Eine quantenmechanische Beschreibung des Wasserstoffatoms

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  • Physik
  • Sekundarstufe II
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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.

Beschreibung der Unterrichtseinheit

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.

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Vermittelte Kompetenzen

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.

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Autor
Portrait von Wolfgang Vogg Wolfgang Vogg

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