MINT: Willkommen im Fachbereich

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler die räumliche Anordnung von Molekülen kennen, erstellen selbst dreidimensionale, digitale Moleküle und können deren Struktur begründen. Der Einstieg in die Einheit erfolgt über den Contergan-Skandal der Firma Grünenthal. Der Wirkstoff von Contergan – Thalidomid – hat zu schweren Missbildungen vor allem bei ungeborenen Kindern geführt, deren Mütter das Medikament während der Schwangerschaft einnahmen. Die Ursache lag darin, dass Thalidomid in zwei unterschiedlichen räumlichen Anordnungen existiert, eine davon ruft Missbildungen hervor. In interaktiven Quiz-Formaten wiederholen die Schülerinnen und Schüler die Arten von chemischen Bindungen, damit sie die räumliche Anordnung von Molekülen später vorhersagen und begründen können. Mit einer Infografik vertiefen sie ihr Wissen zur Elektronenpaarbindung und Oktettregel. Sie erkennen den Einfluss der freien Elektronen auf die Struktur des Moleküls. Über die eigene Erstellung von 3D-Molekülen über die Website molview.org erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass Moleküle dreidimensionale Gebilde sind, deren Atome sich nach bestimmten Regeln anordnen. Durch einen kurzen Trailer erkennen die Lernenden die Bedeutung der freien Elektronenpaare auf die Anordnung der Atome im Molekül. Auf der Suche nach einer Möglichkeit, die dreidimensionale Anordnung zweidimensional darzustellen, erarbeiten die Schülerinnen und Schüler die Keilstrichprojektion. Im weiteren Verlauf recherchieren sie Teile des VSEPR-Modells, mit dessen Hilfe man die 3D-Struktur von Molekülen vorhersagen kann. Durch weitere Aktivitäten auf molview.org steigern sie das Verständnis der dreidimensionalen Struktur. Als Gesamtzusammenfassung lösen die Lernenden ein H5P-Quiz . Beim Einstieg muss die Lehrkraft entscheiden, welche Inhalte der Website zum Contergan-Skandal relevant sind. Interessant sind die Daten und Fakten. Mit einem kurzen Vortrag kann die Lehrkraft unterstützen, den Skandal grob zu verstehen. Mithilfe der Präsentation erklärt die Lehrkraft den Spezialfall von Thalidomid, das aus zwei Enantiomeren besteht, die sich nur geringfügig in der Anordnung der Atome im Molekül unterscheiden. Sie verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die räumliche Anordnung von Atomen im Molekül mitentscheidend für die Eigenschaften ist. Als Vorwissen sollten die Schülerinnen und Schüler wissen, was Atombindungen sind und wie diese entstehen. Ebenfalls sollten sie mit der Valenzstrichschreibweise vertraut sein. Zur Wiederholung und Auffrischung dienen der Lückentext zu chemischen Bindungen sowie die Infografik zu Molekülen beziehungsweise der Oktettregel. Beim Erstumgang mit der Website molview.org sollte die Lehrkraft mithilfe der Präsentation kurz erklären, welche Eingaben auf der Internetseite vorgenommen werden müssen, damit man die 3D-Struktur betrachten kann. Die Schülerinnen und Schüler sollen direkt über die Suche arbeiten, Moleküle also nicht aus Atomen erstellen. Wichtig ist hierbei, dass auf molview.org keine freien Elektronenpaare dargestellt werden. Beim Skizzieren der Molekülstrukturen durch die Schülerinnen und Schüler, zum Beispiel bei der Keilstrichprojektion, sollten die freien Elektronenpaare dargestellt werden. Bei der Überleitung zum VSEPR durch den Vergleich von Ammoniak und Methan kann bei geübten Schülerinnen und Schülern auf das Zeigen des kurzen Filmes verzichtet werden. Wenn die Schülerinnen und Schüler die Strukturen der beiden Moleküle vergleichen, könnten sie selbst darauf kommen, dass Ammoniak nach ihrem jetzigen Wissensstand anders aussehen müsste (H-Atome gleichmäßig um das N-Atom angeordnet). Die Inhalte des VSEPRs sollten grob besprochen werden. Hierbei ist es wichtig, den Molekültyp, zum Beispiel AB 3 E zu besprechen. Beim Punkt "VSEPR in der Praxis" können gerne zusätzliche Moleküle vorgegeben und durch die Schülerinnen und Schüler selbst bestimmt werden. Je nach Leistungsbereitschaft der Schülerinnen und Schüler kann hier differenziert werden. Das selbstgesteuerte Bestimmen von Strukturen ist für mathematisch-naturwissenschaftliche Klassen geeignet. Als Pufferlernziel kann kurz auf die Modellkritik eingegangen werden. Den Schülerinnen und Schülern sollte klar sein, dass Modelle lediglich ein Abbild der Realität sind, aber eben nicht der Realität entsprechen. Beim Rückbezug auf den Einstieg sollte nochmal betont werden, welchen Einfluss die räumliche Anordnung von Atomen im Molekül haben kann und wie die Eigenschaften dadurch verändert werden können. Die Gesamtzusammenfassung durch das Quiz sichert die wichtigsten Informationen und stellt eine weitere Einübung des VSEPRs dar. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler zählen chemische Bindungen auf. können die Entstehung von Molekülen begründen. können die Oktettregel erklären. stellen ausgewählte Moleküle in Keilstrichprojektion dar. beschreiben das VSEPR-Modell. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren Informationen und verarbeiten sie. bearbeiten ein Online-Quiz. geben Moleküle auf einer Website ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler vergleichen eigene Informationen mit Informationen von Mitlernenden. stellen Informationen anderen Schülerinnen und Schülern vor.

Ein Rastertunnelmikroskop (RTM) oder Scanning Tunneling Microscope (STM) ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung und näheren Untersuchung von Oberflächen auf der Ebene von atomaren Strukturen. Aufgrund seiner Fähigkeit, Oberflächen auf atomarer Ebene untersuchen zu können, ist das RTM auf vielen Forschungsfeldern unverzichtbar geworden. Dazu gehören unter anderem die Oberflächenanalyse, Materialforschung, Nanotechnologie sowie die Elektronik und Quantenphysik. Das RTM funktioniert nach dem Prinzip des Quantentunneleffektes, wobei es eine extrem feine Spitze von wenigen Nanometern Durchmesser (oft nur so breit wie ein Atom ) verwendet. Anhand aussagekräftiger Grafiken, Animationen und Videos werden die Lernenden an die Funktionsweise eines RTM hingeführt. Die bereits bekannten Gesetzmäßigkeiten zum Tunneleffekt finden beim RTM ihre Anwendung und dienen dazu, Berechnungen zum groben Verständnis des komplexen Gerätes anzustellen. Das Rastertunnelmikroskop – eine Anwendung des Tunneleffektes Die Besprechung der Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops dient dazu, den Tunneleffekt in seiner praktischen Anwendung den Lernenden näherzubringen. Mit einem RTM kann ein präzises Relief einer Materialoberfläche sichtbar gemacht werden. Mit dem möglichen Auflösungsvermögen können klassische Lichtmikroskope um das Tausendfache übertroffen werden, sodass selbst einzelne Atome eines Materials sichtbar gemacht werden können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können vorausgesetzt werden, wenn der zugrundeliegende Tunneleffekt im Unterricht besprochen wurde. Damit lassen sich einfache Übungsaufgaben lösen, die einen Einblick in die Möglichkeiten des RTM bieten. Didaktische Analyse Die Behandlung des interessanten Themas mithilfe von computergenerierten Mikroskopbildern, die teilweise faszinierende Landschaften von eigener Ästhetik zeigen, kann durchaus dazu dienen, den Schülerinnen und Schülern ein Bild von der Besonderheit naturwissenschaftlicher Forschung näherzubringen. Methodische Analyse Das Thema RTM sowie der zugrundeliegende Tunneleffekt in der Quantenphysik sind schwierige Themen. Dennoch ist es möglich, durch vielfältiges Bildmaterial und entsprechend nachvollziehbare Gesetzmäßigkeiten den Lernenden zu zeigen, dass solche Themen trotzdem in ihrer prinzipiellen Form verstanden werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Funktionsweise eines RTM beschreiben und erläutern. wissen um die Bedeutung solcher Präzisionsgeräte für die naturwissenschaftliche Forschung. können ergänzende Übungsaufgaben berechnen und damit die Zusammenhänge bei der Funktionsweise eines RTM besser verstehen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewissen Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit lernen die Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II den Tunneleffekt kennen. Dieser ist ein Phänomen der Quantenphysik, bei dem ein Quantenobjekt – wie etwa ein Elektron oder ein Alphateilchen – eine Potentialbarriere mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit durchqueren (durchtunneln) kann, die es nach den physikalischen Gesetzen der klassischen Physik nicht überwinden könnte. Dieser sogenannte Tunneleffekt spielt zum Beispiel eine entscheidende Rolle beim Alphazerfall, einem typischen Phänomen der Kernphysik. Ausgehend von bereits erworbenen Kenntnissen zum wellenhaften Verhalten von Quantenobjekten werden Schülerinnen und Schüler durch einfache Versuche mit Wasserwellen an das Phänomen "Tunneleffekt" herangeführt. Übertragen auf Elektronen oder Alphateilchen beschreibt deren Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit, wo sie sich befinden. Diese Wellenfunktion erstreckt sich nicht nur auf den Bereich der Potentialbarriere, sondern auf beiden Seiten auch darüber hinaus. Dies bedeutet, dass es eine gewisse berechenbare Wahrscheinlichkeit gibt, die Quantenobjekte außerhalb der Potentialbarriere zu finden – ohne eine theoretisch benötigte klassische Energie haben zu müssen. Für die entsprechende Wahrscheinlichkeit gilt, dass sie von der Breite und Höhe der Potentialbarriere abhängt: Eine dünnere oder niedrigere Barriere erhöht die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns deutlich! Betrachtet man die Verhältnisse im Atomkern, so wird dieser durch die Kernkraft stabil gehalten. Ein α-Teilchen im Inneren des Kerns müsste demzufolge durch die Coulombbarriere vom Austritt aus dem Kern abgehalten werden beziehungsweise es müsste eine sehr hohe Energie haben, um die Barriere zu überwinden – diese hat sie aber nicht! Nach klassischer Sicht wäre das Alphateilchen also für immer im Kern gefangen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte gut vorbereitet sein, um dieses klassisch nicht erklärbare Phänomen mithilfe der Besonderheiten der Quantenphysik verständlich zu machen. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können vorausgesetzt werden, wenn im Rahmen der Kursphase in der Sek II vorher das Verhalten von Wahrscheinlichkeitswellen bis hin zur Schrödingergleichung einschließlich entsprechender Berechnungen unterrichtet wurde. Didaktische Analyse Die Behandlung des schwierigen Stoffes zur quantenphysikalischen Erklärung des mit der klassischen Physik nicht beschreibbaren Verhaltens von Quantenobjekten führt die Schülerinnen und Schüler in eine Welt des Allerkleinsten ein, die sich dem logischen Verständnis des menschlichen Vorstellungsvermögens weitgehend entzieht – aber sehr hilfreich ist in Hinblick auf das Verständnis für die Komplexität unserer Natur! Methodische Analyse Das Thema Tunneleffekt dürfte bei den interessierten Lernenden durchaus auf hohes Interesse stoßen; durch ein großes Angebot an Medien mit entsprechendem anschaulichen Material ist es vorstellbar, bei entsprechender Freude an nicht immer einfachen mathematischen Herleitungen sich in das Thema zu vertiefen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Grundgedanken, die zum Tunneleffekt führen, beschreiben und erläutern. wissen um die Bedeutung des Tunneleffektes als besonderes Phänomen der Quantenphysik. können Berechnungen anstellen und die Ergebnisse erläutern. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, im Freundeskreis diskutieren zu können.

Die Schrödingergleichung gehört zu den wichtigsten Gleichungen der Quantenphysik und bildet die Grundlage zum Verständnis von quantenmechanischen Zusammenhängen. Sie benutzt für die Beschreibung quantenmechanischer Abläufe die sogenannte Wellenfunktion, mit der sich zum einen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit, zum anderen die Energieniveaus eines Teilchens in einem Atom berechnen lassen. Sie findet in vielen Bereichen der Physik ihre Anwendung wie etwa in der Atomphysik, der Molekülphysik, der Festkörperphysik und über die Physik hinaus auch in der Quantenchemie. Die Schrödingergleichung ist in ihrer vollen mathematischen Ausprägung sehr anspruchsvoll, kann aber durch geeignete vereinfachende Möglichkeiten wie etwa die Anwendung von Potentialtöpfen als Näherung an die tatsächlichen Vorgänge im Atom anschaulich und altersgerecht vorgestellt werden. Für das einfachste Atom – das Wasserstoffatom – wird es somit mit nachvollziehbaren mathematischen Gleichungen möglich, physikalische Formeln abzuleiten und entsprechende Ergebnisse zu berechnen. Dabei besteht die Grundidee darin, das Coulomb-Potential des Wasserstoffatoms durch einen geeigneten Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden anzunähern und Wahrscheinlichkeiten sowie Energieniveaus zu berechnen. In dieser Unterrichtseinheit, die ausschließlich für das Kurssystem der gymnasialen Oberstufe gedacht ist, soll nach Herleitung der zeitunabhängigen und damit leichter zu verstehenden der beiden Schrödingergleichungen eine Methode vorgestellt werden, mit der sich verschiedene Abläufe im Wasserstoffatom mit Näherungslösungen darstellen und berechnen lassen. Für den Unterricht sollten Lehrkräfte gut präpariert sein, um auf kritische Fragen sachkompetent eingehen und antworten zu können. Vorkenntnisse Physikalische Vorkenntnisse von Lernenden können nur vorausgesetzt werden, wenn in der Sekundarstufe das Thema Quantenphysik – ausgehend vom Fotoeffekt bis hin zu Wahrscheinlichkeitswellen – bereits ausführlich behandelt wurde. Didaktische Analyse Die Beschäftigung mit "komplizierten" physikalischen Gesetzmäßigkeiten, zu der in erster Linie die Schrödingergleichung gehört, liefert einen tiefen Einblick in eine Physik, die einen Blick eröffnet in eine für die meisten Menschen unbekannte Welt. So kann ein vertieftes Verständnis für die Schrödingergleichung und ihre Bedeutung in der Quantenphysik aufgebaut werden. Methodische Analyse Für interessierte und mathematisch versierte Schülerinnen und Schüler dürften die Herleitungen hin zur Schrödingergleichung zwar anspruchsvoll sein, durch die vielen Möglichkeiten mit entsprechenden Animationen, Näherungen und Vereinfachungen aber gut nachvollziehbar sein. Ablauf der Unterrichtseinheit Ein Vorschlag für einen möglichen zeitlichen Unterrichtsverlauf ist aufgrund des thematischen Umfangs und der aufwendigen mathematischen Herleitungen kaum möglich. Im Rahmen der Gegebenheiten in der gymnasialen Oberstufe mit unterschiedlichen Kursangeboten werden sich Unterrichtsabläufe ergeben, die sich in Abhängigkeit von den jeweiligen Lehrplänen sehr unterscheiden werden. Deshalb soll hier auf einen vorgegeben Unterrichtsablauf verzichtet werden. Vielmehr sollte die jeweilige Lehrkraft für sich entscheiden, welche Inhalte priorisiert werden sollen und wie diese dann in dem zur Verfügung stehenden Zeitrahmen unterrichtet werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Grundgedanken der Schrödingergleichung mithilfe des bisher schon Gelernten nachvollziehen und beschreiben. sind in der Lage, mit den entsprechenden mathematischen Gesetzmäßigkeiten die Schrödingergleichung herzuleiten, anzuwenden und Berechnungen anzustellen. können die aus dem linearen Potentialtopf abgeleiteten Formeln auf das Wasserstoffatom in guter Näherung übertragen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Applets auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Paar- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden diskutieren zu können.