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Nach der Vorstellung von Leitthema, Ziel und Organisation bildeten sich im Physikkurs vier Arbeitsgruppen, die sich nach einer Diskussion über mehrere Themenvorschläge folgende Projektaufgaben stellten:
Ausgehend von der noch zum Ende des Halbjahres 12/2 gewonnenen Vorstellung von der Energie eines Photons (Photoeffekt), wurden den SchülerInnen in den nächsten zwei Unterrichtseinheiten, hauptsächlich über einen Lehrervortrag, die Ergebnisse der speziellen Relativitätstheorie in Hinblick auf die Teilchengrößen Masse, Impuls und Energie vermittelt und zunächst auf das Photon angewendet. Hierzu wurde speziell der Comptoneffekt (Streuung von Photonen höherer Energie an Elektronen) zur Untermauerung des Teilchencharakters eines Photons über ein Impulsdiagramm prinzipiell erklärt. Die Vorführung des Elektronenbeugungsversuchs veranschaulichte zudem die Hypothese von de Broglie, daß umgekehrt Materieteilchenstrahlung in ihrer Ausbreitung Wellencharakter besitzen.
Auch das behandelte Beispiel der Materialisation eines hochenergetischen Photons in der Nähe eines Atomkerns zu einem Elektron und einem Positron (Elektronenpaarbildung) stellt wiederum eine Konsequenz des Einsteinschen Teilchenkonzeptes dar. Der umgekehrte Vorgang, die Paarvernichtung von Elektron und Positron, bei der zwei hochenergetische Photonen zeitlich koinzident in entgegengesetzter Richtung emittiert werden, kann nun im Zusammenhang mit den anderen Wechselwirkungsprozessen verstanden werden. Dieser Paarvernichtungsprozeß bildet die physikalische Grundlage der Positronen-Emissions-Tomographie, mit der sich eine Gruppe auseinandersetzte.
Da zwei weitere Gruppen sich in ihrem Thema speziell mit der Röntgenstrahlung beschäftigten, war die Erklärung ihrer Entstehung, insbesondere die der charakteristischen Strahlung und der spektralen Verteilung ein weiterer unterrichtlicher Schwerpunkt. Um die Entstehung der charakteristischen Strahlung verstehen zu können, muß der quantenhafte Charakter der Emission und Absorption von Energie bei Atomen und die hieraus resultierenden diskreten Energiezustände eines Atoms aus Experimenten gedeutet werden.
Über die spektrale Zerlegung des Lichtes, das von einer Spektrallampe ausgeht oder das aus der Verbrennung eines Salzes entsteht, wurde gezeigt, daß jeder Stoff ein für ihn charakteristisches Linienspektrum emittiert. Bei der Verbrennung von Kochsalz (NaCl) in einer Bunsenbrennerflamme, die von einer Natriumdampflampe angestrahlt wird, entsteht auf einem Schirm ein intensiver Schattenwurf der Flamme. Da der Schatten nur bei der Verbrennung von Kochsalz beobachtet wird, konnte dies von den SchülerInnen derart gedeutet werden, daß Atome genau die Energiequanten absorbieren, die sie bei Rückkehr in den ursprünglichen Zustand emittieren (Resonanzabsorption). Die hieraus für das Atom zu folgernden diskreten Energiezustände wurden den SchülerInnen am Beispiel der Energieniveauschemata von Wasserstoff, Natrium und Quecksilber veranschaulicht.
Der hier vollzogene erste Einblick in die quantenhafte Struktur der Atomhülle ermöglichte es den SchülerInnen, die Entstehung der durch Elektronensprünge im Atom verursachten charakteristischen Röntgenstrahlung zu verstehen. Das Auftreten der Röntgenbremsstrahlung konnte auf die Erfahrung zurückgeführt werden, daß beschleunigte Ladungen elektromagnetische Strahlung emittieren (Hertzscher Dipol im Halbjahr 12/2). Zur Zerlegung der Röntgenstrahlung in ihr Spektrum wurde auch die Drehkristallmethode mit der Braggreflektion am Kristallgitter behandelt. Die Einordnung der Röntgenstrahlung im elektromagnetischen Spektrum zeigte den SchülerInnen, daß insbesondere der Bereich der harten Röntgenstrahlung durch die Gammastrahlung überlappt wird. Dies gab Anlaß und Motivation, etwas über die Entstehung dieser Strahlung zu erfahren.
Durch Aufnahme der aus einem Radiumpräparat emittierten Strahlung mit einem Geiger-Müller-Zählrohr, einem Absorptionsversuch über in den Strahlengang eingeführte Alumimiumplatten unterschiedlicher Dicke und über die Wilson-Nebelkammer, konnten die drei beim Zerfall des Präparates auftretenden Strahlungsarten, die Alphastrahlung, die Betastrahlung und die Gammastrahlung, hinsichtlich ihrer Ladung, ihrer Reichweiten und ihres Ionisationsvermögens unterschieden werden.
Energiereiche Betastrahlung und Röntgenstrahlung sowie Strahlung von Teilchen mit größerer Ruhemasse, besonders Pionen und Protonenstrahlen, werden heute in der Tumortherapie eingesetzt, wobei hierbei das unterschiedliche Ionisationsverhalten dieser Strahlungsarten in den Gewebestrukturen des menschlichen Körpers von entscheidender Bedeutung ist. Mit genau diesem Themenkreis beschäftigte sich die vierte Arbeitsgruppe.
Auf die biologische Wirkung der jeweiligen in Diagnostik oder Therapie eingesetzten Strahlungsarten auf den Menschen sollte jeder der vier Beiträge in einem auf das Thema bezogenen Umfang eingehen. Im Unterricht wurde daher neben der Aktivität die dosimetrischen Größen Energiedosis und Äquivalentdosis eingeführt. Neben den Einflußfaktoren für die Strahlenwirkung und den hiervon abhängig auftretenden Schäden wurde mit den SchülerInnen auch über den biochemischen Reaktionsablauf, der zur Schädigung einer Zelle führt, gesprochen.
In den letzten Unterrichtseinheiten des Halbjahres 13/1 wurde die Heisenbergsche Unschärferelation aus einem Beugungsversuch am Einfachspalt heraus formuliert. Durch die Anwendung der Unschärferelation konnte geklärt werden, daß sich Elektronen nicht im Atomkern aufhalten können. In diesem Zusammenhang wurden den SchülerInnen die Ergebnisse der Rutherfordschen Streuversuche über die Größenordnung von Atomkern und Atomhülle vermittelt. Rutherfords Atommodell mit seinen klassischen Widersprüchen und den nicht berücksichtigten Ergebnissen der Spektroskopie führte zum halbklassischen Bohrschen Atommodell. Für die SchülerInnen war durch die behandelten Absorptions- und Emissionsprozesse die Borsche Atomvorstellung mit ihrer Festlegung von Elektronenbahnen und den spontanen Energieübergängen zwischen ihnen (erstes und zweites Bohrsches Postulat) eine einleuchtende Verbesserung der Rutherfordschen Vorstellungen. Durch die zuvor behandelte Unschärferelation war es den SchülerInnen nun aber auch einsichtig, daß dieses halbklassische Modell mit seinen Elektronenbahnen den realen Sachverhalt der Lokalisierung von Hüllenelektronen nicht wiedergeben kann.
Mit Hilfe der Demonstration von ebenen stehenden Wellen (Chladnische Klangfiguren), die man als Schnittbild räumlicher stehender Wellen ansehen kann, deren Knotenflächen in der Atomphysik die Bereiche größter Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in der Atomhülle markieren (Orbitale), konnte den SchülerInnen abschließend ein Ausblick auf das wellenmechanische Atommodell gegeben werden.