Ein filmischer Beitrag von "Die Albert Dreisteins" vom Helmut-Schmidt-Gymnasium für den LEIFIphysik-Videowettbewerb.

Das ISB Bayern stellt Handreichungen zu Themen moderner Physik für die Unterrichtsvorbereitung bereit. Im Paket "Wellen und Quanten" findet ihr das Programm "Laserlicht am Doppelspalt", mit dem herausgearbeitet werden kann, dass Photonen keine gewöhnlichen Teilchen, sondern Quantenobjekte sind.

Eine 9 Stunden umfassende Unterrichtseinheit zur Atomvorstellung für die Sekundarstufe I. Sie wurde am Faust-Gymnasium in Staufen entwickelt und in zehnten Klassen erprobt.

Eine interaktive Animation zur Speziellen Relativitätstheorie
Der Betrachter kann den Bezugspunkt und das jeweilige Zeitverständis selbst bestimmen.

Computersimulationen zum Durchflug durch ein stilisiertes Brandenburger Tor mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten (0,01c / 0,5 c / 0,9 c / 0,95c / 0,99 c) als Videos zum Herunterladen. Verlinkt sind interaktive Messtools mit denen die Koordinaten markanter Punkte bestimmt werden können.

Dieses downloadbare (Windows-)Programm stellt die Gegenfeldmethode zur quantitativen Erfassung des Fotoeffekts dar. Dabei wird die Bewegung der ausgelösten Elektronen im elektrischen Feld der Photozelle durch numerisches Lösen der Bewegungsgleichungen dargestellt. So lässt sich gut erkennen, dass bei bestimmten Bremsspannungen die Elektronen die gegenüberliegende Auffanganode nicht mehr erreichen und zur Kathode zurücklaufen. Die physikalischen Vorgänge werden dadurch besonders anschaulich und nachvollziehbar dargestellt. Zur quantitativen Auswertung stehen 5 Wellenlängen der Quecksilberdampflampe zur Verfügung. Außerdem lassen sich 4 verschiedene Beschichtungen der Photokathode auswählen.

Wenn Strahlung auf Materie trifft, kann es zum Comptoneffekt kommen: energiereiche Photonen treffen auf locker gebundene Elektronen im Streukörper und werden nach den (relativistischen) Gesetzen eines dezentralen, elastischen Stoßes gestreut. Dabei übergibt das Photon Energie an das (als ruhend angesehene) Elektron. Der Energieverlust des gestreuten Photons äußert sich in dessen vergrößerten Wellenlänge. Die Wellenlängenverschiebung ist unabhängig von der Wellenlänge der Primärstrahlung und wird allein durch den Streuwinkel bestimmt. Quantitativ wird dies durch die Comptonformel beschrieben.

Dieses downloadbare (Windows-)Programm erlaubt die Variation der Position des Spektrometers (Streuwinkel) sowie der Energie der primären Gammastrahlung.

Sie finden hier drei verschiedene Versionen des Millikan-Versuchs als downloadbare (Windows-)Computersimulationen.

Dieses downloadbare (Windows-)Programm zeigt, wie sich ein Elektron verhält, das in einen sehr kleinen würfelförmigen Kasten eingesperrt wird.
In der Quantenphysik wird dieser Kasten als dreidimensionaler Potentialtopf interpretiert, in dem das Elektron nur ganz bestimmte Energieniveaus annehmen kann. Außerdem darf das Elektron sich nur in bestimmten Raumbereichen aufhalten. Etwas physikalischer formuliert: Die Energie des Elektrons innerhalb des Potentialtopfes ist gequantelt und sein Aufenthaltsbereich ist auf Orbitale beschränkt. Dieses Verhalten des Elektrons ergibt sich aus der Schrödinger-Gleichung. Die Simulation erlaubt die Eingabe verschiedener Quantenzahlen. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons (Orbital) wird durch die Dichte von Punktewolken dargestellt. Der Würfel lässt sich drehen, so dass die Lage der einzelnen Orbitale gut sichtbar wird. Außerdem kann man die Energie des Elektrons bei vorgegebener Größe des Kastens ablesen.

Dieses downloadbare (Windows-)Programm löst die eindimensionale, stationäre Schrödingergleichung für den Aufenthalt eines Elektrons in einem Linearen Potentialtopf auf numerischem Weg.
Dabei lassen sich drei Szenarien einstellen:
1. Linearer Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden
2. Linearer Potentialtopf mit einer niedrigen, aber breiten Wand
3. Linearer Potentialtopf mit einer niedrigen und schmalen Wand.
Die Höhe (Potentielle Energie) und die Breite der Wand lassen sich bei 2. und 3. variieren.
Durch Eingabe der Gesamtenergie des Elektrons lassen sich Wellenfunktionen finden, die innerhalb der Wand gegen Null konvergieren. Nur diese Wellenfunktionen sind physikalisch sinnvoll und beschreiben das Eindringen in die Wand bzw. das Durchtunneln der Wand im Sinne des quantenmechanischen Effekts richtig.

Dieses downloadbare (Windows-)Programm löst die stationäre Schrödingergleichung des radialen Anteils der Wasserstoffwellenfunktion auf numerischen Weg und stellt die Wahrscheinlichkeitsdichten, Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Orbitale des Elektrons grafisch dar. Der Wert für die Gesamtenergie des Elektrons kann vom Anwender mit Hilfe von Schiebereglern beliebig gewählt werden. Der Drehimpuls darf die Werte 0,1,2,3 und 4 annehmen. Dass Programm liefert dann durch Lösen der Differentialgleichung eine entsprechende Wellenfunktion. Aber nur bei wenigen, ganz speziellen Energiewerten ergeben sich Funktionen, die gegen Null konvergieren und damit physikalisch sinnvolle Lösungen der Differentialgleichung darstellen. Diese Energiewerte werden Eigenwerte der Differentialgleichung genannt und entsprechen den vom Bohrschen Atommodell bekannten Energien des Wasserstoff-Termschemas.

Die Strahlung von Röntgenröhren kann sehr unterschiedlich ausfallen. Die Spektren sind abhängig vom Anodenmaterial der Röhre, der Beschleunigungsspannung, dem Röhrenstrom und den verwendeten Filtermaterialien.

Dieses downloadbare (Windows-)Programm berechnet Röntgenspektren unter Berücksichtigung all dieser Faktoren. Dabei werden die Spektren so dargestellt, als wären sie durch die Drehkristallmethode aufgenommen worden. Das Spektrum erster Ordnung wird bei diesem Verfahren stets von den Spektren höherer Beugungsordnungen überlagert. Das Programm ermöglicht aber auch die Übertragung der Drehkristall-Spektren auf eine Wellenlängen- oder Energieskala, wobei die höheren Beugungsordnungen dann unberücksichtigt bleiben.

Das Video von Prof. Dr. Stefan Heusler, Uni Münster erläutert anschaulich und schülergerecht die Unschärferelation von Heisenberg.

Katze und Uhu erklären die grundlegenden Quanteneffekte. Der Helmholtz-Wissenschaftscomic erscheint einmal im Monat.

Das Windows-Programm führt die Rechnungen der Lorentztransformation auf Knopfdruck durch. Mehr Infos zum Programm unter http://www.hermann-huck.homepage.t-online.de/seite2.htm

Die hier vorgestellten Videos sind Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

Die hier vorgestellten Videos sind Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

In dieser Unterrichtseinheit zur Quantenmechanik wird anhand einer Auseinandersetzung mit dem Leben und Wirken des Physikers und Nobelpreisträgers Werner Heisenberg die Quantenmechanik auf einfache und auf das reale Leben abbildbare Weise eingeführt. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.

Für Fortgeschrittene und besonders Interessierte: Vorlesung mit weiterführenden Inhalten zum Thema "SI-Basisgrößen und -einheiten".
Das Video stammt von Prof. Dr. Kohl von der Hochschule Koblenz.