Der Weg zur Quantenmechanik
Vorstellung eines Buches von Andreas Wünschmann
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Der Bildungsplan Physik für die Kursstufe an Gymnasien
in Baden-Württemberg sieht auch eine Einführung in die Grundlagen der
Quanten- und Atomphysik vor. Dabei soll auch die Schrödingergleichung und
ihre Lösung für einfache Sonderfälle "im
Überblick" behandelt werden. Das Problem für die Lehrkräfte liegt nun darin, ihnen dafür
angemessene Literatur zur Verfügung zu stellen. "Der Weg zur Quantenmechanik" von Andreas Wünschmann, anlässlich des 80. Jahrestages der Formulierung der Schrödinger Gleichung im Jahre 2006 überarbeitet neu herausgegeben, könnte diese Lücke schließen. |
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Im ersten Teil steht die Parallele zwischen der Mechanik und der Optik im Mittelpunkt:
- klassische Teilchen breiten sich genau wie Licht geradlinig aus,
- ein Elektronenstrahl wird ähnlich wie ein Lichtstrahl gebrochen, wenn die Elektronen ein elektrisches Feld durchlaufen,
- magnetische Linsen fokussieren Elektronenstrahlen so wie Linsen dies tun.
Nun hat Licht einen Wellencharakter, der bei der Beugung an
Spalten besonders klar wird.
Licht hat aber auch einen Teilchencharakter, der beim
Photoeffekt deutlich wird. Ohne eine Quantenvorstellung lässt er
sich genauso wenig erklären wie der Compton-Effekt.
Umgekehrt zeigt auch ein "klassischer" Elektronenstrahl plötzlich Welleneigenschaften, wenn Elektronen an Kristallen gebeugt werden. Meist bleibt uns dieser Wellencharakter von Teilchen nur deshalb verborgen, weil wir es im Alltag meist mit "großen" Teilchenmassen zu tun haben, und daher die Wellenlängen - nach der de-Broglie Beziehung - extrem klein sind.
So wie die geometrische Optik also ein Grenzfall der Wellenoptik ist, ist auch die klassische Mechanik ein Grenzfall der Wellenmechanik. Licht und Elektronen zeigen sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Beide Gebiete lassen sich auch mit ähnlichen mathematischen Grundgleichungen beschreiben.
Die zeitunabhängige Wellengleichung beschreibt die
Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen, also auch von Licht. Sie ist der
Ausgangspunkt der Wellenoptik.
In der Wellenmechanik gibt es ebenfalls eine Differentialgleichung
zweiter Ordnung, welche die Welleneigenschaften von Quantenteilchen
berücksichtigt - das ist die zeitunabhängige Schrödinger
Gleichung.
Andreas Wünschmann gelingt es, diese Parallele so spannend und
einfach zu vermitteln, dass auch Oberstufenschüler sie leicht
nachvollziehen können, wenn sie die entsprechenden Experimente aus dem
Unterricht kennen.
Zahlreiche Beispielrechnungen erleichtern das Verständnis.
Eine kurze Biographie Erwin Schrödingers schließt den ersten Teil
ab.
Der zweite Teil des Buches widmet sich der der Lösung
der Schrödinger Gleichung für einfache Sonderfälle.
Besonderen Wert legt der Autor dabei darauf, die verschiedenen
"halbklassischen" Ansätze mit den entsprechenden Beschreibungen
durch die Schrödinger Gleichung zu kontrastieren und dadurch das Besondere
der Quantentheorie herauszuarbeiten.
Die Bewegung eines Teilchens in einem eindimensionalen Potentialtopf, der
harmonische Oszillator und das Wasserstoffatom im Grundzustand werden im
Vergleich nach der klassischen Mechanik, nach der Theorie von Bohr und nach der
Quantenmechanik besprochen. Der Tunneleffekt und die Unschärferelation von
Heisenberg runden das Thema ab.
Dabei fallen Herleitungen meist ausführlicher aus, als man dies in
Hochschulliteratur findet, dadurch werden sie auch für Schülerinnen
und Schüler nachvollziehbar.
Der dritte Teil, "Orbitalmodell und Periodensystem", geht dann auf Inhalte ein, die mit den mathematischen Mitteln der Schule nicht mehr zu vermitteln sind, die aber als Grundlagen für die Chemie große Bedeutung haben. Hier geht es z.B. um die Drehimpulsquantisierung, das Aussehen von Orbitalen und das Pauli Prinzip.
Fazit: Insbesondere die ersten beiden Teile von Andreas Wünschmanns Buch bieten eine sehr gute Grundlage für Schülerinnen und Schüler der Kursstufe sich in das Thema Quantenphysik selbst einzuarbeiten.
Die
Klaus-Tschira-Stiftung stellt
erfreulicherweise der
Landesakademie für
Fortbildung und Personalentwicklung an Schulen in Bad Wildbad einen
Sonderdruck dieser Schrift "Der Weg zur Quantenmechanik"
kostenlos zur Verfügung.
Die Physiklehrer können die Schrift (auch in mehreren Exemplaren) dort
erhalten und an interessierte Schüler weitergeben.
Hier die genaue Bezugsadresse:
Frau Dr. Ulrike Greenway
Akademiereferentin
Landesakademie für Fortbildung und Personalentwicklung an Schulen
Baetznerstr. 92
75323 Bad Wildbad
Weitere Informationen:
Studien-Verlag Wünschmann
Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg
