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!
Der Tunneleffekt – ein Phänomen der Quantenphysik
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.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 3 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
-
Einstieg
Mit dem Wasserwellenversuch wird den Lernenden veranschaulicht, wie man sich das Phänomen "Tunneleffekt" vorstellen kann (Arbeitsblatt 01, Abbildung 1 bis 3). Wichtige Gesetzmäßigkeiten werden ohne Herleitung mitgeteilt.
15 Minuten -
Übungsaufgabe
Die Übungsaufgabe 1 a, b) (Arbeitsblatt 02 und Lösungen) wird gemeinsam besprochen und berechnet.
Die Übungsaufgabe 1 c) wird Hausaufgabe (Erledigung in Einzelarbeit).
30 Minuten -
Erarbeitung
Nach Besprechung der Hausaufgabe werden die Abläufe beim Alphazerfall anhand von geeigneten Medien (Arbeitsblatt 01 und 02) ausführlich besprochen.
20 Minuten -
Herleitung der Ergebnisse
Mithilfe von Übungsaufgabe 2 wird die Potentialbarriere erläutert. Die Unüberwindbarkeit auf klassischem Weg wird durch Berechnung belegt (Arbeitsblatt 02 und Lösungen).
25 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Die Übungsaufgabe 3 (Arbeitsblatt 02 und Lösungen) wird Schritt für Schritt erarbeitet. Sie zeigt die wichtige Abhängigkeit der Potentialbarriere hinsichtlich Breite und Höhe für unterschiedliche Alphateilchen und deren Zerfälle auf.
45 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
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.
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Mithilfe dieses Arbeitsblattes werden die Möglichkeiten vorgestellt, wie man sich anschaulich und vereinfacht einem schwierigen Thema nähern kann.
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Mit Fragestellungen und Übungsaufgaben wird die Vielfalt des komplexen Themas auf Elektronen und den radioaktiven Zerfall von Alphateilchen beschränkt.
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Mit Fragestellungen und Übungsaufgaben wird die Vielfalt des komplexen Themas auf Elektronen und den radioaktiven Zerfall von Alphateilchen beschränkt.
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In diesem Arbeitsblatt sind die ausführlichen Lösungen und Antworten zu den Übungsaufgaben enthalten.
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Hier können Sie alle Arbeitsblätter sowie die Lösungen der Unterrichtseinheit "Der Tunneleffekt" im Word-Format als ZIP-Ordner herunterladen.
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Vermittelte Kompetenzen
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.
