In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die Erfolge und die Mängel des Bohrschen Atommodells kennen. Das Atommodell von Niels Bohr, mit dem er im Jahr 1913 an die Öffentlichkeit ging, wird aus Sicht des heute allseits anerkannten quantenmechanischen Atommodells als Zwischenstation bei der Modellentwicklung betrachtet. Sowohl die anschaulichen Elektronenbahnen um den Kern als auch seine teilweise nicht begründeten Postulate sind zu kritisieren. Dennoch stellt das Bohrsche Atommodell mit der von Planck und Einstein übernommenen Quantisierung einen Meilenstein auf dem Weg zu den heutigen Erkenntnissen dar, den man Schülern und Schülerinnen nicht vorenthalten sollte.Atommodelle gibt es schon seit dem Altertum. Davon ausgehend werden die Schülerinnen und Schüler mit einem geeigneten Video oder in Form eines Referates in das Thema eingeführt. Die von Bohr aufgestellten Postulate sind zwar nur in Teilbereichen für das Wasserstoffatom experimentell bestätigt, sie sind aber durch entsprechende Gesetzmäßigkeiten und den daraus resultierenden Modellrechnungen aus dem Bereich der elektrischen Felder gut nachvollziehbar. Das Unterrichtsmaterial ist daher gut geeignet und auch verständlich für Schülerinnen und Schüler, die Physik nicht als Leistungs- und Abiturfach gewählt haben. Das Bohrsche Atommodell im Physik-Unterricht Das Bohrsche Atommodell mit seinen Erfolgen und Mängeln soll die Schülerinnen und Schüler in die komplizierte Beschreibung der Vorgänge in Atomen einführen. Am Beispiel des noch halbwegs "einfach" zu beschreibenden Wasserstoffatoms wird den Lernenden gezeigt, wie man sich die Vorgänge in der Atomhülle anschaulich vorstellen kann. Das Bohrsche Atommodell kann aufgrund der gut nachvollziehbaren Mathematik als Grundlage für die quantenmechanische Betrachtung des Wasserstoffatoms gesehen werden. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können insofern vorausgesetzt werden, dass im Rahmen der Elektrizitätslehre bereits die Gesetzmäßigkeiten in elektrischen Feldern einschließlich der Verläufe von Potentialen besprochen sind - und bei dieser Thematik wieder zum Tragen kommen. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas muss man darauf achten, dass die Erfolge und Mängel des Modells aufgezeigt werden. Die realistischen und experimentell in allen Bereichen bestätigten Abläufe können nur mittels der Quantenmechanik und der Einführung von Wahrscheinlichkeitswellen beschrieben und berechnet werden, was allerdings im Rahmen der für die Schule zur Verfügung stehenden mathematischen Mitteln nur eingeschränkt möglich ist. Anhand der aus der Elektrizitätslehre bekannten Abläufe in elektrischen Feldern und Potentialen können Gleichungen hergeleitet und angewendet werden, deren Ergebnisse in Teilen für das Wasserstoffatom auch experimentell bestätigt sind. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen historischen Einblick in die Entwicklung der Atomvorstellung. wissen, dass das Bohrsche Atommodell nur in Teilen die Realitäten in einer Atomhülle widerspiegeln kann. können die Vorgänge in der Atomhülle des Wasserstoffatoms in grober Näherung beschreiben und berechnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin. 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.

Mit der Unterrichtseinheit zur quantenmechanischen Beschreibung des Wasserstoffatoms findet der Zyklus zur modellhaften Erklärung der Vorgänge in einem Atom seinen Abschluss. Ausgehend vom Bohrschen Atommodell mit den ersten quantenmechanischen Ansätzen zu Beginn des 20. Jahrhunderts wird das Potentialtopfmodell zum Wegbereiter für ein Wellenmodell mit stationären stehenden Wahrscheinlichkeitswellen, mit dem die Abläufe im einfachsten Atom – dem Wasserstoffatom – näherungsweise und halbwegs anschaulich beschrieben und berechnet werden können. Es wird benötigt für Schülerinnen und Schüler, die Physik als Leistungsfach und gegebenenfalls als Abiturfach gewählt haben. Alle weiteren Atome mit mehr als einem Elektron sind mit den Mitteln der Schulphysik nicht zu beschreiben. Anhand der beim Potentialtopfmodell gewonnenen Erkenntnisse wird den Schülerinnen und Schüler gezeigt, dass man das in einem Potentialtopf eingesperrte Elektron gut auf die Gegebenheiten im Wasserstoffatom übertragen kann. Hinzu kommen jetzt aber die Einflüsse des positiv geladenen Protons, das sich im Kern befindet und auf das Elektron eine anziehende Kraft (Coulombkraft) ausübt. Die nun folgende Herleitung zur Bestimmung der Größe des Kernradius für das Wasserstoffatom im Grundzustand setzt gute mathematische Kenntnisse voraus und kann somit nur im Rahmen eines Leistungskurses oder dergleichen angeboten werden. Erläuternde Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen ergänzen diese Unterrichtseinheit. Eine quantenmechanische Beschreibung des Wasserstoffatoms Mithilfe von Wahrscheinlichkeitsberechnungen sowie unter Einbeziehung des Coulombpotentials des im Kern befindlichen Protons können die möglichen Aufenthaltsorte von Elektronen für das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – ebenso ermittelt werden wie die zugehörigen Energien. Vorkenntnisse Die aus der Erarbeitung von Potentialtopf und Wahrscheinlichkeit erworbenen Erkenntnisse finden nun ihre spezifische Anwendung für die Beschreibung des Wasserstoffatoms. Didaktische Analyse Für die Lernenden ist erneut ein hohes Maß an Abstraktionsvermögen nötig. Deshalb müssen Lehrkräfte sehr darauf achten, durch Abbildungen und Animationen den Sachverhalt anschaulich zu gestalten. Zudem muss der anspruchsvolle Stoff den Schülerinnen und Schüler vorbehalten bleiben, die Physik als Leistungsfach beziehungsweise Abiturfach gewählt haben. Methodische Analyse Schritt für Schritt werden die Gleichungen zur quantenmechanischen Beschreibung des Wasserstoffatoms hergeleitet. Mit begleitenden Übungsaufgaben einschließlich sehr ausführlicher Lösungen werden die Lernenden mit den notwendigen Berechnungen vertraut gemacht. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die komplexen Vorgänge in einem realen H-Atom. können Begriffe wie Wahrscheinlichkeitsdichte und Wellenfunktion beschreiben. lernen die auf das Elektron wirkende Gesamtenergie herzuleiten und daraus die Energieniveaus des H-Atoms zu berechnen. 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 anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit geht es um die historische Entwicklung verschiedener Atommodelle –beginnend bei Dalton über Thomson und Rutherford bis schließlich zu Bohrs Atommodell, das als Grundlage für den weiteren Chemie-Unterricht dient. Diese Unterrichtseinheit beginnt mit Abbildungen der Wissenschaftler John Dalton, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford und Niels Bohr . Den Lernenden wird eröffnet, dass diese vier Wissenschaftler sich alle mit Atomen und deren Aufbau beschäftigt haben und dass jeder von ihnen ein eigenes Atommodell entwickelte. Anschließend werden die Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler vom Aufbau der Atome an der Tafel gesammelt. Daraufhin erhalten die Lernenden eine interaktive Präsentation und ein Erklärvideo , um die Arbeitsblätter 1 und 2 zu bearbeiten. Hier finden Sie die interaktive Präsentation und das Erklärvideo sowie weitere interaktive Begleitmaterialien für die Lernenden, um das erlernte Wissen zu überprüfen und zu festigen. Die Unterrichtseinheit kann mit Abbildungen der Wissenschaftler John Dalton, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford und Niels Bohr beginnen. Den Lernenden wird eröffnet, dass es sich um Wissenschaftler handelt, die sich mit dem Aufbau der Atome beschäftigt haben und die jeweils ein eigenes Atommodell entworfen haben. Das Vorliegen verschiedener historischer Atommodelle soll die Schülerinnen und Schüler dazu motivieren, sich mit ihren eigenen Vorstellungen vom Aufbau der Atome auseinanderzusetzen. Diese werden sogleich durch die Lehrkraft an der Tafel gesammelt. Hierzu eignet sich eine Mindmap, da es die verschiedenen Vorstellungen thematisch sortiert darstellt. Es kann aber auch nur eine Liste erstellt werden. Die Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler dienen als Überleitung zu den Vorstellungen der Wissenschaftler, die die Schülerinnen und Schüler anschließend in Einzelarbeit mithilfe einer interaktiven Präsentation oder eines Erklärvideos erkunden sollen. Die Lernenden können selbst auswählen, ob sie sich lieber mit der interaktiven Präsentation oder mit dem Erklärvideo beschäftigen wollen. Die Lernenden können sich abhängig von ihrem Lerntyp für die passendere Variante entscheiden. Die Lernenden, die das Video bevorzugen, erstellen eigenständig die Zusammenfassungen für die Arbeitsblätter. Die interaktive Präsentation ist geeignet für aktivere Lernende, die während des Lernens selbst in Aktion treten wollen. Sie besteht aus Abbildungen der verschiedenen Atommodelle, mit deren Hilfe jeweils Multiple-Choice-Aufgaben, Wörter-Einfügen-Aufgaben, Beschriftungs-Aufgaben und Richtig/Falsch-Aufgaben bearbeitet werden. Am Ende gibt es eine Zusammenfassung, die durch das Auswählen der richtigen Aussagen zusammengestellt wird und direkt auf die Arbeitsblätter übernommen werden kann. Während der Beschäftigung mit der interaktiven Präsentation oder mit dem Erklärvideo füllen die Schülerinnen und Schüler in Einzelarbeit die Arbeitsblätter 1 und 2 aus, die die Hauptaussagen der jeweiligen Atommodelle zusammenfassen. Die intensive Beschäftigung mit der Thematik und das eigenständige Festhalten der Zusammenfassungen auf den Arbeitsblättern soll es den Lernenden erleichtern, sich die verschiedenen Atommodelle zu merken. In der sich anschließenden Sicherungsphase, in der die Schülerinnen und Schüler ihre Zusammenfassungen zum Beispiel mithilfe einer Dokumentenkamera präsentieren, merken die Präsentierenden, dass ihre Arbeit entsprechend honoriert wird. Für die Schlusszusammenfassung werden die Vorstellungen der Lernenden vom Beginn der Stunde wieder aufgegriffen und, wenn möglich, einem der vier behandelten Atommodelle zugeordnet. Dies kann zum Beispiel mithilfe farblicher Markierungen geschehen. Diese Wiederholung des Gelernten am Ende der Stunde dient der Festigung und auch der Auseinandersetzung mit möglicherweise vorhandenen Fehlvorstellungen der Lernenden. Fachbezogene Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Daltons Vorstellung von den Atomen. erklären den Zusammenhang zwischen Rosinenkuchen und Thomsons Atommodell. erklären die Widerlegung von Thomsons Atommodell durch Rutherford. beschreiben den Aufbau der Atome nach Bohrs Schalenmodell. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler präsentieren ihre Ergebnisse adressatengerecht.

Die Unterrichtseinheit mit dem Thema "Der Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell" macht die Schülerinnen und Schüler mit den tatsächlichen Abläufen in einem Atom bekannt. Dabei dient dieses Atom-Modell als ein Übergangsmodell – weg vom Bohrschen Bahnbegriff und hin zu einem Wellenmodell, das auf stationären stehenden Wellen beruht. Allerdings wird auch bei diesem Modell zum einfacheren Verständnis noch auf die anziehende Wirkung des Atomkernes und damit auf den Potentialbegriff verzichtet. Es wird für Schülerinnen und Schüler benötigt, die Physik als Leistungsfach und gegebenenfalls als Abiturfach gewählt haben.Mit dem Potentialtopf-Modell werden die Lernenden auf die quantenphysikalischen Gegebenheiten in einem Atom vorbereitet. Dabei müssen sich die Schülerinnen und Schüler gedanklich von den aus der klassischen Physik bekannten Abläufen verabschieden und sich mit abstrakten und nicht mehr direkt zugänglichen Vorgängen vertraut machen. Zunächst wird dabei der lineare Potentialtopf benützt, mit dem man in einer Dimension das in einem "Topf" eingesperrte Elektron beschreibt. Daran anschließend können die Erkenntnisse und sich ergebenden Gleichungen auf den dreidimensionalen Potentialtopf übertragen werden, der sich den in einer späteren Unterrichtseinheit folgenden realen Verhältnissen in einem Wasserstoff-Atom grob annähert. Der Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell Dieses bewährte Modell bildet eine gute Möglichkeit, die Schülerinnen und Schüler auf ein quantenmechanisches Atommodell des Wasserstoffatoms vorzubereiten. Dabei wird es für die Lehrenden sehr wichtig werden, auf möglichst anschauliches und nachvollziehbares Unterrichtsmaterial zurückgreifen zu können. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können in der Weise vorausgesetzt werden, dass Schülerinnen und Schüler sowohl in der Mechanik als auch in der Elektrodynamik den Wellenbegriff bereits kennengelernt haben. Somit kann auf die entsprechenden Gleichungen – zumindest bis zu einem bestimmten Grad – zurückgegriffen werden. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas läuft man leicht Gefahr, die Lernenden gedanklich und mathematisch zu überfordern. Insbesondere dann, wenn man auch die schwer zu verstehenden Gleichungen herleiten will. Dies sollte man gegebenenfalls nur den sehr interessierten und mathematisch fortgeschrittenen Lernenden zumuten. Die Beschreibung der Vorgänge im Atom ist extrem komplex und schwierig. Selbst das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – kann nur eingeschränkt beschrieben werden und erfordert gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse. Mit dem Potentialtopf-Modell können aber die wesentlichen Grundlagen vermittelt werden, so dass dann in einer späteren Unterrichtseinheit auch das Wasserstoffatom ausreichend gut beschrieben werden kann. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Komplexität der Beschreibung der Vorgänge im Atom. wissen, dass die Vorgänge im Atom einer direkten Beobachtung nicht zugänglich sind. können die modellartige Funktion des linearen und dreidimensionalen Potentialtopfs beschreiben und einordnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin. 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 anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Diese Unterrichtseinheit handelt vom Aufbau der Atome und wie im Periodensystem der Elemente die Anzahl an Protonen, Elektronen, Neutronen und Schalen abgelesen beziehungsweise berechnet werden können. Diese Unterrichtseinheit beginnt mit einer Abbildung von mit Helium befüllten Ballons. Viele Lernende dürften bereits wissen, dass sich in solchen Ballons Helium befindet. Im Periodensystem der Elemente (PSE) wird gemeinsam das Element Helium ausfindig gemacht. Als Überleitung dient die Frage, weshalb sich Helium genau an dieser Stelle im PSE befindet. Zur Klärung dieser Frage wird den Schülerinnen und Schülern das Erklärvideo im Plenum vorgespielt. Daraufhin wird die relative Atommasse sehr vereinfacht eingeführt, da die genauere Erklärung der Maßeinheit u (über 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms) die Lernenden erfahrungsgemäß unnötig verwirrt. Die Berechnung der Anzahl der Neutronen schließt sich an. Am Schluss des Videos wird erklärt, wo im PSE die Anzahl an Schalen abgelesen werden kann und wie viele Elektronen in jede Schale passen. Anschließend erfolgt die Sicherung durch das Besprechen des Lückentextes. Als Zirkelschluss wird erneut die Position des Heliums im PSE aufgegriffen und zur Besprechung ein Schalenmodell eines Heliumatoms gezeigt. Anhand dieses Schalenmodells wird die Position des Heliums im PSE, die Anzahl an Protonen, Elektronen und Schalen und die relative Atommasse sowie die Berechnung der Anzahl an Neutronen wiederholt. In der Folgestunde wird das Ablesen der genannten Informationen im PSE anhand der Arbeitsblätter 2 und 3 durch die Schülerinnen und Schüler geübt. Ergänzend dazu gibt es interaktive Übungen , um das Wissen der Lernenden zu festigen und zu vertiefen. Als Motivation für diese Unterrichtseinheit dient eine Abbildung von heliumgefüllten Ballons, da einige Schülerinnen und Schüler bereits wissen, dass sich in solchen Ballons Helium befindet. Damit knüpft der Einstieg an die Lebenswelt der Lernenden und an ihre chemische Vorbildung an. Um auf das Thema überzuleiten, wird Helium im PSE ausfindig gemacht und es wird durch die Lehrkraft auf die Position des Heliums in der 1. Periode mit der Ordnungszahl 2 hingewiesen. Die Frage, was dies für den Atombau zu bedeuten hat, wird aufgeworfen. Zur Klärung dieser Frage schauen sich die Schülerinnen und Schüler das Erklärvideo an. Im Anschluss erhalten die Lernenden Arbeitsblatt 1, das einen Lückentext enthält, den sie in Paararbeit mithilfe von vorgegebenen Wörtern ausfüllen. Die Paararbeit dient dazu, dass die Schülerinnen und Schüler sich bei Unsicherheiten besprechen können. Falls gewünscht, können die Schülerinnen und Schüler das Erklärvideo als Hilfe verwenden, da sie es sich auf ihren mobilen Endgeräten erneut anschauen können. Der Vorteil hierbei ist, dass die Zweiergruppen in ihrer eigenen Geschwindigkeit das Video anschauen, stoppen und zurückspulen können. Das Erklärvideo enthält zwar Hintergrundmusik, alle nötigen Informationen sind jedoch in schriftlicher Form dargestellt, sodass kein Ton für das Verstehen des Videos benötigt wird. So wird ermöglicht, dass viele Lernende gleichzeitig in einem Klassenzimmer das Video anschauen können. Durch das vorherige gemeinsame Anschauen des Videos kennen die Lernenden den ungefähren Ablauf und können direkt an die Stelle spulen, die sie als Hilfe für das Bearbeiten des Arbeitsblattes benötigen. Zur Binnendifferenzierung können die vorgegebenen Wörter auf dem Arbeitsblatt gelöscht werden und der Lückentext lediglich mithilfe des Videos ausgefüllt werden. Dies eignet sich für die stärkeren Schülerinnen und Schüler. In der Sicherungsphase sammelt die Lehrkraft die Antworten der Lernenden auf dem Arbeitsblatt, indem die Schüler und Schülerinnen die ausgefüllten Sätze vorlesen und die Lehrkraft die Lücken auf dem Arbeitsblatt unter der Dokumentenkamera ausfüllt. Als Zirkelschluss am Ende der Stunde wird erneut das Element Helium aufgegriffen. Dieses Mal wird den Lernenden das Schalenmodell eines Helium-Atoms präsentiert und das in dieser Stunde Erlernte wird in Bezug auf die Position des Elements Helium im Periodensystem der Elemente während eines gemeinsamen Gespräches wiederholt. Die Folgestunde dient als Übungsstunde, in der die Zusammenhänge zwischen der Position eines Elements im Periodensystem und dem Atombau eingeübt und gefestigt werden. Als Motivation wird den Schülerinnen und Schülern das Element Natrium im Original präsentiert und seine Position im PSE gemeinsam ausfindig gemacht. Zur Erarbeitung erhalten die Schülerinnen und Schüler Arbeitsblatt 2, auf dem sie den PSE-Eintrag des Natriums beschriften (Ordnungszahl, relative Atommasse), die Berechnung der Anzahl an Neutronen erklären und eine beschriftete Zeichnung des Schalenmodells eines Natrium-Atoms anfertigen. Auch hier wird auf Paararbeit zurückgegriffen, damit die Schülerinnen und Schüler sich gegebenenfalls bei Unsicherheiten besprechen können. Anschließend erfolgt die Sicherung mithilfe von Präsentationen durch die Schülerinnen und Schüler, währenddessen ihre Leistung honoriert wird. Zur weiteren Übung und Festigung erhalten die Lernenden Arbeitsblatt 3, das sie nun in Einzelarbeit bearbeiten sollen, um zu überprüfen, ob sie die Thematik verstanden haben. Die Sicherung erfolgt wieder durch Präsentationen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Ordnungszahl als Angabe der Anzahl von Protonen und Elektronen eines Atoms. erklären die Berechnung der Anzahl von Neutronen eines Atoms mithilfe der relativen Atommasse. beschreiben die Periode als Anzahl von Schalen eines Atoms. ermitteln mithilfe des Periodensystems der Elemente die Anzahl an Atombestandteilen eines Atoms und fertigen eine Zeichnung des Schalenmodells an. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler üben während der Paararbeitsphasen soziale Kompetenzen ein. präsentieren ihre Ergebnisse adressatengerecht.

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.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die räumliche Anordnung von Molekülen kennen, erstellen selbst dreidimensionale, digitale Moleküle und können deren Struktur begründen. Der Einstieg in die Einheit erfolgt über den Contergan-Skandal der Firma Grünenthal. Der Wirkstoff von Contergan – Thalidomid – hat zu schweren Missbildungen vor allem bei ungeborenen Kindern geführt, deren Mütter das Medikament während der Schwangerschaft einnahmen. Die Ursache lag darin, dass Thalidomid in zwei unterschiedlichen räumlichen Anordnungen existiert, eine davon ruft Missbildungen hervor. In interaktiven Quiz-Formaten wiederholen die Schülerinnen und Schüler die Arten von chemischen Bindungen, damit sie die räumliche Anordnung von Molekülen später vorhersagen und begründen können. Mit einer Infografik vertiefen sie ihr Wissen zur Elektronenpaarbindung und Oktettregel. Sie erkennen den Einfluss der freien Elektronen auf die Struktur des Moleküls. Über die eigene Erstellung von 3D-Molekülen über die Website molview.org erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass Moleküle dreidimensionale Gebilde sind, deren Atome sich nach bestimmten Regeln anordnen. Durch einen kurzen Trailer erkennen die Lernenden die Bedeutung der freien Elektronenpaare auf die Anordnung der Atome im Molekül. Auf der Suche nach einer Möglichkeit, die dreidimensionale Anordnung zweidimensional darzustellen, erarbeiten die Schülerinnen und Schüler die Keilstrichprojektion. Im weiteren Verlauf recherchieren sie Teile des VSEPR-Modells, mit dessen Hilfe man die 3D-Struktur von Molekülen vorhersagen kann. Durch weitere Aktivitäten auf molview.org steigern sie das Verständnis der dreidimensionalen Struktur. Als Gesamtzusammenfassung lösen die Lernenden ein H5P-Quiz . Beim Einstieg muss die Lehrkraft entscheiden, welche Inhalte der Website zum Contergan-Skandal relevant sind. Interessant sind die Daten und Fakten. Mit einem kurzen Vortrag kann die Lehrkraft unterstützen, den Skandal grob zu verstehen. Mithilfe der Präsentation erklärt die Lehrkraft den Spezialfall von Thalidomid, das aus zwei Enantiomeren besteht, die sich nur geringfügig in der Anordnung der Atome im Molekül unterscheiden. Sie verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die räumliche Anordnung von Atomen im Molekül mitentscheidend für die Eigenschaften ist. Als Vorwissen sollten die Schülerinnen und Schüler wissen, was Atombindungen sind und wie diese entstehen. Ebenfalls sollten sie mit der Valenzstrichschreibweise vertraut sein. Zur Wiederholung und Auffrischung dienen der Lückentext zu chemischen Bindungen sowie die Infografik zu Molekülen beziehungsweise der Oktettregel. Beim Erstumgang mit der Website molview.org sollte die Lehrkraft mithilfe der Präsentation kurz erklären, welche Eingaben auf der Internetseite vorgenommen werden müssen, damit man die 3D-Struktur betrachten kann. Die Schülerinnen und Schüler sollen direkt über die Suche arbeiten, Moleküle also nicht aus Atomen erstellen. Wichtig ist hierbei, dass auf molview.org keine freien Elektronenpaare dargestellt werden. Beim Skizzieren der Molekülstrukturen durch die Schülerinnen und Schüler, zum Beispiel bei der Keilstrichprojektion, sollten die freien Elektronenpaare dargestellt werden. Bei der Überleitung zum VSEPR durch den Vergleich von Ammoniak und Methan kann bei geübten Schülerinnen und Schülern auf das Zeigen des kurzen Filmes verzichtet werden. Wenn die Schülerinnen und Schüler die Strukturen der beiden Moleküle vergleichen, könnten sie selbst darauf kommen, dass Ammoniak nach ihrem jetzigen Wissensstand anders aussehen müsste (H-Atome gleichmäßig um das N-Atom angeordnet). Die Inhalte des VSEPRs sollten grob besprochen werden. Hierbei ist es wichtig, den Molekültyp, zum Beispiel AB 3 E zu besprechen. Beim Punkt "VSEPR in der Praxis" können gerne zusätzliche Moleküle vorgegeben und durch die Schülerinnen und Schüler selbst bestimmt werden. Je nach Leistungsbereitschaft der Schülerinnen und Schüler kann hier differenziert werden. Das selbstgesteuerte Bestimmen von Strukturen ist für mathematisch-naturwissenschaftliche Klassen geeignet. Als Pufferlernziel kann kurz auf die Modellkritik eingegangen werden. Den Schülerinnen und Schülern sollte klar sein, dass Modelle lediglich ein Abbild der Realität sind, aber eben nicht der Realität entsprechen. Beim Rückbezug auf den Einstieg sollte nochmal betont werden, welchen Einfluss die räumliche Anordnung von Atomen im Molekül haben kann und wie die Eigenschaften dadurch verändert werden können. Die Gesamtzusammenfassung durch das Quiz sichert die wichtigsten Informationen und stellt eine weitere Einübung des VSEPRs dar. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler zählen chemische Bindungen auf. können die Entstehung von Molekülen begründen. können die Oktettregel erklären. stellen ausgewählte Moleküle in Keilstrichprojektion dar. beschreiben das VSEPR-Modell. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren Informationen und verarbeiten sie. bearbeiten ein Online-Quiz. geben Moleküle auf einer Website ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Informationen mit Informationen von Mitlernenden. stellen Informationen anderen Schülerinnen und Schülern vor.

Die Schrödingergleichung gehört zu den wichtigsten Gleichungen der Quantenphysik und bildet die Grundlage zum Verständnis von quantenmechanischen Zusammenhängen. Sie benutzt für die Beschreibung quantenmechanischer Abläufe die sogenannte Wellenfunktion, mit der sich zum einen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit, zum anderen die Energieniveaus eines Teilchens in einem Atom berechnen lassen. Sie findet in vielen Bereichen der Physik ihre Anwendung wie etwa in der Atomphysik, der Molekülphysik, der Festkörperphysik und über die Physik hinaus auch in der Quantenchemie. Die Schrödingergleichung ist in ihrer vollen mathematischen Ausprägung sehr anspruchsvoll, kann aber durch geeignete vereinfachende Möglichkeiten wie etwa die Anwendung von Potentialtöpfen als Näherung an die tatsächlichen Vorgänge im Atom anschaulich und altersgerecht vorgestellt werden. Für das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – wird es somit mit nachvollziehbaren mathematischen Gleichungen möglich, physikalische Formeln abzuleiten und entsprechende Ergebnisse zu berechnen. Dabei besteht die Grundidee darin, das Coulomb-Potential des Wasserstoffatoms durch einen geeigneten Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden anzunähern und Wahrscheinlichkeiten sowie Energieniveaus zu berechnen. In dieser Unterrichtseinheit, die ausschließlich für das Kurssystem der gymnasialen Oberstufe gedacht ist, soll nach Herleitung der zeitunabhängigen und damit leichter zu verstehenden der beiden Schrödingergleichungen eine Methode vorgestellt werden, mit der sich verschiedene Abläufe im Wasserstoffatom mit Näherungslösungen darstellen und berechnen lassen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte gut präpariert sein, um auf kritische Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können nur vorausgesetzt werden, wenn in der Sekundarstufe das Thema Quantenphysik – ausgehend vom Fotoeffekt bis hin zu Wahrscheinlichkeitswellen – bereits ausführlich behandelt wurde. Didaktische Analyse Die Beschäftigung mit "komplizierten" physikalischen Gesetzmäßigkeiten, zu der in erster Linie die Schrödingergleichung gehört, liefert einen tiefen Einblick in eine Physik, die einen Blick eröffnet in eine für die meisten Menschen unbekannte Welt. So kann ein vertieftes Verständnis für die Schrödingergleichung und ihre Bedeutung in der Quantenphysik aufgebaut werden. Methodische Analyse Für interessierte und mathematisch versierte Schülerinnen und Schüler dürften die Herleitungen hin zur Schrödingergleichung zwar anspruchsvoll sein, durch die vielen Möglichkeiten mit entsprechenden Animationen, Näherungen und Vereinfachungen aber gut nachvollziehbar sein. Ablauf der Unterrichtseinheit Ein Vorschlag für einen möglichen zeitlichen Unterrichtsverlauf ist aufgrund des thematischen Umfangs und der aufwendigen mathematischen Herleitungen kaum möglich. Im Rahmen der Gegebenheiten in der gymnasialen Oberstufe mit unterschiedlichen Kursangeboten werden sich Unterrichtsabläufe ergeben, die sich in Abhängigkeit von den jeweiligen Lehrplänen sehr unterscheiden werden. Deshalb soll hier auf einen vorgegeben Unterrichtsablauf verzichtet werden. Vielmehr sollte die jeweilige Lehrkraft für sich entscheiden, welche Inhalte priorisiert werden sollen und wie diese dann in dem zur Verfügung stehenden Zeitrahmen unterrichtet werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Grundgedanken der Schrödingergleichung mithilfe des bisher schon Gelernten nachvollziehen und beschreiben. sind in der Lage, mit den entsprechenden mathematischen Gesetzmäßigkeiten die Schrödingergleichung herzuleiten, anzuwenden und Berechnungen anzustellen. können die aus dem linearen Potentialtopf abgeleiteten Formeln auf das Wasserstoffatom in guter Näherung übertragen. 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 und Freunden diskutieren zu können.

Vor etwas mehr als 100 Jahren erhielten die Astronomen die Möglichkeit, auf der Grundlage von Sternspektren die Physik der Sternatmosphären zu erforschen. Der helle Stern Wega besitzt ein sehr übersichtliches Spektrum, für dessen Auswertung und Interpretation Kenntnisse der Oberstufen-Schulphysik genügen.In der Schulsternwarte der Geschwister-Scholl-Realschule in Betzdorf wurde das Spektrum des Sterns Wega im Sternbild Leier mit einem DADOS-Spektrographen der Firma Baader-Planetarium aufgenommen. Basierend auf dieser Aufnahme können unter Verwendung einer Energiesparlampe als Kalibrierlichtquelle die Wellenlängen der im Wega-Spektrum beobachtbaren Absorptionslinien vermessen werden. Für die Interpretation des Spektrums genügt die Kenntnis der wesentlichen Aussagen des Bohrschen Atommodells. Das in der vorliegenden Unterrichtseinheit beschriebene Vorgehen betrachtet die klassischen Themen Wellenoptik und Atommodelle des Oberstufenlehrplans Physik unter astrophysikalischem Aspekt und verknüpft sie mit modernen Methoden rechnergestützter Datenverarbeitung und Auswertung.Das alleinige Erstellen des Spektrums der Wega aus den beiden Bilddateien ("wega_spektrum.jpg" und "spektrum_ESL.jpg") lässt sich als isolierte Unterrichtseinheit auffassen. Man sollte dafür einen Zeitbedarf von zwei Unterrichtsstunden ansetzen. Sinnvoller erscheint es jedoch, die Thematik in einen übergeordneten Zusammenhang zu stellen. Dies erfordert Grundkenntnisse zur Emission beziehungsweise Absorption von Licht im Wasserstoffatom und zur Spektralklassifikation von Sternen. Die wesentlichen Informationen zu beiden Themen können Schülerinnen und Schüler im Internet recherchieren. Wenn allerdings, zum Beispiel aus Zeitgründen, auf eine Internetrecherche verzichtet werden soll, können die in diesem Beitrag dargestellten fachlichen Grundlagen (Datei "wegaspektrum_grundlagen.pdf") als eine kurze Einführung in die Thematik dienen. Grundlagen: Wasserstoffspektrum & Spektralklassen Zum Verständnis des Wega-Spektrums ist die Kenntnis der Theorie zur Lichtabsorption und -emission in Atomen erforderlich. Auch die Spektralklassen der Sterne sollten bekannt sein. Der Stern Wega Der noch junge, bläulich-weiße Stern der Spektralklasse A hat eine Lebenszeit von weniger als einem Zehntel unserer Sonne. Möglicherweise besitzt Wega einen Planeten. Vermessung der Absorptionslinien im Wega-Spektrum Die Verfahrensweise und das Ergebnis werden hier ausführlich vorgestellt und diskutiert. Alle Materialien zur Unterrichteinheit können Sie hier einzeln herunterladen. Die Schülerinnen und Schüler sollen Lichtemission und Lichtabsorption im Bohrschen Atommodell beschreiben und erklären können. Grundlegendes zu den Spektralklassen der Sterne erfahren. verstehen, warum die Spektralklassensequenz der Sternspektren eine Temperatursequenz ist. wesentliche Eigenschaften des Sterns Wega kennen lernen. einen Gitterspektrographen anhand des bekannten Spektrums einer Energiesparlampe kalibrieren. aus einer digitalen Bilddatei das (Absorptions-)Spektrum des Sterns Wega in Form einer Funktion extrahieren, die jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zuordnet. die Absorptionslinien im Wega-Spektrum als Linien der Balmerserie des atomaren Wasserstoffs erkennen. Thema Das Spektrum der Wega Autoren Peter Stinner, Steffen Urban Fach Physik, Astronomie, Astronomie-AGs Zielgruppe Jahrgangstufe 11-13 Zeitraum 2-5 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang (Internetrecherche zu fachlichen Grundlagen und zur Auswertung der Spektren) Software Astroart oder kostenlose Astroart-Demoversion zur Erstellung von Intensitätsprofilen längs beliebiger gerader Linien in Bilddateien; Tabellenkalkulation (hier MS Excel) Steffen Urban ist Schüler der Jahrgangstufe 12 am Kopernikus-Gymnasium Wissen. In seiner Facharbeit beschäftigte er sich mit der Kalibrierung des DADOS-Spaltspektrographen. Das Bohrsche Atommodell Nach dem Bohrschen Atommodell gibt es für Elektronen in einem Atom oder Ion verschiedene diskrete Energieniveaus, so genannte Quantenzustände. Es ist nicht möglich, dass die Elektronenenergie Zwischenwerte annimmt. Niels Bohr (1885-1962) schrieb jedem dieser Zustände eine bestimmte Kreisbahn eines Elektrons um den Atomkern zu. Energieniveaus und Spektrallinienserien des Wasserstoffatoms Normalerweise hält sich das Elektron in einem Wasserstoffatom im Grundzustand auf (Quantenzahl: n = 1), also auf der Stufe mit der niedrigsten Energie. Der Begriff "Grundzustand" rührt daher, dass ein mittels Energiezufuhr auf einen höheren Zustand befördertes Elektron nach kurzer Zeit wieder in diesen Grundzustand zurückfällt. Theoretisch gibt es in einem Atom unendlich viele Quantenzustände für Elektronen, deren Energiedifferenzen mit größeren Quantenzahlen jedoch immer geringer werden, und deren Energien gegen einen bestimmten Wert, die Ionisationsgrenze, konvergieren. Wenn man die Gesamtenergie eines Elektrons im Wasserstoffatom an der Ionisierungsgrenze zu Null Elektronenvolt (eV) festlegt, dann hat es im Grundzustand eine Energie von -13,6 Elektronenvolt. Zur Ionisierung eines Wasserstoffatoms im Grundzustand ist also eine Mindestenergie von 13,6 Elektronenvolt erforderlich. Die Energieniveau-Schemata der Atome anderer Elemente sind deutlich komplizierter. Allen gemeinsam ist aber das Auftreten von diskreten Energieniveaus. Aufnahme und Abgabe von Energie in einem Atom Der Wechsel eines Elektrons zwischen zwei diskreten Energiestufen ist mit der Aufnahme oder der Abgabe von Energie verbunden. Dies erfolgt entweder strahlungslos durch eine Kollision mit einem anderen Teilchen, oder aber durch Absorption (Energie wird aufgenommen) oder Emission (Energie wird abgegeben) eines Lichtquants, eines so genannten Photons, der Energie W = h•f. Die Vorgänge der Aufnahme und Abgabe von Energie in einem Atom durch Elektronensprünge ("Quantensprünge") illustriert Abb. 2. Neben den im Wasserstoffatom existierenden Energiezuständen zeigt Abb. 1 auch, welche Übergänge zwischen solchen Zuständen möglich sind, das heißt welche Spektrallinien im Wasserstoffspektrum zu erwarten sind. Im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen dabei ausschließlich Linien der Balmerserie. Damit Linien dieser Serie emittiert werden können, müssen Wasserstoffatome sich in einem Quantenzustand mit n = 3 oder höher befinden. Linien der Balmerserie treten im Absorptionsspektrum von Wasserstoff nur dann auf, wenn hinreichend viele Atome sich im Zustand mit n = 2 aufhalten. Wann und warum diese Bedingung von Sternen erfüllt wird, wird im Folgenden erläutert. Planck-Funktion und Absorptionsspektren Sterne existieren in einem sehr großen Oberflächen-Temperaturbereich von etwa 3.000 Kelvin bis über 100.000 Kelvin, wobei die Sonne an der Oberfläche etwa 6.000 Kelvin heiß ist. Sterne strahlen ihre Energie gemäß der Planck-Funktion ab, die in Abb. 3 (zur Vergrößerung bitte anklicken) logarithmisch dargestellt ist. Die Kurvenform ist temperaturunabhängig, die Maxima verschieben sich mit steigender Temperatur nach links. Dadurch erscheinen kühlere Sterne rötlich, heiße Sterne sind bläulich. Betrachtet man neben der spektralen Verteilung der abgestrahlten Energie die Spektren verschiedener Sterne, so erscheint die Situation auf den ersten Blick deutlich unübersichtlicher. Abb. 4 zeigt Spektren von sieben verschiedenen Sternen. Man erkennt, dass alle diese Spektren Absorptionsspektren sind, das heißt in einem eigentlich kontinuierlichem Spektrum fehlt Licht diverser diskreter Wellenlängen. Die dunklen Linien in den Spektren nennt man Absorptionslinien, da Licht der entsprechenden Farbe beziehungsweise Wellenlänge in den Sternatmosphären absorbiert wird. Spektraltypen Die Klassifizierung der Sterne in Spektraltypen erfolgte anfänglich nur anhand von Merkmalen im Spektrum. So nimmt die Intensität mancher Absorptionslinien von einer Klasse zur nächsten manchmal zu oder auch ab. Später erkannte man, dass die Oberflächentemperatur eines Sterns für das Aussehen seines Spektrums verantwortlich ist. Die Spektralklassen wurden in eine Temperatursequenz umgeordnet (Abb. 5), wobei die Oberflächentemperaturen von der Spektralklasse O (für ganz heiße Sterne mit etwa 30.000 bis 50.000 Kelvin Temperatur) über B, A, F, G und K bis hin zu M (etwa 2.000 bis 3.350 Kelvin) abnehmen. Das Merken dieser Reihenfolge erleichtert der Satz " O B*e *A* *F*ine *G*irl, *K iss M e!". Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Spektralklassensequenz in jüngerer Zeit um die Klassen L und T für Zwergsterne erweitert wurde. Eigenschaften der Spektralklassen In den Atmosphären sehr heißer Sterne der Spektralklassen O, B und A können keine Moleküle existieren. Die heftige thermische Bewegung der beteiligten Atome würde jegliche chemische Bindung sprengen. Auf weniger heißen Sternen der Klassen K und M existieren Moleküle. Deren Spektrallinien tauchen als Absorptionslinien in den Spektren auf und machen diese recht unübersichtlich. In K- und M-Spektren gibt es im sichtbaren Wellenlängenbereich keine Linien aus Atomspektren. Die Elektronenhüllen aller Atome befinden sich im energetischen Grundzustand, und alle Absorptionslinien, die durch Lichtabsorption eines Atoms im Grundzustand zustande kommen können, liegen im ultravioletten Bereich. Dagegen ist die Situation bei den heißen Sternen anders gelagert: Die aufgrund ihrer Wärmebewegung große kinetische Energie der Atome führt bei Stößen der Atome untereinander zur Beförderung der Elektronen in höher gelegene Quantenzustände. Derart "angeregte" Atome absorbieren, wie oben erläutert, auch sichtbares Licht. Das Wega-Spektrum Beim Stern Wega (Spektralklasse A) ist die Situation besonders übersichtlich: Das Spektrum enthält im Sichtbaren ausschließlich Absorptionslinien, die zur Balmerserie des atomaren Wasserstoffs gehören. Die Oberflächentemperatur des Sterns und damit die Bewegungsenergie der Wasserstoffatome in der Sternatmosphäre sind nämlich groß genug, dass ständig viele Wasserstoffatome durch Stöße untereinander in den Quantenzustand mit n = 2 gelangen. Damit sind die Bedingungen für das Auftreten sichtbarer Absorptionslinien gegeben (vergleiche Abb. 1). Wega ist der Hauptstern des Sternbilds Leier. Diese Konstellation ist durch den berühmten Ringnebel (M 57) bekannt. Wega bildet zusammen mit Deneb (Hauptstern im Sternbild Schwan) und Atair (Hauptstern im Adler) das so genannte Sommerdreieck (Abb. 6). Sie ist etwa 25,3 Lichtjahre von der Sonne entfernt und damit ein relativ nahe gelegener Stern. Zusammen mit Arktur und Sirius ist Wega einer der hellsten Sterne in der Nachbarschaft der Sonne. Wega diente als Nullpunkt zur Kalibrierung der astronomischen fotometrischen Helligkeitsskala. Sie ist ein bläulich-weißer Stern der Spektralklasse A, der in seinem Kern Wasserstoff zu Helium fusioniert. Mit einem Alter von ungefähr 400 bis 500 Millionen Jahren zählt Wega zu den noch ziemlich jungen Sternen. Wega weist die doppelte Masse und die 37-fache Leuchtkraft der Sonne auf. Das sichtbare Spektrum wird durch Absorptionslinien des Wasserstoffs, speziell durch Linien der Balmerserie, dominiert. Die Linien der anderen Elemente sind nur ganz schwach ausgeprägt. Da massereiche Sterne ihren Wasserstoff viel schneller als kleinere Sterne zu schwereren Elementen fusionieren, ist die Lebenszeit von Wega mit einer Milliarde Jahre vergleichsweise gering. Das entspricht etwas weniger als einem Zehntel der Lebenszeit der Sonne. Mit Lebenszeit ist hier die Zeit gemeint, während der ein Stern Energie aus der Fusion von Wasserstoff freisetzt. Danach wird sich Wega zu einem roten Riesen der Spektralklasse M aufblähen, um schließlich als Weißer Zwerg zu enden. Durch die vermehrte Abstrahlung im Infrarotbereich weiß man, dass Wega von einer Gas- und Staubscheibe umgeben ist. Im Jahr 2003 berechneten britische Astronomen, dass die Eigenschaften dieser Scheibe vermutlich am besten durch einen Planeten, der dem Neptun ähnelt, erklärt werden können. Trotz intensiver Suche konnte bei Wega bis heute aber noch kein Planet nachgewiesen werden. Aufnahme des Wega-Spektrums Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren der Wega und einer Energiesparlampe wurden mit einem DADOS-Spektrographen der Firma Baader-Planetarium am C8-Teleskop der Schulsternwarte der Geschwister-Scholl-Realschule in Betzdorf gewonnen. Die Methode der Technik der Gewinnung von Spektren als Bilddateien wird ausführlich in der Unterrichtseinheit Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln beschrieben. Nachdem das Spektrum der Wega (Abb. 7) zur Verfügung steht, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Zur Beantwortung dieser Frage muss der Spektrograph kalibriert (geeicht) werden. Eine Energiesparlampe als Kalibrierlichtquelle Als so genannte Kalibrierlichtquelle verwendet man eine externe Lichtquelle, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittiert, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Diese Anforderungen erfüllen handelsübliche und preiswerte Energiesparlampen. Diese benötigen im Gegensatz zu den üblicherweise in Physiksammlungen vorhandenen Spektrallampen weder Vorschaltgeräte noch eine Hochspannungsversorgung. Auch das Problem der Erhitzung spielt keine Rolle. Energiesparlampen sind also auch in einer beengten Sternwarte problemlos und gefahrlos zu betreiben. Steffen Urban hat das Referenzspektrum einer Energiesparlampe (ESL) im Rahmen seiner Facharbeit mit großer Genauigkeit vermessen (Abb. 8). Die Fehler bei den Wellenlängenwerten liegen typischerweise um 0,1 Nanometer. Erster Schritt: Das Spektrum der Kalibrierlampe Zu Beginn wird der Spektrograph auf der Grundlage des bekannten Spektrums einer Energiesparlampe (siehe Abb. 8) kalibriert. Wir wählen dazu das untere der drei Spektren im Bild "spektrum_ESL.jpg", das (genau wie das Wega-Spektrum im Bild "spektrum_wega.jpg") mit dem 35 Mikrometer breiten Spalt des DADOS-Spektrographen aufgenommen wurde. Nun gilt es, mithilfe des Programms Astroart und einer Tabellenkalkulationssoftware (hier MS Excel) daraus ein Intensitätsprofil längs einer Strecke durch das Spektrum zu erstellen. Die kostenfreie Demoversion von Astroart reicht für unsere Zwecke aus. Als Endergebnis der Prozedur entsteht ein Diagramm, wie es in Abb. 9 in den Spalten D bis G (oben) zu sehen ist. Abb. 9 zeigt einen Screenshot der Exceldatei "wega_muster_auswertung.xls". Zweiter Schritt: Die Kalibrierfunktion Auf der Erzeugung des Intensitätsprofils des Kalibrierlampen-Spektrums folgt die Ermittlung der Kalibrierfunktion, die jeder Pixelnummer aus Spalte A in Abb. 9 eine Wellenlänge zuordnet. Dabei entsteht die rote Wertetabelle der Kalibrierfunktion in den Spalten P und Q von Abb. 9. Zu dieser Tabelle erstellt man dann ein Diagramm (unteres Diagramm in den Spalten D bis G, Abb. 9). Dritter Schritt: Das Wega-Spektrum Wie oben für das Energiesparlampen-Spektrum beschrieben, verfährt man nun mit dem Wega-Spektrum (Datei "spektrum_wega.jpg"). In Astroart wird von dem Spektrum ein Profil mit den gleichen Endpunkten wie zuvor beim Energiesparlampen-Spektrum erzeugt. Vom Spektrum der Wega liegt dann eine Funktion vor, die jeder Pixelnummer die entsprechende Intensität zuordnet. Mithilfe der im zweiten Schritt gewonnenen Kalibrierfunktion werden dann die Pixelnummern durch Wellenlängen ersetzt. Aus den Spalten J und I (Abb. 9) entsteht schließlich das Wega-Spektrum in seiner endgültigen Form (Spalten L bis O, unteres Bild in Abb. 9). Aus dem Intensitätsprofil des Wega-Spektrums lokalisiert man die ungefähre Lage der drei auffallenden Absorptionslinien. Die Intensitätswerte aus Spalte I in Abb. 9 helfen bei der genauen Festlegung der Intensitätsminima. Das Verfahren ist bei der Ermittlung der Linienmaxima im Energiesparlampen-Spektrum ausführlich beschrieben. Abb. 10 zeigt die Ergebnisse dieser Prozedur und gleichzeitig eine Möglichkeit, die Daten anschaulich darzustellen. Unter den von uns gemessenen Wellenlängen der Absorptionslinien sind die Literaturwerte ergänzt. Die in der Literatur als sichtbar beschriebenen Balmerlinien H-delta (410,2 Nanometer) und H-epsilon (397,0 Nanometer) fehlen hier. Ursache ist ein UV-Sperrfilter vor dem Sensor der verwendeten Kamera. Dieser blockiert sämtliches Licht mit Wellenlängen unter 415 Nanometern. Man erkennt die drei Absorptionslinien H-alpha, H-beta und H-gamma der Balmerserie (vergleiche Abb. 1 ). Damit ist zum Beispiel nachgewiesen, dass die Atmosphäre der Wega größere Mengen an atomarem Wasserstoff enthält. Außerdem kann man daraus schließen, dass diese Wasserstoffatome vergleichsweise hohe Temperaturen haben. Atome, die Licht der Balmerwellenlängen absorbieren, müssen sich im "ersten angeregten Energiezustand" (Quantenzahl n = 2) befinden. Dieser ist nur bei hohen Temperaturen ausreichend besetzt. Wega - ein geeignetes Objekt für den Einstieg in die Spektroskopie Für eine erste Betrachtung des Spektrums eines Himmelsobjekts eignet sich das Spektrum der Wega besonders gut. Da es im sichtbaren Bereich nur die Linien der Balmerserie zeigt, ist es auch für Anfänger auf dem Gebiet der Spektroskopie leicht zu überschauen und zu interpretieren. Abweichung von den Literaturwerten Die in unserer Musterauswertung (siehe Abb. 9) ermittelten Wellenlängen der Absorptionslinien im Wega-Spektrum (Abb. 10) weichen von den Literaturwerten um etwa ein Nanometer ab. Ein Grund dafür ist der Umstand, dass wir uns bei der Festlegung der Orte der Spektrallinien - sowohl im Kalibrier-, als auch im Wega-Spektrum - auf ganzzahlige Pixelwerte beschränkt haben. Wer bereit ist, mehr Aufwand zu betreiben, kann die Linienorte in den Spektren durch Betrachtung der jeweiligen Linienprofile auf etwa 0,1 Pixel genau festlegen und die Abweichungen von den Literaturwerten damit nennenswert reduzieren. (Informationen zur Vorgehensweise finden Sie in der Unterrichtseinheit "Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln" im Abschnitt Spektren planetarischer Nebel .) Eine weitere Fehlerursache liegt darin, dass die Funktion "Trendlinie" in Excel, die die Kalibrierfunktion liefert, die Koeffizienten der Terme zweiter und höherer Ordnungen nur auf eine geltende Ziffer genau angibt. Mit anderer Software (zum Beispiel dem Open-Source-Programm Qtiplot) sind exaktere Kalibrierfunktionen konstruierbar. Wikipedia: QtiPlot QtiPlot ist ein Open-Source-Programm zur Analyse und Visualisierung von Daten. Steffen Urban ist Schüler der Jahrgangstufe 12 am Kopernikus-Gymnasium Wissen. In seiner Facharbeit beschäftigte er sich mit der Kalibrierung des DADOS-Spaltspektrographen.