wie man die Formel E=m×c² herleitet. kennen die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Energieerzeugung infolge der Äquivalenz von Masse und Energie. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit den anderen Lernenden, Eltern, Freunde wertfrei diskutieren zu können.

Schülerinnen und Schüler fotografieren den vom Kernschatten der Erde halb verfinsterten Mond und bearbeiten das Foto am Rechner. Die geometrische Auswertung liefert Daten für die Berechnung der Mondentfernung.Die hier vorgestellte Methode ermöglicht eine Abstandsbestimmung mit geringem Aufwand. Im Gegensatz zur Bestimmung der Mondentfernung per Triangulation benötigt man bei der Abstandsbestimmung mithilfe einer Mondfinsternis keine Partnerschule. Die Vorteile der Mondfinsternis-Methode werden allerdings mit einer anspruchsvolleren Theorie bezahlt, die an verschiedenen Stellen zum leichteren Verständnis für die Schülerinnen und Schüler etwas vereinfacht werden muss, wodurch die Ungenauigkeit der Messung etwas erhöht wird. Voraussetzungen Um die für die Entfernungsbestimmung benötigten Zusammenhänge verstehen zu können, müssen die Schülerinnen und Schüler die Geometrie der Mittelstufe beherrschen und Kenntnisse über die trigonometrischen Funktionen und das Lösen mathematischer Gleichungssysteme verinnerlicht haben. Einstieg und Motivation Der Mond ist ständiger Begleiter des Menschen. Schon kleine Kinder wenden ihren Blick häufig fasziniert dem Erdtrabanten zu, aber auch viele Jugendliche und Erwachsene können sich dem Bann des Mondes kaum entziehen. Vielfältig und über verschiedene Medien wird über den Mond und seine Eigenschaften informiert. Nur selten wird jedoch darüber berichtet, wie man zu diesen Informationen gelangt. Dies gilt auch für den Abstand des Mondes von der Erde. Allein die Frage "Wie misst man eigentlich mehrere hunderttausend Kilometer lange Strecken?" weckt bei vielen Schülerinnen und Schülern bereits das Interesse. Dies kann noch gesteigert werden, wenn es darum geht, die Entfernung des Mondes mit eigenen Mitteln zu bestimmen. Fotografieren, bearbeiten, auswerten Das mathematische Rüstzeug wird in fünf Etappen erarbeitet und angewendet. Bearbeitung und Auswertung einer Mondfotografie werden hier durch ein Beispiel veranschaulicht. Methodische und fachliche Hinweise Wodurch zeichnen sich die Mondfinsternis- und die Triangulationsmethode zur Entfernungsbestimmung aus? Wie messen Forscher die Entfernung zum Mond? Die Schülerinnen und Schüler sollen Kenntnisse über Planeten und Monde im Sonnensystem, deren Größenverhältnisse und deren Bewegungen erwerben oder auffrischen. Kenntnisse über Mond- und Sonnenfinsternisse und deren Entstehung erwerben oder auffrischen. mit trigonometrischen Funktionen und Gleichungen arbeiten können. den Umgang mit Bildbearbeitungssoftware kennen lernen und üben. ihre Fähigkeiten in der Handhabung einfacher Messinstrumente schulen. ihr räumliches Vorstellungsvermögen schulen. Thema Bestimmung der Mondentfernung mithilfe einer Mondfinsternis Autor Alexander Staidl Fächer Astronomie, Physik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Jahrgangsstufe 11 (bei guten Lerngruppen auch ab Klasse 10) Zeitraum Beobachtungszeit etwa 30-40 Minuten (es muss ein Foto geschossen werden); Theorie und Auswertung nehmen etwa 2-4 Stunden in Anspruch (je nach Lerngruppe und Unterrichtsmethodik) Technische Voraussetzungen Digitalkamera mit mindestens achtfachem Zoom oder ein kleines Teleskop, an das die Kamera angeschlossen werden kann; Stativ, Bildbearbeitungssoftware (zum Beispiel GIMP ) Überblick Da die Bestimmung des Mondabstandes mithilfe einer Mondfinsternis auf komplexen geometrischen und mathematischen Zusammenhängen basiert, werden die Lernenden schrittweise an das Thema herangeführt. Die folgende Gliederung hat sich dabei bewährt: 1. Mondfinsternisse Allgemeine Informationen: Wie kommen Mondfinsternisse zustande? 2. Der Winkelradius der Sonne Was ist ein Winkelradius? Wie kann man ihn messen? Welche Aussagen lassen sich daraus über den Kernschatten der Erde gewinnen? 3. Der Winkelradius des Mondes Wie kann man den Winkelradius des Mondes messen? Weshalb funktionieren die Methoden zur Messung des Winkelradius der Sonne (Schritt 2) hier nicht? 4. Winkelradius des Kern-Erdschattens in Mondentfernung Was versteht man darunter? Wie kann man ihn mithilfe einer Mondfinsternis bestimmen? 5. Berechnung des Mondabstandes Die bisherigen Erkenntnisse werden zusammengeführt und die Mondentfernung mithilfe der bei einer Finsternis aufgenommenen Fotos berechnet. Der Winkelradius des Erdschattens in Mondentfernung Für die Bestimmung des Winkelradius (Schritt 4) ist die Auswertung eines Fotos von einer Mondfinsternis entscheidend. Der Kernschatten, der während der Finsternis auf dem Mond zu sehen ist, lässt sich mit dem Winkeldurchmesser des Mondes vergleichen. Der halb verfinsterte Mond wird fotografiert Der gesamte Mond wird, während er etwa halb vom Kernschatten der Erde bedeckt ist, mit einer Vergrößerung beziehungsweise Auflösung fotografiert, die hoch genug ist, um Details der Finsternis erkennen zu können. Die Digitalkamera sollte über einen mindestens achtfachen optischen Zoom verfügen. Alternativ kann die Kamera auch an ein kleines Teleskop angeschlossen werden. Beim Fotografieren sollte auf jeden Fall ein Stativ verwendet werden. Abb. 1 (linke Teilabbildung) zeigt ein entsprechendes Ergebnis. Man sieht deutlich, dass sich der Kernschatten nicht scharf von dem Bereich des Halbschattens abgrenzt, sondern dass beide weich ineinander übergehen. Wenn man schon mal dabei ist … Bei der Gelegenheit bietet es sich natürlich auch an, den gesamten Verlauf der Mondfinsternis fotografisch zu dokumentieren, im Idealfall vom Beginn bis zu Ende der Verfinsterung. Auch, wenn dies zum Zwecke der Entfernungsbestimmung nicht erforderlich ist (dafür reicht ein einziges Foto aus), kann man mit dem ohnehin verwendeten Bildbearbeitungsprogramm den Verlauf des Ereignisses in einer kleinen Kollage sehr schön darstellen. Kontrastierung der Schattengrenze am Rechner Um den Winkelradius des Kernschattens möglichst exakt bestimmen zu können, muss die Grenze zwischen Kern- und Halbschattenbereich durch eine Verstärkung des Kontrastes hervorgehoben werden. Die ist mit den gängigen Bildbearbeitungsprogrammen einfach durchzuführen. In dem hier vorgestellten Beispiel wurde die kostenfreie Open Source Software GIMP verwendet. GIMP-Homepage Informationen zur kostenfreien Bildbearbeitungssoftware und Downloadmöglichkeit Bildbearbeitung mit GIMP Öffnet man mit dem Programm die Mondfoto-Datei, lässt sich die Grenze des Kernschattens durch den Schwellwerte-Regler im Farben-Menü hervorheben (Abb.1, Mitte). Unter der Voraussetzung, dass der scharfe Rand des Mondes nicht mit weißen Pixeln durchsetzt sein darf, stellt man den Regler so niedrig wie möglich ein. Je nach Geschmack kann man über das Farben-Menü und die Funktion "Invertieren" den Mond schwarz und den Hintergrund weiß darstellen (Abb.1, rechts). In dem Ergebnis kann man nun gut erkennen, dass der Kernschatten, den die kugelförmige Erde auf den Mond wirft, auf der Mondoberfläche tatsächlich kreisförmig abgebildet wird. Die Kreisbogenform der Schattengrenze ist durch die nachträgliche Bearbeitung deutlich besser auszuwerten. Projektion oder Ausdruck des bearbeiteten Mondbildes Das bearbeitete Bild kann nun vergrößert ausgedruckt oder auf eine Tafel projiziert werden. Ziel ist es, den auf der Tafel abgebildeten "Radius" des Mondes mit dem zu ermittelnden abgebildeten "Radius" des Kernschattens in Relation zu setzen - entweder auf Ausdrucken oder mithilfe des an die Tafel projizierten Bildes. Hieraus ergibt sich dann die Relation des Winkelradius des Mondes und des Kernschattens in Mondabstand, die sich im gleichen Verhältnis wie die Radien der Projektion teilen müssen. Geometrische Auswertung Abb. 2 veranschaulicht, wie man den Radius des Kernschattens bestimmt (A = Projektion des Kernschattenradius, E = Projektion des Mondradius). Die Konstruktion kann auch mit einem Vektorgrafikprogramm (zum Beispiel OpenOffice-Anwendung Draw) erzeugt werden. Zunächst wählt man drei Punkte, die auf dem Kreisbogen liegen (grün), und verbindet diese zu zwei Sekanten (rot). Anschließend werden die Mittelsenkrechten (blau) der Sekanten gebildet, die sich im Mittelpunkt des Kreises treffen. Damit ergibt sich der Radius A des abgebildeten Kernschattens durch den Abstand zwischen den grünen Punkten auf dem Kreisbogen und dem Schnittpunkt der blauen Mittelsenkrechten. Der Radius E des abgebildeten Mondes lässt sich über dessen leicht bestimmbaren Durchmesser berechnen. Aus Schritt 3 (siehe oben) ist der Winkelradius des Mondes epsilon bekannt. Gesucht ist der Winkelradius alpha des Kernschattens der Erde (in Mondentfernung). Wenn wir das Verhältnis alpha/epsilon kennen würden, könnten wir alpha direkt berechnen. Das Verhältnis alpha/epsilon ist nämlich genau so groß, wie das Verhältnis der Radien A/E auf dem Ausdruck (Abb. 2). Für die Bestimmung der Mondentfernung wird in schulischen Projekten meist die Methode der Triangulation benutzt (siehe Unterrichtseinheit Bestimmung der Mondentfernung durch Triangulation ). Dieses Verfahren erlaubt eine relativ exakte Bestimmung des Abstandes. Die Methode lässt sich in jeder Nacht durchführen, in der der Mond in Verbindung mit zwei hellen, weiter entfernten Objekten zu sehen ist (Planeten, helle Sterne), ist jedoch organisatorisch recht aufwändig: Partnerschulen müssen gefunden und die Messungen sehr exakt und gut koordiniert durchgeführt werden. Bei der Bestimmung der Mondentfernung mithilfe einer Mondfinsternis ist man dagegen von Partnerschulen unabhängig. Man benötigt jedoch zur rechten Stunde gute Sicht! Zwar sind für die Triangulations-Methode geeignete Konstellationen "haltbarer", jedoch ist der Anlass einer Mondfinsternis für Schülerinnen und Schüler sicher motivierender und spektakulärer als eine Konstellation "Mond und zwei Sterne". Die Wahl der Methode ist natürlich auch vom "Terminplan" der Himmelskörper abhängig. Je nach Jahreszeit ist es in Deutschland nicht unwahrscheinlich, dass das Wetter einen Strich durch die Planung macht. Tritt dieser Fall ein, kann dann auf die nächste Mondfinsternis warten, eine in naher Zukunft gelegene Konstellationen ausgucken, die für die Triangulationsmethode geeignet ist, oder auf Mondfinsternisfotos "aus der Konserve" zurückgreifen, die natürlich ohne eigene Beobachtung ausgewertet werden können. Dabei können auch verschiedene Fotos von verschiedenen Kleingruppen oder in Partnerarbeit ausgewertet werden. Wie sieht der Mittelwert der Ergebnisse aus und welche Gruppe war am nächsten am "offiziellen" Wert dran? Wie weit ist es nun zum Mond? Die Bahn des Mondes um die Erde ist nicht perfekt kreisförmig und die Entfernung daher nicht konstant. Vom Mittelwert (384.400 Kilometer) weicht die größte (405.500 Kilometer) und die kleinste Entfernung (etwa 363.200 Kilometer) um etwa 5,5 Prozent ab. Visualisierung Der Mond liegt zwar - in astronomischen Maßstäben - vor unserer Haustür. Dennoch ist die in Zahlen gefasste Entfernung nicht mehr anschaulich. Hilfreicher sind für die Veranschaulichung sind grafische Darstellungen, wie zum Beispiel die folgenden, die uns der Amateur-Astronom Thomas Borowski freundlicherweise zur Verfügung gestellt hat: Wie und warum messen Forscher heute die Mondentfernung? Astronauten des Apollo-Programms hinterließen auf der Mondoberfläche einen Reflektor. Von der Erde aus werden kurze und intensive Laserblitze auf den Reflektor abgeschossen. Die Zeit zwischen dem "Schuss" und dem Eintreffen der Reflexion wird mit einer Atomuhr exakt gemessen. Mit dieser zentimetergenauen Methode konnte man feststellen, dass sich der Mond pro Jahr etwa um 3,8 Zentimeter von der Erde entfernt. Wegen den Gezeitenkräften findet ein fortlaufender Rotationsenergie- und Drehimpulstransfer von der rotierenden Erde zum Mond statt. Dieser Transfer bewirkt nicht nur die Abstandsvergrößerung des Mondes, sondern im gleichen Maße eine Verlangsamung der Erdrotation - die Tage dauern also immer länger! Aus kleinen Laufzeitänderungen, die von verschiedenen Messstationen auf der Erde registriert werden, sind Aussagen über die Kontinentaldrift möglich.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II den Tunneleffekt kennen. Dieser ist ein Phänomen der Quantenphysik, bei dem ein Quantenobjekt – wie etwa ein Elektron oder ein Alphateilchen – eine Potentialbarriere mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durchqueren (durchtunneln) kann, die es nach den physikalischen Gesetzen der klassischen Physik nicht überwinden könnte. Dieser sogenannte Tunneleffekt spielt zum Beispiel eine entscheidende Rolle beim Alphazerfall, einem typischen Phänomen der Kernphysik. Ausgehend von bereits erworbenen Kenntnissen zum wellenhaften Verhalten von Quantenobjekten werden Schülerinnen und Schüler durch einfache Versuche mit Wasserwellen an das Phänomen "Tunneleffekt" herangeführt. Übertragen auf Elektronen oder Alphateilchen beschreibt deren Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit, wo sie sich befinden. Diese Wellenfunktion erstreckt sich nicht nur auf den Bereich der Potentialbarriere, sondern auf beiden Seiten auch darüber hinaus. Dies bedeutet, dass es eine gewisse berechenbare Wahrscheinlichkeit gibt, die Quantenobjekte außerhalb der Potentialbarriere zu finden – ohne eine theoretisch benötigte klassische Energie haben zu müssen. Für die entsprechende Wahrscheinlichkeit gilt, dass sie von der Breite und Höhe der Potentialbarriere abhängt: Eine dünnere oder niedrigere Barriere erhöht die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns deutlich! Betrachtet man die Verhältnisse im Atomkern, so wird dieser durch die Kernkraft stabil gehalten. Ein α-Teilchen im Inneren des Kerns müsste demzufolge durch die Coulombbarriere vom Austritt aus dem Kern abgehalten werden beziehungsweise es müsste eine sehr hohe Energie haben, um die Barriere zu überwinden – diese hat sie aber nicht! Nach klassischer Sicht wäre das Alphateilchen also für immer im Kern gefangen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte gut vorbereitet sein, um dieses klassisch nicht erklärbare Phänomen mithilfe der Besonderheiten der Quantenphysik verständlich zu machen. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können vorausgesetzt werden, wenn im Rahmen der Kursphase in der Sek II vorher das Verhalten von Wahrscheinlichkeitswellen bis hin zur Schrödingergleichung einschließlich entsprechender Berechnungen unterrichtet wurde. Didaktische Analyse Die Behandlung des schwierigen Stoffes zur quantenphysikalischen Erklärung des mit der klassischen Physik nicht beschreibbaren Verhaltens von Quantenobjekten führt die Schülerinnen und Schüler in eine Welt des Allerkleinsten ein, die sich dem logischen Verständnis des menschlichen Vorstellungsvermögens weitgehend entzieht – aber sehr hilfreich ist in Hinblick auf das Verständnis für die Komplexität unserer Natur! Methodische Analyse Das Thema Tunneleffekt dürfte bei den interessierten Lernenden durchaus auf hohes Interesse stoßen; durch ein großes Angebot an Medien mit entsprechendem anschaulichen Material ist es vorstellbar, bei entsprechender Freude an nicht immer einfachen mathematischen Herleitungen sich in das Thema zu vertiefen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Grundgedanken, die zum Tunneleffekt führen, beschreiben und erläutern. wissen um die Bedeutung des Tunneleffektes als besonderes Phänomen der Quantenphysik. können Berechnungen anstellen und die Ergebnisse erläutern. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, im Freundeskreis diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit zu Wasser auf dem Mond lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Eigenschaften des Mondes hinsichtlich seiner Beschaffenheit kennen, zum Beispiel durch abschätzen und berechnen. Außerdem wird wissenschaftliches Arbeiten angebahnt und anhand von Fallbeispielen nähergebracht. Die Unterrichtseinheit "Wasser auf dem Mond: Mond-Eisbohrkerne filtern, um Wasser zu gewinnen" soll eine Diskussion zum Wasser-Verbrauch und zur Aufbereitung von Wasser sowohl auf der Erde als auch im All anstoßen und die Lernenden zum Nachdenken anregen. Des Weiteren lernen die Schülerinnen und Schüler die Vorgehensweisen beim wissenschaftlichen Arbeiten und die jeweiligen Teilschritte kennen (Versuchsaufbau, systematisches Messen und Aufnahme von Daten sowie deren Auswertung). Probleme werden hierbei selbstständig durch die Anwendung der Mathematik, von Messungen und Maßeinheiten gelöst. Die Unterrichtseinheit wurde im Rahmen der Projekte ESERO Germany und "Columbus Eye - Live-Bilder von der ISS im Schulunterricht" an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. In dieser Unterrichtseinheit schreiben die Schülerinnen und Schüler einen Tag lang auf, wieviel Wasser sie ungefähr bei verschiedensten Aktivitäten in ihrem Alltag verbrauchen. Diese Aufzeichnungen werden dann für anschließende Berechnungen im Plenum weitergenutzt. Es wird die Beschaffenheit des Mondes erklärt und in welcher Form man auch auf dem Mond Wasser finden kann. Dem folgen experimentelle Aufgaben im Klassenzimmer, bei denen die Lernenden vorbereitete "Mond-Eisbohrkerne" benutzen und filtern, um Wasser zu erhalten. Die Wirkungsweise eines Filtersystems wird hierbei näher erläutert. Die Ergebnisse der ersten beiden Übungen werden dann benutzt, um zu berechnen, wieviel Mond-Eis die Schülerinnen und Schüler ausgraben müssten, um genug Wasser für einen kompletten Tag zu erhalten. Die Schülerinnen und Schüler berechnen den Wasserverbrauch einer Person an einem durchschnittlichen Tag. lernen, dass manche permanent im Schatten liegende Regionen des Mondes Wasser in Form von Eis enthalten. schätzen ab, wieviel Mondsand man benötigen würde, um genug Wasser für eine Person für einen durchschnittlichen Tag zu gewinnen. verstehen, dass ein Filtersystem genutzt werden kann, um Feststoffe und Flüssiges zu trennen. machen sich mit dem wissenschaftlichen Arbeiten, insbesondere dem Versuchsaufbau, systematischem Messen und der Aufnahme von Daten vertraut. lösen Problemstellungen mithilfe der Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division sowie durch Messungen und Maßeinheiten.

Dieses Unterrichtsmaterial behandelt die Frage, wie die zwei widersprüchlichen Ziele der Rentenpolitik unter einen Hut gebracht werden können: die Beiträge für die Rentenversicherungen niedrig halten und zugleich einen Anstieg der Altersarmut verhindern. Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten verschiedene Arbeitsblätter und formulieren ein fundiertes Konzept zur Reform der Rentenreform.Das Ziel der Rentenpolitik ist von einem Widerspruch geprägt. Rentenpolitiker befinden sich stets in einem nur schwer zu lösenden Dilemma: Einerseits zielt Rentenpolitik darauf ab, durch niedrige Beiträge die Konkurrenz- und Profitfähigkeit der Wirtschaftsunternehmen zu stärken, um Arbeitsplätze zu schützen und das Wirtschaftswachstum zu erhöhen. Andererseits ist der Anspruch der Gesellschaft an die Rentenpolitik, dass sie angemessene Leistungen garantiert, um Altersarmut zu verhindern.Der Kern der Unterrichtseinheit besteht aus zwei gegensätzlichen, sich widersprechenden Konzepten zur Reform der Rentenreform (ein gewerkschaftsnaher und ein liberaler Reformvorschlag). Aus diesen wählen die Lernenden begründet Elemente aus, um eine eigene Reformidee zu konkretisieren. Diese Reformidee soll im Sinne einer Öffnung des Politikunterrichts zur Lebenswelt einer politischen Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen ihre Konzepte nicht nur in der Lerngruppe vorstellen und diskutieren, sondern auch in ihrem persönlichen Lebensumfeld und sie zudem an einen Abgeordneten ihrer Wahl mit der Bitte um eine Antwort schicken. Rentenreform: Vorüberlegungen und Hintergrundinfos Einige Hintergrundinformationen zum Thema Rentenpolitik und Hinweise zur Erarbeitung eines eigenen Renten-Reformvorschlages sind hier zu finden. Rentenreform: Arbeitsblätter und Ablauf Der detaillierte Ablauf der Unterrichtseinheit sowie die dazugehörigen Arbeitsmaterialien sind hier zusammengestellt. Die Schüler und Schülerinnen können vier Kernfragen der Rentenpolitik benennen. zu den vier Kernfragen der Rentenpolitik begründet Stellung beziehen. in einem selbstständig erarbeiteten Reformkonzept eine Lösung der Rentenreformproblematik vorstellen. die Reaktionen auf ihr Konzept vorstellen und auswerten. Text- und Internetquellen sowie Grafiken nutzen, um Informationen über kontrovers diskutierte Sachfragen zu recherchieren. Eine nachhaltige, in der Bevölkerung akzeptierte Rentenpolitik muss die folgenden vier Aufgaben lösen: durch ein angemessenes Rentenniveau die Altersarmut verhindern, für angemessene Beitragssätze sorgen, die die arbeitende Bevölkerung und die Arbeitgeber nicht zu stark belasten, die Beiträge für die Altersvorsorge so effizient wie möglich für diese Ziele einsetzen, eine Lösung für die durch den demografischen Wandel entstehenden Probleme finden. Kontrovers diskutierte Kernfragen Die richtige Strategie ist jedoch nicht leicht zu finden, denn in der politischen Debatte herrscht große Uneinigkeit. Kontrovers diskutiert werden unter anderem die folgenden Kernfragen: Wie hoch soll das Rentenniveau sein? Wie sollen sich die Beitragssätze für die staatliche Rentenversicherung entwickeln? Kann die private kapitalgedeckte Rentenversicherung die Rente wirklich effizienter und sicherer machen? Oder müssen nicht auch die kapitalgedeckten Rentenansprüche durch eine immer kleinere Zahl an Menschen erarbeitet werden? Wie besorgniserregend ist der demografische Wandel wirklich? Gefährdet er die Funktionsfähigkeit des Umlagesystems? Oder werden seine Folgen übertrieben dargestellt? Bei der Erarbeitung eines eigenen Renten-Reformvorschlages helfen die lehrgangsartig zu bearbeitenden Zusatzmaterialien: ein Einleitungstext, mit dem nach dem didaktischen Modell des Politikzyklus das der Rentenformdebatte zugrunde liegende Problem erarbeitet wird (Material 2) eine Sammlung von in der Öffentlichkeit kontrovers diskutierten Kommentaren zur Rentendebatte (Material 9) ein zu Fragen der Rentenpolitik konkretisiertes politisches Urteilsraster, das die Schülerinnen und Schüler einsetzen, um die gegensätzlichen bereits vorliegenden Reformkonzepte mithilfe von ausgewählten Kategorien der politischen Urteilsbildung zu analysieren (Material 8) Materialien zur Erarbeitung von Antworten auf die vier Kernfragen der Rentenpolitik (Material 4 bis 7, Material 9) Die Lernenden diskutieren zur Vorentlastung und Einstimmung auf das Thema einige Fragen, die sie vor dem Hintergrund ihres Wissensstandes beantworten sollen. Im Anschluss werden ausgewählte Fragen im Plenum diskutiert und einige grundsätzliche Sachfragen geklärt sowie offene Fragen gesammelt und wenn möglich bereits an dieser Stelle beantwortet. Meinungsbild-Abfrage Die Reformvorschläge stehen stellvertretend für die Position linker Gewerkschaftler und Sozialdemokraten, die zurzeit nicht mehrheitsfähig ist, sowie für eine regierungsnahe liberale Sichtweise. Nach der Erarbeitung der Unterschiede wird in einer Blitzlichtrunde und einer folgenden Diskussion ein erstes Meinungsbild abgefragt. Diese Meinungsbild-Abfrage sollte am Ende der Einheit wiederholt werden, um zu klären, in welch unterschiedlicher Weise Lernprozesse angeregt worden sind. Kernfragen der Rentenpolitik Um die vier Kernfragen der Rentenpolitik zu klären, erarbeiten die Lernenden die notwendigen Sachinformationen. Dies kann ganz oder teilweise in arbeitsteiliger Gruppenarbeit mit Präsentationen geschehen, zum Beispiel als Gruppenpuzzle oder Kugellager. Die ARD-Reportage " Das Riester-Dilemma. Bilanz einer Jahrhundertreform " sollte als Einstieg in diese Phase gemeinsam angesehen und ausgewertet werden, da sie grundsätzliche Fragen aufwirft, die einen hohen Diskussionsbedarf auslösen. Die Lernenden erarbeiten in dieser Phase Argumente und Elemente für ihr zu erstellendes Reformkonzept. Wichtig dabei ist, dass sie zu jeder Kernfrage Notizen anlegen, die sie am Ende in das Reformkonzept einarbeiten. Durch den stärkeren Ich-Bezug dieser Phase wird die persönliche Betroffenheit der Schülerinnen und Schüler nochmals unterstrichen. Wie zuvor notieren sie neue und für sie wichtige Argumente, die sie in ihren Reformentwurf einarbeiten wollen. Nach der Bearbeitung von Material 9 erstellen die Lernenden anschließend ihr eigenes Reformkonzept. Es ist sinnvoll, den Schülerinnen und Schülern die Materialien digital zur Verfügung zu stellen, da sie einen längeren Text schreiben und publizieren sollen und ihnen so ein zeitraubendes Abtippen erspart wird. Reformschritte nennen und begründen Die Lernenden verfassen auf der Basis ihrer Sachkenntnis ein begründetes Reformkonzept, das 1. die Reformschritte nennt und 2. eine Begründung für die Auswahl der Schritte erläutert. Vorlage für die Lernenden Sinnvoll kann es sein, dass die Lehrkraft eine unvollständige Vorlage zur Orientierung für die Schülerinnen und Schüler erstellt und mit der Lerngruppe bespricht. Eine solche Vorlage sollte in der Struktur wie folgt aufgebaut sein (und damit angelehnt an die Struktur von Gesetzesentwürfen, wie sie für den Bundestag formuliert werden): A. Beschreibung des mit dem Reformkonzept zu lösenden Problems Trotz der Rentenreform der rot-grünen Bundesregierung aus dem Jahr 2001 (Altersvermögensgesetz) steht die Rentenpolitik weiterhin vor vielen Problemen: das Armutsrisiko für heute junge Menschen hat zugenommen, es ist unklar, ob die privaten Rentenversicherungen die aus der Kapitaldeckung finanzierten Rentenerträge werden auszahlen können et cetera. B. Erläuterung der verschiedenen Elemente des Reformkonzepts Um die Rente sicherer und gerechter zu machen, müssen die folgenden Entscheidungen getroffen werden: 1. ... 2. ... 3. ... C. Begründung für die Auswahl der einzelnen Elemente. 1. ist notwendig, weil ... 2. ist notwendig, weil ... 3. ist notwendig, weil ... Name, Anschrift, Datum Die Entwürfe werden mit der Bitte um Antwort an eine Bundestagsabgeordnete oder einen Bundestagsabgeordneten, möglichst aus dem Wahlkreis oder dem Bundesland der Schülerinnen und Schüler, verschickt und die Antworten dann zu einem späteren Zeitpunkt in der Lerngruppe vorgestellt. Sinnvoll ist es, darauf zu achten, dass alle im Bundestag vertretenen Parteien kontaktiert werden, um die unterschiedlichen Reaktionen miteinander vergleichen zu können. Die Lernenden sollen ihre Entwürfe zudem in der Lerngruppe und in ihrem persönlichen Umfeld zur Diskussion stellen. In einer späteren Stunde berichten die Lernenden über die Reaktionen auf ihre Versuche, für ein fundiertes Konzept einer Rentenreform zu werben. Der Politikunterricht öffnet sich auf diese Weise dem Umfeld der Schule und die Lernenden machen die Erfahrung, dass sie im Unterricht Wissen und Fähigkeiten erwerben, die es ihnen nicht nur ermöglichen, politische Vorgänge besser zu verstehen, sondern möglicherweise auch aktiv beeinflussen zu können.

Mithilfe von interaktiven Arbeitsblättern und Animationen setzen sich Schülerinnen und Schüler mit dem Lernbereich "Kernumwandlungen – Nutzen und Gefahren" in Einzel- oder Partnerarbeit auseinander.Beim Einstieg in die Thematik wird auf die Entwicklung der wichtigsten Atommodelle eingegangen. Die Bildung von Ionen und Isotopen spielt dabei als Grundlage für die folgenden Themen eine wichtige Rolle. Den zweiten Schwerpunkt bilden der Spontanzerfall und die Freisetzung von radioaktiver Strahlung. Die künstlichen Kernumwandlungen werden mittels Computeranimationen erklärt. Zum Abschluss werden Kenntnisse zur gesteuerten und ungesteuerten Kettenreaktion vermittelt. Dieser Zusammenhang kann ebenfalls in Form von Computeranimationen veranschaulicht und interaktiv bearbeitet werden. Einsatz im Unterricht Der Einsatz der Sammlung von interaktiven Übungen und 3D-Animationen zur Atomphysik sollte unterrichtsbegleitend erfolgen. Nach der Behandlung des jeweiligen Themas im Unterricht (Arbeitsblätter als Word-Dokumente im Download-Paket "atomphysik_materialien.zip") können Übungsphasen im Computerkabinett den Unterricht lebendiger gestalten und zur Binnendifferenzierung genutzt werden. Die Verwendung der 3D-Animationen soll dabei die Anschaulichkeit erhöhen und die Visualisierung der Aufgabenstellung gerade bei den "unsichtbaren" Sachverhalten im submikroskopischen Bereich vereinfachen. Hinweise zur Nutzung der interaktiven Arbeitsblätter In der Klassenstufe 9 hat sich der Einsatz des Beamers bewährt, wenn die Schülerinnen und Schüler die Arbeit mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt waren. Für die Eingaben in die Formularfelder der interaktiven Übungen sollte ein Hinweis auf die Notwendigkeit einer korrekten Schreibweise erfolgen. Dies führt zu erhöhter Konzentration und weniger Frusterlebnissen, wenn Fragen inhaltlich richtig, aber infolge falscher Rechtschreibung als falsch beantwortet wurden. Auch Partnerarbeit von Lernenden mit guten Deutschkenntnissen zusammen mit Schülerinnen und Schülern, welchen die deutsche Sprache schwer fällt (Integrationskinder), ist hier gut möglich. Technische Hinweise Um die 3D-Modelle öffnen zu können, ist ein VRML-Plugin nötig. Alle animierten GIFs und interaktiven 3D-Animationen der verwendeten Übungen wurden vom Autor der Unterrichtseinheit mithilfe des 3D-CAD-Programmes FluxStudio erzeugt. Dieses Programm ist für die pädagogische Arbeit als Freeware verfügbar.Die Schülerinnen und Schüler sollen Atommodelle kennen. die alpha-, beta und gamma-Strahlung kennen. künstliche Kernumwandlungen kennen. das Aufstellen von Zerfallsgleichungen beherrschen. erkennen, dass der Unterschied zwischen gesteuerter und ungesteuerter Kettenreaktion für die Nutzung der Kernenergie immens wichtig ist.