Quantenphysik mit einzelnen Photonen

Unterrichtseinheit

Die Quantenphysik hat im letzten Jahrhundert zu Umwälzungen in der Physik geführt und das deterministische Weltbild verändert. Anwendungen wie die Quantenkryptographie sind inzwischen kommerziell erhältlich. Der Unterricht zur Quantenphysik an Schulen orientiert sich jedoch häufig noch am wissenschaftlichen Stand von 1930. Dieser Beitrag stellt einen neuen Zugang zur Quantenphysik über Realexperimente mit einzelnen Photonen für die Sekundarstufen I und II vor.

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
  • variabel
  • Außerschulischer Lernort, Projekt

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Experimente zur Quantenphysik, wie der Photoeffekt und der Comptoneffekt, sind Bestandteile jeder physikalischen Ausbildung. Die Experimente haben allerdings einen Nachteil: Sie sind kein Nachweis für die Quantennatur des Lichts. Zur Erklärung der Experimente wird das Photon als Quantenobjekt nicht benötigt. Im Folgenden wird ein neuer Zugang zur Quantenphysik für die 10. Klasse des Gymnasiums vorgestellt (Fortsetzung in der Oberstufe möglich), in dessen Mittelpunkt Experimente mit einzelnen Photonen stehen. Die Quanteneigenschaften sind phänomenorientiert direkt am Experiment zugänglich und werden mit Anwendungen aus dem Bereich der Quanteninformation verknüpft. Alle Experimente arbeiten mit Methoden aus der aktuellen Forschung und sind als interaktive Bildschirmexperimente (IBE) im Klassenzimmer durchführbar. Als Ergänzung zu den IBE wurde an der Universität Erlangen-Nürnberg ein Schülerlabor zur Quantenoptik eingerichtet, das von Schulklassen kostenlos genutzt werden kann.

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Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • die grundlegenden Gedanken der Quantenphysik, Quantenphänomene und Untersuchungsmethoden beschreiben können.
  • wissen, dass die Quantenphysik zu einem fundamental anderen physikalischen Weltbild führt.
  • moderne kommerziell verfügbare Anwendungen der Quantenphysik, wie den Quantenzufallsgenerator oder das Verfahren der Quantenkryptographie, beschreiben können.

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Patrick Bronner

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