Technische Universität Dresden Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Fachrichtung Physik Professur für Didaktik der Physik

Licht und Farberscheinungen Eine Auswertung im Rahmen der Lehrveranstaltung „Physikalische Schulexperimente 3“

Tom Köhler Matrikel: 3304879 Tom.Kö[email protected] 14. April 2010

Peter Pfitzenreiter Matrikel: 3350002 [email protected]

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung

3

2 Fachlicher Hintergrund 2.1 Entstehung von Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Diskrete Spektrallinien . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Kontinuierliches Spektrum . . . . . . . . . . . . . 2.2 Licht- und Farberscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Lumineszenzeffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Eigenschaften des Lichts und seine Erscheinungen

. . . . . .

4 4 5 7 9 9 11

. . . .

13 13 16 16 17

4 Experimente 4.1 Freihandexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Polarisationsfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Polarisationsrichtung sehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Qualitative Experimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Spektrum einer Energiesparlampe . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Nachweis von UV-Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Quantitatives Experiment: Wellenlängenbestimmung am Doppelspalt

18 18 18 19 19 19 22 22

5 Quellen

22

3 Didaktische Überlegungen 3.1 Licht im Lehrplan . . . . . . . . . . . . . 3.2 Besondere Aspekte der Werteorientierung 3.2.1 Glühlampe vs. Energiesparlampe 3.2.2 Lichterscheinungen in der Natur .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

1 Einleitung Licht- und Farberscheinungen beeindrucken Kinder sowie viele Erwachsene in besonderem Maße. Das ist auch keineswegs verwunderlich. Von Geburt an nehmen wir die Welt um uns herum über unsere Sinne wahr, durch Fühlen, Riechen, Schmecken, Hören und auch Sehen. Im Laufe der Zeit entwickelt sich die Wahrnehmung über die Augen bei den meisten Menschen in ihre dominante Rolle. Im öden Alltagsgrau sind wir so schnell fasziniert, sobald unsere Augen besondere Schönheiten der Natur wahrnehmen wie Regenbögen, die schillernden Farben einer dünnen Seifenhaut und weitere Phänomene, die einen farbigen Reiz versprühen. Diese Begeisterungsfähigkeit für Farberscheinungen lässt sich im Unterricht gut als Motivation nutzen. Die Schüler haben bereits zahlreiche Erfahrungen gemacht und brennen – zumindest in den unteren Klassenstufen – förmlich darauf, das Rätsel hinter diesen Erscheinungen – und damit letztlich dem Licht – zu entschlüsseln. Und selbst wenn mal kein Regenbogen am Himmel sichtbar ist, so lassen sich viele Experimente finden, die sowohl einfach durchführbar, als auch leicht zugänglich sind durch die unmittelbare Erfahrung mit den Augen. Obwohl Physiker heutzutage immer noch nicht wissen (und so schnell auch nicht wissen werden), was Licht wirklich ist, sollten wir dennoch versuchen, den Wissensdurst der Schüler etwas zu stillen. Wir führen sie zu Beginn ihrer physikalischen Ausbildung behutsam in das Strahlenmodell des Lichtes ein, mit dem wir bereits erste Effekte wie die Farbaufspaltung des Lichtes bei einem prismenähnlichen Körper beschreiben können. Einige Jahre später fordern wir ihren Verstand mit dem Wellenmodell heraus und erschlagen sie zuletzt mit der Quantenphysik, die alles bisherige über den Haufen wirft und damit fast alles beschreiben, aber leider nichts erklären kann. Doch wir begnügen uns nicht nur mit der Beschreibung der Phänomene. Wir erklären den Schülern auch die Grundlagen für die Entstehung von Licht und damit all der Erscheinungen, die das Licht mit sich bringt. Dazu betrachten wir quantenhafte Sprünge von Elektronen in den Stoffen und die thermische Abstrahlung farbig-glühender, schwarzer Körper. Auf Grund der Vielfalt der Grundlagenthemen zu diesem Gebiet beschränken wir uns für die vorliegende Arbeit auf die folgende Auswahl: • Entstehung von Strahlung – diskret: Atomhülle – kontinuierlich: thermische Strahlung

3

• Licht- und Farberscheinungen auf Grund der Eigenschaften von Licht (Brechung, Streuung, Dispersion, Interferenz, Polarisation) • Lumineszenzeffekte: Fluoreszenz und Phosphoreszenz Der Schwerpunkt liegt also bei der physikalischen Behandlung der Lichtentstehung sowie der Beschreibung einiger ausgewählter Lichterscheinungen.

2 Fachlicher Hintergrund 2.1 Entstehung von Strahlung Die Physik behandelt mehrere Prozesse in der Natur unter dem Begriff Strahlung, z.B. radioaktive, elektromagnetische oder gravitative Strahlung. Das uns interessierende Licht fällt in den Bereich der elektromagnetischen Strahlung und wird meistens im Wellenmodell beschrieben, wobei das sichtbare Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 400nm (violett) bis 800nm (rot) liegt. Interessant sind auch die angrenzenden Wellenlängenbereiche. Gehen wir in den Bereich noch kleinerer Wellenlängen, so siedelt sich bei etwa 100nm bis 400nm das ultraviolette Licht (ugs. „Schwarzlicht“) an, im Bereich größerer Wellenlängen ist bei 800nm bis etwa 1µm das nahe Infrarotlicht (das „warme Licht“) anzutreffen. Für die verschiedenen Wellenlängenbereiche gibt es keine fest definierten Grenzen, weshalb immer ungefähre Angaben gemacht werden. Das ist nicht zuletzt auch auf die individuelle Empfindlichkeit des menschlichen Auges zurückzuführen. Was der eine als störendes violettes Licht wahrnimmt, kann der andere schon gar nicht mehr sehen.

Abbildung 1: Spektrum des sichtbaren Lichts Die sichtbare elektromagnetische Strahlung kann, zumindest in den für uns relevanten Fällen, auf zwei verschiedene Arten entstehen. Betrachten wir zum Beispiel das Spektrum einer Gaslampe, so erhalten wir nicht das volle, kontinuierliche Spektrum wie in Abbildung 1, sondern einige charakteristische, diskrete Spektrallinien. Diese sind auf einen Wechsel der Energiezustände der im Körper (z.B. dem Gas einer Gaslampe) enthaltenen Elektronen zurückzuführen. Schauen wir uns dagegen

4

das Spektrum einer Glühlampe an, bei der ein fester Metallfaden und kein Gas zum Glühen gebracht wird, so erhalten wir doch noch das volle, kontinuierliche Spektrum. Dieses scheint zunächst nicht mit der Theorie der Elektronenübergänge, die zu diskreten Linien führen, vereinbar. Hier greift das mächtige Modell der Schwarzkörperstrahlung, mit der Max Planck uns im Jahr 1900 die Tore zur Quantenphysik öffnete (und aus der heraus später erst ein solides Atommodell entstand, mit dem wiederum die diskreten Linien präzise beschreibbar wurden). 2.1.1 Diskrete Spektrallinien Das Bohrsche Atommodell war Anfang des 20. Jahrhunderts das erste Atommodell, welches im Rahmen der aufkommenden Quantenphysik entwickelt wurde. Zwar hatte es immernoch gravierende Mägel1 , doch die einfache Veranschauung wird noch heute genutzt. So reden wir (fälschlicherweise) immernoch von Elektronen, die auf Bahnen2 um den Atomkern kreisen – ganz so, wie die Planeten um die Sonne. Auf jeder Bahn besitzt ein Elektron eine bestimmte Eigenenergie En , wobei n die Bahnzahl ist. Mit steigender Bahnzahl, also je weiter das Elektron vom Kern entfernt ist, nimmt auch die Eigenenergie zu. Das Besondere an Bohrs Modell: Die Elektronen können unter Abgabe der Energie ∆Emn von der n-ten auf die m-te Bahn springen – der sogenannte „Quantensprung“ 3 . Gleichmaßen können sie durch Absorption der gleichen Energiemenge wieder zurück auf die n-te Bahn gelangen. Es gilt die Bohrsche Beziehung: hνnm = En − Em wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist. Die freiwerdende Energie wird in Form von elektromagnetischer Strahlung mit der Frequenz νnm emittiert. Im Rahmen der Quantenphysik spricht man bei diesen Energiequanten von Photonen. Über die Beziehung c = λν mit c als Lichtgeschwindigkeit und λ als Wellenlänge kann die Wellenlänge der emittierten Strahlung berechnet werden: λnm =

hc En − Em

Elektronen aus höheren Bahnen (also mit größerer Energie) sind im Allgemeinen bestrebt, unter Aussenden von Strahlung in möglichst niedrige Bahnen zu gelangen, 1

2

3

Zum Beispiel können keine Mehrelektronensysteme (also fast alle Atome und Ionen) und keine chemische Bindungen (Moleküle) beschrieben werden. Der Elektronenbahn-Drehimpuls wird falsch vorhergesagt. Linienaufspaltung und -verbreiterung werden nicht erklärt. Wir werden in dieser Arbeit den (in der Wissenschaft veralteten) Begriff der Bahn bevorzugen, da dieser für Schüler intuitiv besser verständlich ist als Energienniveau oder -zustand. Die theoretischen Grundlagen dafür lieferte Einstein im Jahr 1905 mit seiner Arbeit über den photoelektrischen Effekt und der darin enthaltenen Lichtquantenhypothese.

5

wenn die Quantenmechanik ihnen einen dortigen Aufenthalt erlaubt (vgl. PauliPrinzip). Sind sie einmal in einem energetisch günstigen Zustand (also auf einer niedrigen Bahn), so bleiben sie auch dort, wenn keine Anregung von außen stattfindet. Bei Gasentladungslampen wird in einem Gas ein elektrisches Feld angelegt, wodurch es zu einer Anregung der Elektronen in den Gasatomen und -ionen kommt. Sie werden in höhere Bahnen gehoben, wo sie allerdings nur sehr kurz verweilen und anschließend unter Lichtaussendung zurück in eine niedrigere Bahn springen. Da die Energie, die ein Elektron auf einer bestimmten Bahn hat, stoffspezifisch ist, wird sich auch die Wellenlänge des emittierten Lichts von Stoff zu Stoff unterscheiden. Zudem sind u.U. auch Sprünge zwischen unterschiedlichen Bahnen möglich, weshalb man Licht mit verschiedenen Wellenlängen erwarten kann. Genau dieser Punkt wird bei der Spektralanalysie genutzt. Spaltet man das emittierte Licht (z.B. mit einem Prisma) auf, so zeigt sich, dass jeder Stoff ein charakteristisches Spektrum besitzt. Die nachfolgende Abbildung zeigt zum Beispiel das charakteristische Spektrum von Wasserstoff.

Abbildung 2: Wasserstoffspektrum Eigentlich ist es verwunderlich, dass wir die Spektrallinien überhaupt sehen können. Die rötliche Linie im Wasserstoffspektrum hat in der vorgestellten Theorie eine Wellenlänge von 656nm. Bei dieser ganz diskreten Wellenlänge sollte es eigentlich kaum möglich sein, diese hauchfeine Linie im Spektrum aufzulösen. Auf Grund der Unschärferelation hat diese Linie aber eine natürliche Breite. Da die Elektronen eine gewisse Zeit auf ihrer angeregten Bahn verweilen und auch nicht augenblicklich auf eine andere wechseln, gibt es nach der Unschärferelation ∆E∆t ≥ h ¯ eine Unschärfe in der Energie, was zu einer unscharfen Wellenlänge führt. Weitere, mitunter quantenmechanische Effekte4 verbreitern diese Linie noch weiter oder spalten sie zum Teil auf. Auf sie wird hier nicht weiter eingegangen. Ein Schulexperiment zur Untersuchung des Spektrums einer Energiesparlampe, die eine moderne Form einer Gasentladungslampe darstellt, wird in Kapitel 4 vorgestellt. 4

Stichworte: Dopplerverbreiterung, Spin-Bahn-Wechselwirkung, Wechselwirkung der Elektronen untereinander u.v.m.

6

2.1.2 Kontinuierliches Spektrum Betrachten wir das (durch geeignete Versuche) aufgespaltete Sonnen- oder Glühlampenlicht, so sehen wir ein kontinuierliches Spektrum5 . Dieses ist selbst mit den genannten Verbreiterungseffekten nicht erklärbar. Mit Plancks Theorie der Schwarzkörperstrahlung wird das Problem gelöst. Natürlich wusste man schon vor Planck, dass ein heißer Körper ein kontinuierliches Farbspektrum emittiert. Mit Maxwells Elektrodynamik wurde auch eine atomistische Erklärung gefunden: Auf Grund der thermischen Energie schwingen die Atome in ihrem Gitter. Die dabei bewegten Ladungen strahlen elektromagnetische Wellen ab. Doch Planck war der erste, der eine korrekte Intensitätsverteilung – und damit den dominanten Farbeindruck – eines Körpers mit der Temperatur T ableiten konnte. Bei seinen schwarzen Körpern ging er davon aus, dass sie elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen vollständig absorbieren (daher „schwarzer“ Körper). Aus Energieerhaltungsgründen müssen sie aber Strahlung gleicher Leistung wieder emittieren. Der Clou an Plancks Idee: Ein solcher Körper kann Strahlungsenergie nur in Vielfachen einer kleinsten Energieeinheit, dem berühmten Planckschen Wirkungsquantum h, absorbieren und emittieren. Damit gelang er zu seinem Strahlungsgesetz: uν (ν, T ) =

1 8πhν 3 hν c3 e kT − 1

wobei uν die Energiedichte der thermischen Strahlung ist. Integriert über die Frequenz dν und das Volumen dV liefert es die Energie der thermischen Strahlung des Frequenzbereiches ν bis ν + dν, die sich im Volumen dV des schwarzen Körpers befindet. Die Darstellung in Abhängigkeit der Wellenlänge lautet: uλ (λ, T ) =

8πhc 1 hc 5 λ e λkT − 1

Zu beachten ist, dass die Temperatur T als einzige Eigenschaft des Körpers eingeht. Diese Temperatur bestimmt das Intensitätsmaximum über einer bestimmten Wellenlänge. Ein dunkler Metallblock mit Zimmertemperatur erscheint uns dunkel, da sein Intensitätsmaximum im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich liegt. Wird er auf eine genügend hohe Temperatur gebracht, so liegt ein ausreichend hoher Teil seiner Intensitätsverteilung im sichtbaren Bereich; der Block glüht. Die Sonne hat mit einer Oberflächentemperatur von etwa 5800 Kelvin ihr Maximum voll im sichtbaren Bereich. 5

Fairerweise müssen wir dem Sonnenlicht einige, mit einfachsten Mitteln kaum sichtbare Absorptionslinien zugestehen.

7

T=5500K

u(

) [kJ/nm]

800

600

T=5000K

400 T=4500K T=4000K

200

T=3500K 0

0

500

1000

1500

2000

[nm]

Abbildung 3: Energiedichte in Abhängigkeit der Wellenlänge Korrekterweise muss erwähnt werden, dass schwarze Körper eine Idealisierung darstellen. Ein realer Körper absorbiert nicht ganz 100% der einfallenden Strahlung, demzufolge ist auch die Leistung seiner emittierten Strahlung etwas unter der eines idealen schwarzen Körpers. Bei hohen Temperaturen sind diese Unterschiede aber nur gering. Wir möchten an dieser Stelle noch einmal auf den Unterschied bei der Entstehung von diskretem und kontinuierlichem Spektrum eingehen. Diskrete Spektrallinien erhalten wir durch Sprünge der Elektronen von äußeren auf niedrigere Elektronenbahnen (Energieniveaus). Zu beobachten sind sie bei Gasen, deren Elektronen durch äußere Einflüsse auf höhere Bahnen gepumpt werden, die sie spontan nach kurzer Zeit wieder verlassen. Die kontinuerlichen Spektren, die bei Körpern jedes Aggregatzustands zu beobachten sind, entstehen auf Grund der thermischen Bewegung von Atomen, deren dabei beschleunigte Ladungen elektromagnetische Strahlung emittieren.

8

2.2 Licht- und Farberscheinungen Licht- und Farberscheinungen sind auf zwei Ursachen zurückzuführen. Zum einen können durch die Mechanismen der eben beschrieben Entstehung von Strahlung Lumineszenzeffekte auftreten. Zum anderen führen die zahlreichen Strahlen-, Wellenund Teilcheneigenschaften des Lichtes zu den vielen farbenfrohen Erscheinungen. Sie sind auf Wechselwirkungen des Lichtes mit seiner Umgebung oder sich selbst zurückzuführen: Streuung, Brechung, Dispersion, Interferenz, Polarisation usw. Bei der Polarisation ist natürlich zu bemerken, dass eine einzelne, abgestrahlte, elektromagnetische Welle immer polarisiert ist; es handelt sich also eigentlich um einen Effekt bei der Entstehung. Doch natürliches Licht ist durch die Vielzahl der statistisch ungeordneten Dipole (Atome) zunächst immer unpolarisiert. Erst durch die Wechselwirkung mit diversen Medien oder Filtern erreichen wir einen gewissen Grad der Polarisation. Natürlich liefern manche moderne Geräte wie LCD-Bildschirme schon polarisiertes Licht ab Werk. 2.2.1 Lumineszenzeffekte Als Lumineszenzeffekte bezeichnet man alle Arten von Lichtemission, die durch eine Anregung der Elektronen auf äußere Bahnen und dem anschließenden Sprung zurück auf niedrigere Bahnen entsteht. Unterscheidet werden die Effekte dabei in der Art, wie die Elektronen angeregt werden. Auf Grund der Vielzahl der Möglichkeiten beschränken wir uns in dieser Arbeit auf Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Fluoreszenz Bei der Fluoreszenz erfolgt die Anregung der Elektronen durch elektromagnetische Strahlung, also durch absorbiertes Licht (Photolumineszenz). Die Elektronen haben eine sehr kurze Verweildauer in der angeregten Bahn (einige Nanosekunden bis Mikrosekunden) und fallen anschließend unter Lichtaussendung zurück. Wegen der kurzen Verweildauer verschwindet der Fluoreszenzeffekt augenblicklich, sobald das anregende Licht wegfällt. Zu beachten ist hierbei, dass das emittierte Licht langwelliger sein kann als das absorbierte, was im Rahmen der Bahn-Vorstellung nicht erklärt werden kann. Fluoreszierende Stoffe bestehen aus Molekülen, deren Atome auf Grund der Wechselwirkungen untereinander eine äußerst komplexe spezifische Bahnanordnung haben. Die Bahnen sind dabei zu vielen möglichen Energieniveaus aufgespaltet, die bei größer Molekülzahl zu quasi-kontinuierlichen Energiebändern werden. Dieser Vorgang ist nur im Rahmen der Quantenmechanik zu verstehen und wird hier nicht weiter ausgeführt.

9

Abbildung 4: Aufspaltung in Energiebänder Absorbiert nun ein Elektron in einem tieferen Energieniveau (auf einer niedrigen Bahn) Licht einer bestimmten Wellenlänge und damit einer bestimmten Energie, so wird es – wenn die Energiedifferenz übereinstimmt – in ein höheres Band gehoben, wobei es, je nach Energie des einfallenden Lichts, auf der ganzen Breite des Bandes landen kann. In den energiereicheren Regionen eines Bandes besitzt das Elektron zusätzliche Vibrationsenergie, die es in bestimmten Medien (z.B. wässrigen Lösungen) sofort an die Umgebung abgibt und am Boden des angeregten Bandes landet. Fällt es von dort aus zurück in den Ausgangszustand (auf die ursprüngliche Bahn), so ist die Energie des emittierten Lichtes geringer als die des absorbierten, da ja ein Teil der absorbierten Energie in Vibrations- und damit Verlustenergie überging. Das emittierte Licht ist also energieärmer und damit langwelliger. Diese Wellenlängendifferenz nennt man den Stokes-Shift.

Intensität

Stokes-Shift Absorption Emission

Wellenlänge Abbildung 5: Stokes-Shift

10

Den Stokes-Shift kennt jeder Disco-Besucher: Chininhaltige Limonade, z.B. Tonic, ist ein fluoreszierendes Stoffgemisch. Bei Einstrahlung ultravioletten Lichts („Schwarzlicht“) leuchtet das Gin-Tonic im etwas langwelligeren Blau. Freunde macht man sich mit der Erklärung des Effektes an solchen Orten aber keine. Phosphoreszenz Die Phosphoreszenz ist ebenfalls ein Photolumineszenzeffekt, unterscheidet sich zur Fluoreszenz aber durch ein wesentlich längeres, manchmal mehrere Stunden anhaltendes Nachleuchten des Stoffes nach dem Wegfall des anregenden Lichts. Die Phosphoreszenz ist ein zutiefst quantenmechanisch durchdrungener Effekt, der hier nur sehr grob erklärt wird. Nach der Anregung der Elektronen in ein höheres Energieniveau (äußere Bahn) verweilen sie dort wieder nur sehr kurz. Statt aber sofort auf die ursprüngliche Bahn zurückzuspringen, gelangen sie zunächst ein ein sogenanntes metastabiles Niveau, also eine Bahn, auf der sie längere Zeit verweilen können, theoretisch sind sie dort sogar für immer gefangen. Auf Grund von Stoßprozessen zwischen den Atomen und Molekülen können sie diesen metastabilen Zustand aber verlassen und unter Aussenden von Licht auf eine untere Bahn zurückspringen. Damit ist auch bereits erklärt, warum die Dauer des Nachleuchtens temperaturabhängig ist. Je kälter, desto geringere Stöße, desto längeres Nachleuchten. Anwendung finden phosphoreszierende Materialien zum Beispiel bei Notausgangsschildern oder Feuerwehrhelmen.

Abbildung 6: Phosphoreszierender Feuerwehrhelm

2.2.2 Eigenschaften des Lichts und seine Erscheinungen Im Folgenden werden einige auserwählte Eigenschaften des Lichts und die daraus resultierenden optischen Phänomene und Erscheinungen beschrieben. Streuung: Ein Lichtstrahl bewegt sich nur im Vakuum ungehindert und geradlinig auf einer Geodäten vorwärts. Beim Durchqueren eines Mediums wird es an

11

den Teilchen mehr oder minder gestreut. Die Art der Streuung hängt dabei von der Frequenz der Strahlung und der Resonanzfrequenz der Teilchen (Streuzentren) ab. Liegt die Frequenz des Lichts weit unterhalb der Resonanzfrequenz der Atome und Moleküle, so tritt sogenannte Rayleigh-Streuung auf. Dabei wird Licht höherer Frequenz stärker gestreut als niederfrequentes. Die Rayleigh-Streuung liefert damit eine Erklärung für das Himmelblau, da der blaue Anteil des Sonnenlichts stärker gestreut wird und von der gesamten Himmelshalbkugel in unser Auge trifft. Brechung und Dispersion: Trifft Licht auf eine Grenzfläche zu einem anderen Medium, so wird ein Teil des einfallenden Lichts reflektiert, der übrige Teil wird transmittiert und dabei gebrochen. Das heißt, dass sich sein Winkel zum Einfallslot ändert. Beim Übergang von einem optisch dünnen in ein optisch dichtes Medium wird das Licht zum Lot hin gebrochen, beim Übergang in die andere Richtung vom Lot weg6 . Dieser Effekt ist verantwortlich für den „Knick in der Optik“, den wir beim Betrachten von Gegenständen im Wasser empfinden. Der Brechungswinkel ist nicht nur von den Brechzahlen der beteiligten Medien abhängig, sondern zudem noch von der Wellenlänge des Lichts. Ähnlich wie bei der Streuung wird auch hier das kurzwelligere Licht stärker gebrochen. Nach einmaliger Brechung ist eine Farbaufspaltung allerdings kaum zu bemerken; ein Fisch im Wasser erscheint uns nicht bunt. Wird das Licht jedoch mehrmals in die gleiche Richtung gebrochen, z.B. bei einem Prisma, so ist der Effekt deutlich sichtbar. Wir

Abbildung 7: Nebensonne (vergrößert) erhalten ein Spektrum mit allen Wellenlängen, aus denen das einlaufende Licht bestand. In der Natur können wir die Lichtbrechung eindrucksvoll in verschiedenen atmosphärischen Farberscheinungen beobachten, wie zum Beispiel bei Regenbögen, Zirkumzenitalbögen, Halos oder Nebensonnen. 6

Das gilt für normale Dispersion, wie sie in der Schule behandelt wird. Bei anormaler Dispersion ist es genau anders herum; diese wird jedoch nur mit sehr speziellen Medien erreicht.

12

Interferenz: Im Rahmen des Wellenmodells können Interferenzeffekte des Lichts erklärt werden. Licht besteht aus sehr vielen, endlich langen (meist extrem kurzen) Wellenzügen. Sind diese Wellenzüge „nah beieinander“ und haben sie etwa die gleiche Wellenlänge (Kohärenzbedingungen), so kommt es zur Superposition der Wellenzüge. Wellenberge verstärken sich gegenseitig (konstruktive Interferenz), Berge und Täler löschen sich gegenseitig aus (destruktive Interferenz). Interferenzeffekte erzeugt man beispielsweise durch Beugung an Spalten oder Gittern oder aber durch Reflexion an dünnen Schichten, was für die schillernden Farben einer Seifenblase verantwortlich ist. Polarisation: Ein elektrischer Dipol sendet elektromagnetische Wellen mit einer ~ bestimmten, ebenen Schwingungsrichtung des E-Feldes aus. Einen einzelnen emittierten Wellenzug nennt man daher polarisiert. Die schwingenden Atome eines schwarzen Körpers stellen eine Vielzahl von Dipolen dar, wobei die Schwingungsrichtungen der emittierten Wellenzüge stochastisch in alle Richtungen verteilt sind. Diese emittierte Strahlung ist dann unpolarisiert. Es gibt mehrere Möglichkeiten, aus unpolarisiertem Licht den Anteil mit einer bestimmten Schwingungsebene zu extrahieren, z.B. mit Polarisationsfiltern, dünnen Plättchen, bestimmten Kristallen oder bei Reflexion im sogenannten BrewsterWinkel. Dieses Licht ist dann linear polarisiert, da die Schwingungen in einer konstanten Ebene stattfinden. Mit anderen Mitteln ist es auch möglich, Licht so zu polarisieren, dass sich die Schwingungsebene periodisch dreht7 . Man nennt es dann ~ zirkular polarisiert. Ändert sich zudem noch der Betrag des E-Vektors periodisch (mit der gleichen Periode wie die Schwingungsebene), so spricht man von elliptisch polarisiertem Licht. Mit polarisiertem Licht und Polarisationsfiltern lassen sich wunderbare Farberscheinungen beobachten. Außerdem besitzt das menschliche Auge einen Sinn, den kaum einer kennt: Wir können die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht herausfinden. Siehe dazu die Freihandexperimente in Kapitel 4.1.

3 Didaktische Überlegungen 3.1 Licht im Lehrplan Die folgende Tabelle gibt einer Übersicht darüber, welche der in dieser Arbeit vorgestellten Themen in welchem Schuljahr behandelt werden. 7

Die Drehachse ist parallel zum Wellenzahlvektor ~k, der in die Ausbreitungsrichtung der Welle zeigt.

13

Klassenstufe

Lernbereich und besondere Inhalte

6

Licht und seine Eigenschaften: Strahlenmodell, Strahlengang und Farbaufspaltung am Prisma Wahlpflicht Farben: Farbzerlegung durch Brechung, Spektrum und Spektralfarben, Regenbogen, Farbmischung, subjektive Farbwahrnehmung

7

Energiewandler: Erwärmung und Leuchten von Körpern

10

Kosmos, Erde, Mensch: Strahlungsarten, Spektrenarten, Spektrum der Sonne und anderer Gestirne, chemische Zusammensetzung der Sternenphotosphäre, Temperatur Licht als Strahl und Welle: Dispersion und Spektrum des Sonnenlichts, Wellenmodell des Lichts, c = λf , Beugung und Interferenz an Doppelspalt und Gitter, Wellenlängenbestimmung beim Laserpointer Hertz’sche Wellen: Einordnung des Lichts im elektromagnetischen Spektrum

12

Welleneigenschaften des Lichts: Brechung, Beugung, Interferenz, Polarisation Praktikum Optik: u.a. Bestimmung von Wellenlängen durch Interferenz Grundlagen der Quantenphysik: Einsteins Lichtquantenhypothese E = hν Strahlung aus Atomhülle und Atomkern: Atommodelle, Termschemata, quantenhafte Lichtabsorption- und emission, Lumineszenzerscheingungen, Linienspektren Wahlpflicht Optische Phänomene Atmosphärische Erscheinungen wie Regenbögen, Halo etc.

12 LK

Zusätzlich zu o.g.: Kohärenz, Fluoreszenz, Phosphoreszenz

Die Namen der Lernbereiche in Klasse 12 sind dem Grundkurs entnommen. Im Leistungskurs heißen sie meist etwas anders, die hier interessierenden Inhalte sind aber nahezu identisch. Die Klasse 6 steigt mit dem Strahlenmodell in die Natur des Lichts ein, das bereits Reflexionen und Lichtbrechung beschreiben (aber nicht erklären) kann. Am Prisma wird entdeckt, dass das weiße Sonnenlicht aus (unendlich) vielen Farben besteht, die alle zusammen weiß ergeben.

14

Danach folgt jahrelang gar nichts. Mal abgesehen von der Erkenntnis in Klasse 7, dass erhitzte Körper in einer bestimmten Farbe leuchten (was später ja auf Plancks Strahlungsgesetz hinausläuft), sieht es Mau aus für den wissbegierigen Schüler, der mehr über die Natur des Lichts erfahren will. Grund dafür ist das nächst beste Modell selbst: das Wellenmodell. Zur Beschreibung von Wellen sind solide Kenntnisse über Schwingungen nötig sowie mathematisches Grundwissen über periodische Funktionen. Die Winkelfunktionen sind in Mathematik erst in Klasse 10 ein Thema, weshalb auch der Physiklehrer erst in Klasse 10 auf dieses Wissen bauen kann. Ist das einmal da, geht es in dieser Klassestufe Schlag auf Schlag. Innerhalb des Astronomie-Implantats lernen die Schüler Strahlungs- und Spektrenarten, insbesondere von Sonne und weiteren Sternen und die daraus resultierenden chemischen Zusammensetzungen kennen. Auch auf die Abhängigkeit des Farbeindrucks von der Oberflächentemperatur des Gestirns wird eingegangen. Danach erhalten die gleichen Themen nochmal einen zusätzlichen Lernbereich, der das Strahlenmodell nach 4 Jahren mal wiederholt, die gerade kennengelernten Welleneigenschaften in ein Modell presst und um Beugung und Interferenz erweitert. Damit nicht genug. Es schließen sich die Hertzschen Wellen an. Und da Licht ebenfalls ins elektromagnetische Strahlungsspektrum gehört, wird es hier abermals erwähnt. Fraglich bleibt in dieser Klassenstufe, wie die Schüler diskrete Spetrallinien mit einer bestimmten Frequenz verbinden sollen, ohne die Beziehung E = hν zu kennen, die ja erst in Klasse 12 eingeführt wird. Hier kann allenfalls Wissen, nicht aber Verstehen gelehrt werden. Eine ähnliche Ballung findet noch einmal in Klassenstufe 12 statt. Neben der nochmaligen Beschreibung der verschiedenen Eigenschaften wird nun erstmals eine Erklärung der Natur des Lichts versucht. Dies wird ermöglicht durch eine Einführung in die Grundlagen der Quantenphysik und die damit verbundenen, brauchbaren Atommodelle. Das Thema „Licht“ zieht sich wie ein roter Faden durch die Klassenstufen 10 und 12. Das mag logisch gut durchdacht sein, da die Lernbereiche thematisch eng zusammenhängen und der Schüler somit eine grobe Orientierung hat. Zudem sind die Inhalte auf dem Niveau erst in Klasse 10 bzw. 12 unterrichtbar. Doch diese thematische Ballung entzieht sich dem Brunerschen Spiralprinzip, welches in der Mathematikdidaktik ja bereits einen festen Platz eingenommen hat. Die Behandlung eines zentralen Themas aus verschiendenen Blickwinkeln über ein ganzes Schuljahr hinweg kann sowohl für Schüler als auch für Lehrer sehr ermüdend sein. Vor allem junge Schüler kommen oft mit einer hohen Begeisterungsfähigkeit in den Physikunterricht. Und besonders das Thema Licht ist für viele faszinierend. Doch

15

nachdem wir ihnen das für sie begreifbare Strahlenmodell beigebracht und dessen Grenzen aufgezeigt haben, vertrösten wir ihre weiteren Nachfragen auf Klasse 10. Welch ungeheurer Einschnitt in die Wissbegierde eines jungen Menschen! Wir erachten es als durchaus sinnvoll, zwischendurch bereits Hinweise auf die Wellennatur des Lichts zu geben und damit das Feuer der Begeisterung der Heranwachsenden neu zu entfachen, statt in Klasse 10 eine verloschene Glut vorzufinden. Eine exakte, wissenschaftliche Beschreibung mag in der Zwischenzeit vielleicht noch nicht möglich erscheinen, doch wäre zumindest eine intuitive Vorstellung der Wellennatur vermittelbar8 . Diese Vorstellungen können dann einige Zeit in den Köpfen der Schüler reifen, bis die thematische Spirale wieder bei ihnen ankommt und sie ausbaut.

3.2 Besondere Aspekte der Werteorientierung Das Licht mit all seinen Erscheinungen ist ein wahrlich riesiges Themengebiet. In der Wissenschaft erstreckt es sich über mehrere Modelle (Strahle, Welle, Teilchen) und Theorien (klassische Elektrodynamik, Quantenelektrodynamik) und auch in der Schule spannt sich der Bogen von der ersten Physikstunde in Klasse 6 bis zur „Last Lecture“ in Klasse 12. Da auch bereits der fachliche Teil dieser Arbeit auf einem Niveau der Oberstufe behandelt wurde, widmen wir uns an dieser Stelle nicht der ausführlichen Analyse eines das Licht betreffenden Lernbereichs, sondern zusätzlichen Aspekten, die der ein oder anderen Überlegung des Lehrers Wert sind. Gemeint ist hiermit die Werteorientierung, insbesondere die Umwelterziehung. 3.2.1 Glühlampe vs. Energiesparlampe Die ersten Glühlampen entstanden in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Doch erst 1880 machte der US-Amerikaner Edison die Glühlampen marktreif. Im Laufe der Zeit konnten sich immer mehr Menschen eine elektrische Beleuchtung leisten; die Zeiten dunkler Kammern im Kerzenschein waren vorbei. Der Siegeszug der Glühlampen hielt auch in Europa über 100 Jahre an, bis er im Jahr 2009 abrupt eingedämmt wurde. Was war geschehen? Hier bietet sich ein interessanter Ansatz für Diskussionen und zur Werteorientierung im Physikunterricht. Glühlampen lassen einen hohen Strom durch einen festen Körper fließen, heutzutage meist einen Wolframdraht. Durch die elektrische Reibung erwärmt sich der 8

Einen ersten Ausblick gibt zwar der Wahlpflichtbereich „Farben“ in Klasse 6, doch den wird wohl kaum ein Lehrer unterrichten können. Die von den Lehrplanschreibern eingeplante Zeit für die Wahlpflichtthemen wird in der Schule häufig als Zeitpuffer für Unterrichtsausfälle u.ä. genutzt. Den Lehrern kann man dafür allerdings keine Vorwürfe machen.

16

Draht auf mehrere tausend Grad Celsius und fängt entsprechend Plancks Strahlungsgesetz mit einem kontinuierlichen Spektrum an zu leuchten (glühen). Dabei geht allerdings der größte Teil der elektrischen Energie als Abwärme verloren; die Lichtausbeute ist sehr gering (weniger als 5%). Die Klimaerwärmung ist ein mediales Dauerthema, das auch in Zukunft noch stärker präsent sein wird. Daher dürften auch Schüler der unteren Klassenstufen bereits ein gewisses Vorwissen mitbringen, auch wenn es sich noch nicht zu einer persönlich vertretenen Meinung geformt hat. Ansätze genau dafür kann der Physikunterricht bringen, in dem er die Problematik der hohen Wärmeverluste von Glühlampen den globalen Forderungen nach Energiesparmaßnahen gegenüberstellt. So können die Schüler auch lernen, mit ihrem physikalischen Wissen zu argumentieren und sich nicht von Magazinen mit großen Lettern bevormunden zu lassen. Als Allheilmittel werden momentan vor allem Energiesparlampen angepriesen. Diese gehören zu den Gasentladungslampen und erzeugen damit ein Licht mit diskretem Spektrum, was natürlich die Kritiker auf die Beine ruft. Inwiefern sind diese Lampen eine Lösung? Woher kommt der Eindruck, dass sie ein „kaltes Licht“ aussenden? Hier bieten sich Experimente wie das qualitative Experiment aus Kapitel 4.2.1 an. Mit diesen Erkenntnissen bewaffnet können sich die Schüler fundierter zu solch heiklen Themen positionieren. 3.2.2 Lichterscheinungen in der Natur Der sächsische Lehrplan sieht an vielen Stellen eine Beachtung der Phänomene in der Natur vor9 . Und das ist auch gut so! Was nützten all unsere Bemühungen zur Umwelterziehung, wenn es dafür keine Berechtigung gäbe? Eine Möglichkeit, solch eine Rechtfertigung zu schaffen, ist es, den Heranwachsenden die Schönheit der Natur und Umwelt vor Augen zu führen. Viele Schüler können dadurch eine positive Einstellung zur Natur entwickeln und empfinden. Es ist jedoch zu beachten, dass nicht alle Schüler dieses Empfinden auf diesem Weg aufbauen können. Es gibt immer solche und solche. Denkbar wären zum Beispiel offene Arbeitsformen im Unterricht, bei denen sich die Schüler ein zu bearbeitendes Themengebiet selbst heraussuchen. Während die einen zum Beispiel Interferenzerscheinungen in technischen Geräten untersuchen (z.B. Interferometrie zur räumlichen Landkartenerstellung o.ä.), könnten sich andere Schüler ja den Interferenzerscheinungen in der Natur widmen, beispielsweise den Interferenzfarben mancher 9

Für das Thema „Licht“ siehe tabellarische Übersicht weiter oben

17

Tiere.

Abbildung 8: Interferenzfarben im Gefieder der Purpurkehlnymphe Ähnlich könnte man mit Beugungs- und Brechungserscheinungen wie Regenbögen, Halos, Nebensonnen usw. verfahren. Wichtig ist nur, dass der Lehrer nicht denkt, mit der klassisch-frontalen, sturen Abarbeitung solcher Themen einen Beitrag zur Umwelterziehung geleistet zu haben. Dieses Vorgehen ist mit Sicherheit kontraproduktiv.

4 Experimente 4.1 Freihandexperimente 4.1.1 Polarisationsfilter Polarisationsfilter werden nicht nur von Ingenieuren und Photographen verwendet, sie könnnen – wie wir in der Schülerexperimentierwoche beobachten konnten – den Schülern beim freien Experimentieren auch viel Freude bereiten. Betrachtet man linear polarisiertes Licht (z.B. von einem TFT-Bildschirm) durch den Filter und dreht diesen, so verändert sich die Helligkeit des durchscheinenden Lichts. Das verblüfft viele Schüler. Noch verblüffter sind sie aber, wenn sie durchsichtige Plastik-

18

gegestände wie Lineale, CD-Hüllen oder Kunststofffolien vor den Filter halten. Die Gegestände erscheinen plötzlich bunt, wobei sich ihre vielen Farben auch noch ändern, wenn man den Filter wieder dreht. Der motivierende Effekt kann vom Lehrer gnadenlos ausgenutzt werden. 4.1.2 Polarisationsrichtung sehen Besonders reizvoll ist die Fähigkeit der Augen, die Polarisationsrichtung von überwiegend linear polarisiertem Licht erkennen zu können. Ein geübter Beobachter sieht dabei das kleine, sogenannte Haidinger-Büschel relativ schwach vor dem beobachteten Hintergrund. Die Polarisationsrichtung liegt dabei senkrecht zur Verbindungs-

Abbildung 9: Skizze des Haidinger-Büschels linie der orangenen Flügel. Am einfachsten zu beobachten ist dieses Büschel an TFT-Monitoren, die linear polarisiertes Licht aussenden. Man wähle ein weißes Hintergrundbild und betrachte das Bild mit zur Seite geneigtem Kopf in einem Abstand von etwa einem halben bis einem Meter. Nach einer Weile neigt man den Kopf in die andere Richtung – es erscheint einem das Haidinger-Büschel auf dem weißen Bild. Es ist zu beachten, dass nicht alle Menschen dieses Büschel sehen können, die meisten aber schon. Auch hier gilt: Übung macht den Meister.

4.2 Qualitative Experimente 4.2.1 Spektrum einer Energiesparlampe Ziele des Experiments: Vor kurzem wurde von der EU ein Verkaufsverbot für matte 100W-Glühbirnen diktiert, da diese einen extrem niedrigen Wirkungsgrad

19

haben und die meiste Energie als unnütze Wärme abgeben. In absehbarer Zeit werden daher sämtliche Glühbirnen aus dem Sortiment gestrichen; der Trend geht hin zu Energiesparlampen. Kritiker werfen den Energiesparlampen aber ein „kaltes“ und ungesundes Licht vor. Seit Jahrmillionen leben die Tiere – und damit seit unserer evolutionären Entstehung auch wir Menschen – vom Licht der Sonne, die, wie die Schüler wissen, ein kontinuierliches Spektrum besitzt (bis auf wenige Absorptionslinien). Da Energiesparlampen zu den Gasentladungslampen gehören, senden sie kein kontinuierliches, sondern ein diskretes Spektrum aus (siehe Kapitel 2). Dies sollen die Schüler möglichst selbstständig in diesem Versuch entdecken. Im Rahmen der vom Bildungsauftrag vorgeschriebenen Werteorientierung ist auch eine Diskussion über physiologische Konsequenzen möglich, die eine Umstellung unseres kontinuierliche Spektren gewöhnten Körpers auf das künstlich-moderne diskrete Spektrum der neuen Lampen mit sich bringen könnte. Auch über Alternativen wie LED-Lampen kann diskutiert werden. Aufbau und Dürchführung: Der Aufbau ist an sich relativ einfach. Für einen übersichtlichen Aufbau nutzen wir eine Schiene mit zugehörigen Steckelementen der Optikbausätze. Das Licht der Energiesparlampe wird mit einer Blende – in unserem Beispiel ein Karton mit Loch – bereits vorgebündelt. Eine Linse fokusiert das Licht auf einen Einfachspalt. Das Licht läuft anschließend durch ein Geradsichtprisma, wo es in seine spektralen Bestandteile aufgespaltet und anschließend auf einem Schirm sichtbar gemacht wird. Eine weitere, verschiebbare Linse zwischen Einfachspalt und Prisma dient zum Scharfstellen des Spektrums auf dem Schirm. Ihre Position ist mit der Entfernung des Schirms vom Prisma abzustimmen.

Abbildung 10: Paradebeispiel für einen aufgeräumten Versuchsplatz

20

Beobachtung und Erkenntnis: Im abgedunkelten Raum ist auf dem Schirm das diskrete Spektrum der Energiesparlampe zu sehen.

Abbildung 11: Spektrum der Energiesparlampe Es ist deutlich zu sehen, dass große spektrale Bereiche eines natürlichen Lichts (Sonne, Glühbirne) fehlen. Dies ist der Grund dafür, dass das Licht der Energiesparlampen oftmals kalt wirkt. Besonders empfindliche Menschen soll es sogar krank machen. Einordnung in den Unterrichtsgang: Wir sehen für den Versuch zwei potentielle Anwendungsfelder innerhalb des Lehrplans. Der Versuch zeigt einerseits ein diskretes Spektrum, wie es bei Gasentladungslampen auftritt, hier jedoch an einem Alltagsgegenstand. Eine Erklärung des Spektrums ist qualitativ mit einem hinreichend guten Atommodell (Bohr) und der Strahlung aus der Atomhülle möglich. Dies wird in Klasse 12 im Lernbereich 4, „Strahlung aus Atomhülle und Atomkern“ (GK) bzw. im Lernbereich 5, „Grundlagen der Atomphysik“ (LK) behandelt, wo auch der Versuch beim Thema Linienspektren angesiedelt werden kann. Eine alternative Verwendung bietet der Lernbereich „Energieversorgung“ in Klasse 9. Im Rahmen dieses Lernbereiches ist zwar keine Erklärung des beobachteten Spektrums möglich, jedoch bietet der direkte Vergleich zum Licht einer Glühlampe eine interessante Grundlage für Diskussionen zur Energieproblematik. Vor- und Nachteile: Die Vorteile des Versuchs liegen klar auf der Hand: Wir untersuchen einen Alltagsgegenstand im Rahmen aktueller Diskussionen, was für

21

die Schüler eine Motivation darstellen dürfte. Der Versuch ist (vom Lehrer) schnell und übersichtlich aufgebaut und zeigt ein deutliches Ergebnis. Er ist ebenfalls hervorragend für Schülerexperimente geeignet, auch dank seiner Ausbaufähigkeit. Es ist ohne großen Aufwand möglich, das zu untersuchende Leuchtmittel zu wechseln. So können Glühbirnen, klassische und neuartige Energiesparlampen untersucht und verglichen werden. Letztere versprechen ja ein gesünderes Licht, da sie viele Farbanteile in ihrem Spektrum haben. Den Versprechungen der Werbefirmen können die Schüler hier selbst auf den Grund gehen. 4.2.2 Nachweis von UV-Licht Mittels fluoreszierender Platten ist es möglich, in abgedunkelten Räumen jenseits des sichtbaren Spektrums UV-Licht nachzuweisen. Hält man so eine Platte neben das blaue Ende eines Spektrums, so leuchtet sie auf – vorausgesetzt, das aufgespaltete Licht hat einen gewissen UV-Anteil. Im vorher beschriebenen Versuch hat die Energiesparlampe auch einige unsichtbare Spektrallinien im ultravioletten Bereich, die mit solchen fluoreszierenden Platten nachgewiesen werden können.

4.3 Quantitatives Experiment: Wellenlängenbestimmung am Doppelspalt Mit Hilfe des Doppelspaltversuchs ist eine relativ gute Bestimmung der Wellenlänge eines Lasers möglich. Das Laserlicht wird auf einen Doppelspalt (Spaltabstand a) geschickt und auf einem Schirm im Abstand d das Interferenzmuster beobachtet. Der Abstand auf dem Schirm vom Maximum n-ter Ordnung zum Maximum nullter Ordnung sei xn . Für kleine Beugungswinkel α der Maxima gilt dann näherungsweise die Beziehung: d xn = n · λ · a Über sie ist eine Bestimunng der Wellenlänge möglich. Der Versuch ist in dieser Form in Klasse 10, Lernbereich „Licht als Strahl und Welle“ vorgesehen.

5 Quellen E. W. Otten: „Repetitorium Experimentalphysik“, 2003 (Springer)

22