Neutrinos – die Geister des Herrn Pauli

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Neutrinos erarbeiten die Schülerinnen und Schüler grundlegende physikalische Eigenschaften des Betazerfalls, erfahren, welche Rolle das Neutrino dabei spielt und welche Eigenschaften dieses Elementarteilchen besitzt. Die Arbeitsblätter nehmen dabei Bezug auf ein Erklärvideo zum Thema Neutrinos. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Die Schülerinnen und Schüler lernen anhand dieses Materials, dass die experimentell bestimmte Energie der Betateilchen nicht mit der theoretisch zu erwartenden Energie übereinstimmt. Diese sollte nämlich monoenergetischen Charakter haben, während das Experiment eine kontinuierliche Energieverteilung liefert. Sie erfahren, wie der Physiker Wolfgang Pauli das Rätsel durch die Postulierung eines "Geisterteilchens", dem Neutrino, lösen konnte und welche Eigenschaften dieses exotische Teilchen aufweist.

Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Einordung in den Unterricht und didaktische Analyse

Der Betazerfall gehört zu den Standardthemen des Physikunterrichts in der Oberstufe – im Grund- wie auch im Leistungskurs. Die wissenschaftshistorischen Aspekte bei der Postulierung und dem Nachweis der Neutrinos sowie eine Erarbeitung ihrer Eigenschaften werden im Physikunterricht allerdings oft nur am Rande thematisiert. Das Video "Neutrinos (2016)" eignet sich daher besonders, diese Lücke zu schließen, da die wesentlichen Gesichtspunkte des Themas übersichtlich und zusammengefasst dargestellt werden. Die Arbeitsblätter, die sich in Teilen auf das Video beziehen, wurden so konzipiert, dass sie im Grund- wie auch im Leistungskurs eingesetzt werden können. Tipp-Karten sollen vor allem im Grundkursbereich bei der Umsetzung eines differenzierenden Unterrichts helfen.

Als konkretes Beispiel für die Berechnung und die experimentelle Bestimmung der Energien beim Betazerfall wurde das Isotop Tritium gewählt, weil die Energien der Elektronen hier noch gerade in einem Bereich liegen, in dem klassisch gerechnet werden darf. Dies ist bei anderen Betazerfällen nicht mehr der Fall. Die Verwendung der relativistischen Formeln würde aber eine nicht unerhebliche Hürde darstellen, die das eigentliche Thema, nämlich die Notwendigkeit der Neutrinos zur Rettung des Energiesatzes, ungünstig überdecken würde. Die Tatsache, dass es sich beim Betaminus-Zerfall um Antineutrinos handelt, wird in den Arbeitsblättern nicht thematisiert, da dies für das Thema zunächst nicht relevant ist und die physikalischen Hintergründe der Elementarteilchenphysik den Lernenden nicht bekannt sind.

Methodische Analyse

Ein zentrales Ziel der Unterrichtseinheit besteht darin, dass die Lernenden nachvollziehen können, warum die Physiker vor 1930 größte Probleme bei der physikalischen Erklärung des Betazerfalls hatten und warum die Postulierung eines weiteren Teilchens zur Rettung des Energiesatzes führte. Daher sind die Arbeitsblätter so aufgebaut, dass die Diskrepanz zwischen theoretischem Ansatz (Potentialtopfmodell) und den experimentellen Ergebnissen herausgearbeitet wird und die Leistung Wolfgang Paulis mithilfe des Erklärvideos deutlich und nachvollziehbar wird. Die Tatsache, dass es gut 26 Jahre gedauert hat, bis man das geforderte Teilchen tatsächlich nachweisen konnte, zeigt, welch hervorragenden Spürsinn und Mut für unkonventionelle Lösungen Pauli besaß. Auch dies wird im Video deutlich, wie auch die erheblichen Anstrengungen, bestimmte Eigenschaften des Neutrinos experimentell zu ermitteln.

Vorkenntnisse

Für die Bearbeitung des ersten Arbeitsblattes zu Neutrinos ist es günstig, wenn das Thema "Massendefekt" beziehungsweise "Bindungsenergie" bereits behandelt wurde. Es reicht aber unter Umständen auch der Hinweis auf die entsprechende Tipp-Karte (Arbeitsblatt 4). Die Energie, die der Tritiumkern abgibt, erscheint nämlich als kinetische Energie des ausgesendeten Teilchens, also des Elektrons. Diese Energieabgabe führt aus Gründen der Energieerhaltung (Massenerhaltung) zu einem Masseverlust des Gesamtsystems, wobei Masse und Energie über E = mc² miteinander verknüpft sind.

Für das zweite Arbeitsblatt sind Grundkenntnisse der Bewegung von geladenen Teilchen in Magnetfeldern erforderlich. Diese sollte in der Regel in den Halbjahren zuvor behandelt worden sein.

Im dritten Arbeitsblatt geht es vor allem um die Eigenschaften, den Nachweis und die wissenschaftliche Bedeutung der Neutrinos. Obwohl im Video wie auch im Text (Brief von Wolfgang Pauli) Begriffe und Inhalte auftauchen, die im Unterricht noch nicht behandelt wurden oder gar nicht zum Schulstoff gehören, sollten sich die Aufgaben problemlos bewältigen lassen. An der einen oder anderen Stelle kann die Lehrkraft erklärend Hilfestellung geben, aber grundsätzlich ist es nicht schlimm, wenn bestimmte Aspekte des Themas nicht erschöpfend behandelt werden können. Sollte das Interesse bei den Lernenden für bestimmte Inhalte besonders groß sein, kann dies aber durchaus in Form von Referaten oder besonderen Lernleistungen in den Unterricht integriert werden.

Unterrichtsmaterial "Neutrinos" zum Download
Unterrichtsmaterial "Neutrinos" zum Download

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • berechnen an einem konkreten Beispiel die Energie von Betateilchen mithilfe einer Massenbilanz.
  • erklären ein Experiment zur Bestimmung der Elektronengeschwindigkeit.
  • wenden Fachwissen aus der Elektrodynamik an, um eine Formel für die Elektronenenergie herzuleiten.
  • werten Messwerte aus.
  • interpretieren und bewerten Versuchsergebnisse.
  • erklären physikalische Phänomene und Versuchsanordnungen im Sachzusammenhang.
  • stellen die wissenschaftliche Bedeutung von physikalischen Erkenntnissen heraus.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • können die im Video dargestellten physikalischen Inhalte nach Relevanz filtern und strukturiert wiedergeben sowie Informationen gezielt herausstellen.
  • können Texte in gedruckter und digitaler Form nach bestimmten Fragestellungen hin untersuchen und die relevanten Informationen herausarbeiten.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • arbeiten konstruktiv und kooperativ in Partner- oder Gruppenarbeit.
  • diskutieren in Partner- oder Gruppenarbeit und äußern dabei ihre Meinung unter Nutzung ihrer fachlichen Kenntnisse.
  • stellen Ergebnisse der Partner- und Gruppenarbeit angemessen und verständlich im Plenum dar.

Video: Neutrinos (2014)

Hier können Sie sich das Video zur Unterrichtseinheit anschauen.

Autor
Portrait von Matthias Borchardt Matthias Borchardt

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In Kooperation mit

Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau

Dieser Inhalt ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau (B) e.V. entstanden.

Comenius EduMedia Siegel 2018

Dieser Inhalt wurde ausgezeichnet von der Gesellschaft für Pädagogik, Information und Medien e. V. mit dem Comenius EduMedia Siegel 2018 für pädagogisch, inhaltlich und gestalterisch herausragende Bildungsmedien.

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