Von heißen Körpern zur Quantenphysik: Das Licht als Teilchen

Die Optik ist die Lehre vom Licht, seiner Ausbreitung, dem Aufbau optischer Instrumente und allen den Erscheinungen, die mit dem Auge wahrgenommen werden können. Heute wird zwischen der klassischen Optik und der Quantenoptik unterschieden. In der klassischen Optik wird das Licht als Welle verstanden. Seit Beginn dieses Jahrhunderts sind allerdings viele Experimente durchgeführt worden, deren Deutung nicht im Rahmen der Wellentheorie möglich ist. Zur Erklärung muß angenommen werden, daß das Licht sich wie ein Teilchen, als Korpuskel, dem sogenannten Lichtquant, verhält. Dieses Bild ist immer dann anzuwenden, wenn Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt, also zum Beispiel bei der Absorption und Emission, aber auch bei der Streuung von Licht.

Thomas Görnitz, Brigitte Görnitz

Wolfgang W. Osterhage

Gerd Otter, Raimund Honecker

Das grundlegende Verständnis von Licht einerseits und massebehafteten Teilchen andererseits beruht auf dem Welle-Teilchen Dualismus. Dieser Dualismus besagt, daß auf der einen Seite das Licht, das dem Kenner der klassischen Physik nur in der Form einer elektromagnetischen Welle begegnet, je nach den äußeren Beobachtungsbedingungen auch wie ein örtlich konzentriertes Teilchen erscheinen kann, und umgekehrt, daß ein korpuskulares, massebehaftetes Teilchen auch Welleneigenschaften besitzt, die aber nur bei geeigneten Versuchsbedingungen in Erscheinung treten. Die historisch wichtigsten experimentellen Nachweise zu diesem Phänomen haben wir in Kapitel 1 dargelegt. Es zeigt sich, daß diese Eigenschaften keine sich widersprechende Erscheinungsformen von Licht bzw. Teilchen sind, sondern daß man sie als zwei sich ergänzende Charakteristika verstehen muß in dem Sinne, daß bei Auftreten der Teilcheneigenschaften die Beschreibung als Welle keinen physikalischen Sinn ergibt und umgekehrt, daß im Fall des Nachweises der Welleneigenschaft das Korpuskelbild zu Widersprüchen führt.

Maria Beatriz Fagundes

In seinen Schriften zur Epistemologie schreibt Gaston Bachelard "toute connaissance est réponse à une question". In dieser Arbeit wird das Mach- Zehnder-Interferometer präsentiert, um eine Problemsituation vorzustellen, mit derer Hilfe die Schüler mit unterschiedlichen Modellen für das Licht Teilchen, Wellen und Photonen konfrontiert werden. Ein konzeptuelles Profil der Schüler über das Verhalten von Photonen wird dargestellt. Im Kapitel "Quantenphysik-Unterricht und Epistemologie" wird der Leitfaden eines Unterrichtsvorschlags zur Einführung in die Quantenphysik in der Sekundarstufe präsentiert. Die ersten Abschnitte des Kapitels widmen sich der Vorstellung einiger didaktischer Überlegungen aus repräsentativen Unterrichtsvorschlägen zur Quantenphysik in der Sekundarstufe II und der Vorstellung grundlegender Ideen aus der Epistemologie Gaston Bachelards. Die didaktische Adaptation der epistemologischen Auffassung Bachelards wird am Beispiel eines Unterrichtsvorschlags, in dem die Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer mit zunehmender Abstraktion im Verlauf von vier epistemologischen Unterrichtsfeldern betrachtet wird, vorgestellt. Im Kapitel Das Mach-Zehnder Interferometer wird eine Beschreibung verschiedener Möglichkeiten für die Betrachtung der Lichtausbreitung im Mach-Zehnder- Interferometer für klassisches Licht und für Photonen präsentiert und einige Interpretationen der Quantenphysik diskutiert. Im Kapitel "Die Untersuchung" werden die Leitlinien und einige Ergebnisse einer explorativen Untersuchung der Schülervorstellungen über das Verhalten von Photonen vorgestellt. Um die Schülervorstellungen über Photonen zu erheben und zu klassifizieren haben wir uns an dem Begriff des "konzeptuellen Profils" orientiert. Der Begriff des konzeptuellen Profils wurde in Anlehnung an den von Bachelard geprägten Begriff "epistemologisches Profil" eingeführt. In den Anhängen sind Lehrerhandreichung und Unterrichtsmaterialien, die von Lehrern im Unterricht verwendet wurden, und die Fragebogen beigefügt.

Wolfgang W. Osterhage