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
Unterrichtseinheit
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.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 2 Unterrichtsstunden
- Übung, Ablaufplan
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Die Lernenden wiederholen kurz das Bohrsche Atommodell, bevor – hin zu einer quantenmechanisch notwendigen Beschreibung – der lineare Potentialtopf vorgestellt wird (Arbeitsblatt 1).
10 Minuten -
Erarbeitung
Mithilfe von Tafelbildern, Folien und auch Animationen werden die Bewegungsmöglichkeiten des Elektrons im linearen Potentialtopf beschrieben. Durch eine abstrakte Betrachtung des Elektrons als Wahrscheinlichkeitswelle lassen sich stehende Wellen konstruieren, mit denen unterschiedliche Zustände des Elektrons veranschaulicht werden können (Arbeitsblatt 1).
30 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Lernenden verschiedene Fragen durch Recherche in Lehrbüchern beziehungsweise vor allem im Internet beantworten (Arbeitsblatt 1).
-
Ergebnisse herleiten
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und verbessert.
15 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Nach der Herleitung der Energiewerte eines Elektrons im linearen Potentialtopf erfolgt die Erweiterung auf den dreidimensionalen Potentialtopf (Arbeitsblatt 2). Anhand einer Übungsaufgabe wird das Gelernte vertieft und näherungsweise auf das Wasserstoffatom angewandt (Arbeitsblatt 2).
30 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
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.
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Unterrichtsmaterial "Potentialtopf als vereinfachtes Atommodell" zum Download (PDF)
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In diesem Arbeitsblatt werden die Grundzüge des linearen Potentialtopfmodells dargestellt und veranschaulicht, wo sich ein eingesperrtes Elektron aufhalten kann.
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In diesem Arbeitsblatt erfolgt die Erweiterung auf den dreidimensionalen Potentialtopf – ergänzt durch Übungsaufgaben.
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In diesem Arbeitsblatt werden die Grundzüge des linearen Potentialtopfmodells dargestellt und veranschaulicht, wo sich ein eingesperrtes Elektron aufhalten kann.
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In diesem Arbeitsblatt erfolgt die Erweiterung auf den dreidimensionalen Potentialtopf – ergänzt durch Übungsaufgaben.
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Vermittelte Kompetenzen
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.
