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© Horst Hübel Würzburg 2005-2011

Grundlagen der Quantenphysik - Das Schülerbuch

Grundlagen der Quantenphysik - Das Schülerbuch von Horst Hübel, BoD Norderstedt, 2011, ISBN 9783842347489, 92 Seiten, 11,90 Euro

Bis vor wenigen Jahren wurde an den Schulen die Quantenphysik nach dem Stand von 1926 gelehrt. Die Schrödinger-Gleichung und Borns Wahrscheinlichkeitsdeutung waren damals bekannt. Die Quantenmechanik der 30-er Jahre war aber noch nicht entwickelt, viele Missverständnisse noch nicht ausgeräumt. Das "Würzburger Quantenphysik-Konzept" wird der jetzt bekannten Quantenphysik gerecht und integriert viele der neueren Erkenntnisse und Experimente.

Mit dem vorliegenden Schülerbuch zu den Grundlagen der Quantenphysik wird ein für den Oberstufen-Unterricht an Gymnasien geeignetes Lehrbuch präsentiert, das dieses Konzept realisiert. Es entwickelt die Inhalte anhand von typischen Schulexperimenten, die z.T. als Schülerversuche durchführbar sind, manchmal mit Hilfe von Simulationsprogrammen. Übungsaufgaben, Zusammenfassungen und Checklisten zur Selbstkontrolle ermöglichen den Schülerinnen und Schülern ein aktives Studium. Weitere Unterrichtsmaterialien stehen in den übrigen Bänden dieser Reihe und im Internet unter http://www.forphys.de zur Verfügung.

Traditionell steht im Mittelpunkt des schulischen Interesses an der Quantenphysik die Frage, ob Elektronen oder Photonen nun Teilchen oder Wellen sind, eine Fragestellung, die vielfach mit dem Schlagwort "Welle-Teilchen-Dualismus" charakterisiert wird, den es in seiner ursprünglichen Bedeutung bekanntlich nicht gibt.

Demgegenüber wurde vom Autor - aufbauend auf wichtigen Vorarbeiten von Küblbeck und Müller - ein neues didaktisches Konzept zur Behandlung der Quantenphysik für die Schule vorgeschlagen, das "Grundfakten" in den Vordergrund stellt, vergleichbar mit den Küblbeck-Müller'schen "Wesenszügen". Die "Grundfakten" ähneln Axiomen der Quantenphysik, mit deren Hilfe eine große Zahl von Experimenten und Erscheinungen der Quantenphysik zumindest qualitativ - auf heuristische Weise - "erklärt" werden können. Statt des so genannten "Welle-Teilchen-Dualismus" werden hier Unbestimmtheit und Komplementarität in den Vordergrund gestellt. Dieses neue "Würzburger Quantenphysik-Konzept" ist im Internet unter http://www.forphys.de ausführlich mit vielen weiteren Materialien dargestellt.

Ein Kommentar eines Hochschullehrers:

" ... Schülerbuch. Es ist anspruchsvoll, aber verständlich und passend für Schüler geschrieben. Es baut bekannte und vertraute Experimente ebenso ein wie neue Experimente. Das Buch zeigt wie die schüleraktivierenden Unterrichtsmaterialien Ihre fachliche wie didaktische Kompetenz, verbunden mit jahrzehntelanger Unterrichtserfahrung. Das Werk eines sehr erfahrenen Praktikers auf fachlich und didaktisch festem Boden. Mein Kompliment zum Würzburger-Quantenphysik-Konzept. Ich werde es meinen Studierenden empfehlen."

Aus der Buchbesprechung in der Verbandszeitschrift des Bayerischen Philologenverbands "Das Gymnasium in Bayern", Juli 2011, die dem Werk immerhin eine dreiviertel Seite widmet:

Es ist nun schon einige Zeit her, dass an dieser Stelle die drei Bände von Horst Hübel „Schüleraktivierende Unterrichtsmaterialien zur Quantenphysik" vorgestellt wurden. Einige Anmerkungen sollen nochmals aufgegriffen werden, um den nun vorliegenden 4. Band „Grundlagen der Quantenphysik - Das Schülerbuch" vorzustellen.

....

Mit dem vorliegenden Schülerbuch wird versucht, dieses Konzept auf durchaus hohem gymnasialen Niveau zu realisieren. Ausgehend von typischen Schulexperimenten soll den Schülerinnen und Schülern ein aktives Studium, z. B. im Rahmen eines W-Seminars, ermöglicht werden. Unterstützend werden dazu teilweise Schülerexperimente, auch mit Unterstützung von Simulationsprogrammen, Übungsaufgaben sowie Checklisten, eingesetzt.

An vielen Stellen wird auf das Internet verwiesen. Dort findet man neben vielen Ergänzungen und weiterführenden Hinweisen auch einen zu diesen Unterrichtsmaterialien passenden Kurs vom selben Autor zur „Quantenphysik für die Schule" (www.forphys.de). Dort kann man sich auch genauer über das den Unterrichtsmaterialien zugrundeliegende Konzept informieren.

Nach wie vor bin ich gespannt auf die Erfahrungen, die wir bei der Behandlung der Quantenphysik am Gymnasium in den nächsten Jahren machen werden.

MS

Kernpunkt des Buchs ist die Erarbeitung der Grundfakten der Quantenphysik:

Grundfakten der Quantenphysik

1. Von Teilchen bzw. Teilchenzuständen spricht man in der Quantenphysik, wenn die Objekte als ungeteilte Einheiten auftreten und wenn man die beteiligten Teilchen zählen kann.*)

Photonen, Elektronen, Protonen, Neutronen, Atome, Moleküle etc. sind in diesem Sinn Quantenteilchen, aber keine klassischen Teilchen. Teilchenzwillinge oder Mehrteilchenzustände haben kein klassisches Analogon.

2. Klassisch denkbare Eigenschaften eines Quantenobjekts sind messbar. Aber: Ohne eine Messung ist eine klassisch denkbare Eigenschaft i.A. un-be-stimmt. Erst durch eine Messung können klassisch denkbare Eigenschaften be-stimmt werden.

3. Es gibt Paare von klassisch denkbaren Eigenschaften, die ein Quantenobjekt nicht gleichzeitig haben kann. Mindestens eine der Eigenschaften ist dann un-be-stimmt. Solche Eigenschaften bzw. die zugehörigen Messgrößen heißen komplementär.

Paare von komplementären Messgrößen sind z.B.:

Da ein Quantenteilchen nicht gleichzeitig Ort und Geschwindigkeit als Eigenschaften haben kann, hat es auch keinen Sinn, von einer Bewegung (im klassischen Sinn) zu sprechen oder von einer „Bahn“ eines Quantenteilchens.

4. Wenn ein Quantenobjekt, das jeweils in den gleichen Zustand präpariert wird, in diesem Zustand eine be-stimmte Eigenschaft nicht hat, liefern Messungen streuende Messwerte dafür. Es gilt der objektive Zufall mit objektiven Wahrscheinlichkeiten gemäß der Born'schen Wahrscheinlichkeitsdeutung.

5. Für Paare komplementärer Messgrößen gibt es eine Heisenberg'sche Un-be-stimmheits-Relation (HUR).

Sie besagt, dass sich das Produkt der Streuungen (Un-be-stimmtheiten) der beiden Messgrößen nicht unter eine gewisse Schwelle herabdrücken lässt.

6. Interferenz tritt auf, wenn zwischen zwei oder mehr klassisch denkbaren Möglichkeiten nicht entschieden wird ("Interferenz von klassisch denkbaren Möglichkeiten").

7. Wird der Raum, in dem man Quantenteilchen nachweisen kann, eingeschränkt, so entstehen als mögliche Messwerte u.a. diskrete, d.h. deutlich getrennte Energie-Messwerte mit Energielücken zwischen ihnen.

8. Klassische elektromagnetische Wellen entsprechen Zuständen mit un-be-stimmter Photonenzahl (kohärente Zustände). Der Erwartungswert (Mittelwert) der Photonenzahl ist dabei sehr groß.

*) Genauer meint man mit Teilchenzuständen meistens Zustände mit einer be-stimmten Teilchenzahl.