Vorteile und Lernpotentiale des RCL

Welche Vorteile hat das RCL gegenüber dem traditionellen Experiment? Welches Lernpotenzial hat der Rutherfordsche Streuversuch?

Nachteile des traditionellen Schulversuchs

Zu hohe Kosten

Der Rutherfordsche Streuversuch kann an Schulen nur selten durchgeführt werden, weil die notwendige Versuchsapparatur nicht vorhanden ist. Die hohen Anschaffungskosten stehen für viele Schulen in keinem Verhältnis zum durchschnittlich einmaligen Einsatz pro Jahr.

Berufung auf die qualitative Behandlung in der Mittelstufe

Der Versuch ist physikalisch für Lernende und fachdidaktisch für Lehrende anspruchsvoll, weil zum Verständnis des Versuchs Kenntnisse aus der Mechanik, der Elektrostatik und der Radioaktivität in Beziehung gesetzt werden müssen. Erschwerend kommt in der Schule dazu, dass eine Herleitung der Rutherfordschen Streuformel auf Schulniveau nicht möglich ist. Dieser inhaltlichen Komplexität und der Versuchsdurchführung wird mit dem Argument der bereits im Chemieunterricht der Mittelstufe erfolgten Behandlung ausgewichen - die jedoch nur qualitativ ist.

Hoher Zeitaufwand

Die Durchführung des Versuchs ist in Relation zur Unterrichtszeit sehr zeitaufwändig, weil nach der Strahlenschutzverordnung die Aktivität des Präparats auf maximal 370 kBq begrenzt ist und die Rutherfordsche Streuformel erst für Streuwinkel gilt, die größer als etwa 10 Grad sind. Aus diesen Gründen ist bei einer experimentellen Überprüfung der Rutherfordschen Streuformel (Zusammenhang zwischen der Streurate und dem Streuwinkel) mit hinreichend vielen Messwerten und hinreichend kleinem statistischem Messfehler eine große Gesamtmessdauer erforderlich.

Lernende sind "nur" Beobachter

Die Beteiligung der Schülerinnen und Schüler an der Durchführung des Lehrerdemonstrationsexperiments muss sich auf das Ablesen und Notieren von Messwerten beschränken. Konsequenterweise müssten die Messwerte im Präsenzunterricht vollautomatisiert gemessen werden.

Vorteile des RCLs

  • Der Umgang mit dem radioaktiven Präparat und der Vakuumpumpe entfällt.
  • Die Genauigkeit der motorisierten Winkeleinstellung von weniger als einem halben Grad liegt über der des traditionellen Versuchs.
  • Der Wechsel des Streumaterials ist ohne Belüftung der Vakuumkammer möglich.

Versuchsdurchführung

  • Die Experimentierzeit verkürzt sich durch die motorisierte Einstellung des Streuwinkels und des Streumaterials.
  • Die Durchführbarkeit des Versuchs über das Internet erlaubt das außerschulische Messen und Zusammentragen der Streuraten für verschiedene Streuwinkel in einer Gruppe (kooperatives Messen). Die Lernenden können selbst während der Messwertaufnahme die statistisch schwankenden und mit zunehmendem Streuwinkel abnehmenden Zählraten beobachten. Aus dieser experimentellen Erfahrung kann sich Interesse an einer Deutung der Versuchsergebnisse und einer nachfolgenden mathematischen Behandlung entwickeln.
  • • Die Durchführbarkeit des Versuchs als Schülerversuch legt die Planung von Messreihen (zum Beispiel einer Messreihe mit minimaler Experimentierzeit) in die Hände der Lernenden.

Lernpotenzial des Rutherfordschen Streuversuchs

  • Innerphysikalische Anwendung gelernter Inhalte aus der Mechanik und Elektrostatik (Coulombfeld, Newtonsche Mechanik, Energieerhaltungssatz, Impulserhaltungssatz)
  • Abschätzung des statistischen Fehlers zur Beurteilung der Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment
  • Abschätzung des systematischen Fehlers bei der Bestimmung der Kernladungszahl von Gold oder Aluminium

Fachmethodisches Lernpotenzial

  • Einordnung des Rutherfordschen Streuversuchs und des Rutherfordschen Atommodells als bedeutenden historischen Schritt in der Entwicklung unserer Vorstellung von Atomen
  • Verständnis der Wechselwirkung zwischen Modell und Experiment
Autor
Avatar Sebastian Gröber

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