Atomphysik in Versuchen: Ein Methodischer Leitfaden Für Den Unterricht

ISBN-13: 9783663004080 / Niemiecki / Miękka / 1966 / 424 str.

Heinz Schroder

Opis

Der Plan, das vorliegende Buch zu schreiben, wurde im Anschluss an eine Reihe von Kursen gefasst, die in dem Lehrerfortbildungsheim Rinteln des niedersachsischen Kultusministeriums durchgefuhrt wur den. Der erste dieser Kurse fand im Jahre 1952 statt. Einer Anregung von Herrn Oberstudiendirektor Moller, Recklinghausen, folgend soll te untersucht werden, inwieweit es moglich ist, die Atomphysik in den Unterricht der hoheren Schulen einzufuhren. Dass diese Aufgabe zum Thema eines Kurses bestimmt wurde, war damals nicht selbstver standlich, denn es wurde von berufener Seite nachdrucklich davor ge warnt, dass sich die Schule mehr als beilaufig mit Fragen der Atomphy sik beschaftigt. Diese ablehnende Haltung entsprang der Sorge, dass die Fassungskraft unserer Schuler fur eine sachlich einwandfreie Be handlung der neuen Dinge nicht ausreiche und man sich daher mit einer oberflachlichen Durchnahme begnugen musse, die wertlos oder gar schadlich sei. In dem ohnehin mit Wochenstunden sparlich ausgestatte ten Physikunterricht solle sich - so meinte. man - der Lehrer darauf beschranken, mit seinen Schulern die grundlegenden Erkenntnisse der klassischen Physik sorgfaltig zu besprechen. Fur die Grunde, mit denen so die neuere Physik fUr den Unterricht der hoheren Schule abgelehnt wurde und vielleicht no, ch wird, war in dem damaligen Kurs volles Verstandnis vorhanden. Wie jenen Warnern lag auch den Teilnehmern des Kurses wie mir als seinem Leiter am Her zen, dass ein Physikunterricht gegeben wird, der bildenden Wert hat."

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Spis treści

1. Einleitung.- 1.1. Ist eine Behandlung der Atomphysik im Physikunterricht geboten?.- 1.2. Welche Voraussetzungen sind zur Behandlung der Atomphysik nötig?.- 1.3. Welches Ziel soll die Behandlung atomphysikalischer Probleme im Unterricht haben und wie kann dieses Ziel erreicht werden?.- 2. Allgemeines Instrumentarium.- 2.0. Vorbemerkungen.- 2.1. Hochspannungsgeräte und sonstige Netzgeräte.- 2.2. Das Elektroskop bzw. das Elektrometer.- 2.3. Das Spiegelgalvanometer und der Meßverstärker.- 2.4. Die Thermosäule.- 2.5. Die Braunsche Röhre.- 2.6. Lichtquellen, Entladungsröhren und Glimmröhren.- 2.7. Elektronische Zählgeräte.- 2.7.1. Vorbemerkung.- 2.7.2. Aufbau elektronischer Zählgeräte.- 2.8. Das Ausmessen magnetischer Felder und Kräfte.- 3. Das Rutherfordsche Atommodell.- 3.0. Vorbemerkungen.- 3.1. Existenz und Abmessung der Atome.- 3.1.1. Brownsche Molekularbewegung.- 3.1.2. Abschätzung des Atomdurchmessers mit dem Ölfleckversuch.- 3.1.3. Abschätzung der Loschmidtschen Zahl.- 3.1.4. Bestimmung der Atommasse und des Atom- bzw. Molekulargewichts.- 3.1.4.1. Messung des Dampfvolumens durch Luftverdrängung nach V. Meyer.- 3.1.4.2. Das Verfahren nach Dumas.- 3.1.4.3. Bestimmung des Molekulargewichts mit Hilfe der Siedepunktserhöhung (SE) und Gefrierpunktserniedrigung (GE).- 3.1.4.4. Bestimmung des Molekulargewichtes mit Hilfe der Elektrolyse.- 3.1.5. Schülerversuche zum Atom- und Molekelbegriff.- 3.1.5.1. Der Ölfleckversuch.- 3.1.5.2. Das Gesetz der gleichbleibenden Gewichtsverhältnisse.- 3.1.5.3. Molekulargewichtsbestimmungen.- 3.1.5.4. Der Zusammenhang zwischen dem Molekulargewicht und der spezifischen Wärme.- 3.1.5.5. Abschätzung der thermischen Geschwindigkeit der Molekeln einer Flüssigkeit.- 3.1.5.6. Studien zur Brownschen Bewegung.- 3.2. Kern und Elektron als Hauptbestandteile des Atoms.- 3.2.1. Aufschlüsse über Vorhandensein und Beschaffenheit der elektrisch geladenen Bestandteile des Atoms aus der Analyse der Stromleitung in Metallen (Hall-Effekt).- 3.2.2. Versuche zur Ionenwanderung in Flüssigkeiten.- 3.2.2.1. Ionenwanderung in einer flachen Kammer.- 3.2.2.2. Bestimmung der Loschmidtschen Zahl mit Hilfe der Ionenbeweglichkeit.- 3.2.3. Die Ionisation der Gase.- 3.2.3.1. Thermische Ionisation.- 3.2.3.2. Stoßionisation.- 3.2.3.3. Katodenstrahlen.- 3.2.3.4. Kanalstrahlen.- 3.2.4. Zusammenfassung der aus dem Studium der Stromleitung gewonnenen Erkenntnisse.- 3.2.5. Schülerversuche zum Ionenbegriff.- 3.2.5.1. Versuche zur Ionenwanderung.- 3.2.5.2. Bestimmung der Loschmidtschen Zahl aus der Ionenwanderung.- 3.2.5.3. Messung des elektrischen Widerstandes eines Elektrolyten.- 3.2.5.4. Beobachtung des elektrischen Widerstandes eines Glasstabes.- 3.2.5.5. Die Kennlinie einer Glühlampe.- 3.2.5.6. Ermittlung des Potentialverlaufs in einem Holzstab.- 3.2.5.7. Ermittlung des Potentialverlaufs in einem Elektrolyten.- 3.2.5.8. Versuche zur thermischen Ionisation.- 3.2.5.9. Die Aufnahme der Kennlinie einer Glimmröhre.- 3.2.5.10. Messung der Zeitdauer einer Glimmentladung.- 3.2.5.11. Die Abhängigkeit der Zündspannung einer Glimmröhre von der Temperatur.- 3.2.5.12. Abschätzung des Ionisationsgrades in einer Glimmröhre.- 3.2.6. Messung des elektrischen Elementarquantums nach Millikan.- 3.2.6.1. Das Millikangerät und die Meßmethode von Millikan.- 3.2.6.2. Messung des elektrischen Elementarquantums mit dem Millikangerät im konstanten elektrischen Feld.- 3.2.6.3. Messung des elektrischen Elementarquantums mit dem Millikangerät im elektrischen Wechselfeld.- 3.2.6.4. Die photographische Meßmethode.- 3.2.7. Schülerversuche zum elektrischen Elementarquantum.- 3.2.7.1. Der Millikanversuch selbst.- 3.2.7.2. Genaue Bestimmung der Loschmidtschen Zahl.- 3.2.7.3. Bestimmung von Ionenladungen.- 3.2.7.4. Untersuchung der auf Rauchteilchen vorkommenden Ladungen mit einem Elektrometer.- 3.2.8. Messung der Elektronenmasse.- 3.2.8.1. Vorbetrachtungen.- 3.2.8.2. Messung von e/m mit dem Fadenstrahlrohr.- 3.2.8.3. Messung von e/m nach Busch.- 3.2.8.4. Messung von e/m mit Hilfe des erdmagnetischen Feldes.- 3.2.9. Schülerversuche zur Messung der Elektronenmasse.- 3.2.9.1. Der e/m-Versuch nach Busch.- 3.2.9.2. Die Messung der Intensität des magnetischen Erdfeldes mit der Braunschen Röhre.- 3.2.9.3. Abschätzung von e/m mit einer Elektronenröhre.- 3.2.9.4. Ausmessen des ringförmigen Magnetfeldes eines langen stromdurchflossenen Drahtes.- 3.2.9.5. Der Einfluß eines Magnetfeldes auf die Zündspannung einer Glimmröhre.- 3.2.9.6. Versuche mit Glühelektronen im elektrischen Feld.- 3.2.10. Betrachtungen über die Größe der Atomkerne.- 3.2.10.1. Lenards Versuche und Betrachtungen zur Ermittlung der Kerngröße.- 3.2.10.2. Ermittlung der Kerngröße aus der Ablenkung von ?-Teilchen.- 3.3. Hinweise auf das kreisende Elektron.- 3.3.1. Molekularmagnet und Barkhausen-Effekt.- 3.3.2. Magneto- und elektrooptische Effekte.- 3.3.2.1. Vorbetrachtungen.- 3.3.2.2. Versuche zum Faraday-Effekt.- 3.3.2.3. Versuche zum Zeeman-Effekt.- 3.3.2.4. Der Kerr-Effekt.- 3.3.3. Atomare Resonanzerscheinungen.- 3.3.4. Der Einstein-de-Haas-Effekt.- 3.3.4.1. Vorbetrachtungen.- 3.3.4.2. Qualitativer Demonstrationsversuch.- 3.4. Hinweise auf die Gitterstruktur der festen Stoffe.- 3.4.1. Vorbetrachtungen.- 3.4.2. Der piezoelektrische Effekt.- 3.4.2.1. Allgemeines.- 3.4.2.2. Der Nachweis des Piezoeffektes.- 3.4.3. Laue-Diagramme.- 3.5. Schülerversuche zum Rutherfordschen Atommodell.- 3.5.1. Modellversuch zur Ermittlung der Kerngröße.- 3.5.2. Der Wechselstromwiderstand einer Spule mit Eisenkern.- 3.5.3. Demonstration des Curiepunktes.- 3.5.4. Die Abhängigkeit der Eisenmagnetisierung von der Frequenz des magnetisierenden Feldes.- 3.5.5. Darstellung der Hysteresisschleife.- 3.5.6. Der Faraday-Effekt.- 3.5.7. Der Zeemann-Effekt.- 3.5.8. Der piezoelektrische Effekt.- 3.6. Abschließende Bemerkungen zu den bisherigen Ausführungen.- 4. Die Radioaktivität.- 4.1. Einführung.- 4.2. Über den Umgang mit Röntgenstrahlung und radioaktiver Strahlung.- 4.2.1. Vorbetrachtungen.- 4.2.2. Grundlagen für die Messung der Strahlengefährdung.- 4.2.3. Erläuterungen und Hinweise zu den Bedingungen einer Strahlengefährdung.- 4.3. Versuche zur natürlichen Radioaktivität auf der Grundlage der Ionisationsstromm es sung.- 4.3.1. Einfihrende Versuche.- 4.3.2. Weiterführende Versuche mit dem Meßverstärker.- 4.3.2.1. Vorbetrachtungen.- 4.3.2.2. Aufnahme einer Sättigungsstromkurve.- 4.3.2.3. Messung der Reichweite der Alpha-Strahlen.- 4.3.3. Absorptionsmessungen an der Alpha-Strahlung.- 4.3.4. Die Demonstration des Zerfallsgesetzes der Radioaktivität (Messung der Halbwertszeit von Thoron).- 4.3.5. Die Abhängigkeit des Ionisationsstromes vom Druck des Füllgases einer Ionisationskammer.- 4.3.6. Bestimmung der Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen in Zimmerluft.- 4.3.7. Strahlungsmessungen.- 4.3.8. Beispiel für eine Anwendung radioaktiver Strahlung in der Technik.- 4.3.9. Demonstration der Stoßionisation mit dem Zählrohr.- 4.4. Versuche zur Radioaktivität auf der Grundlage der Impulszählung.- 4.4.1. Einleitende Bemerkungen.- 4.4.2. Wirkungsweise des Geiger-Müller-Zählrohres.- 4.4.3. Versuche mit Geiger-Müller-Zählrohren.- 4.4.3.1. Der Nulleffekt und der statistische Charakter der radioaktiven Strahlung.- 4.4.3.2. Reichweitemessung an Alpha-Strahlen.- 4.4.3.3. Absorptionsuntersuchungen.- 4.4.3.4. Die radioaktive Strahlung in elektrischen und magnetischen Feldern.- 4.4.3.5. Das Messen von Halbwertszeiten.- 4.4.3.6. Das Messen von Strahlungsintensitäten.- 4.4.3.7. Streuung der Beta-Strahlen an der Materie.- 4.4.3.8. Weitere Versuche mit dem Zählrohr.- 4.4.4. Der Szintillationszähler.- 4.5. Nebelkammerversuche.- 4.5.1. Allgemeines.- 4.5.2. Die Wilsonkammer.- 4.5.3. Die kontinuierliche Nebelkammer.- 4.5.4. Die Projektionsnebelkammer nach Hilsch.- 4.6. Die künstliche Kernspaltung.- 4.6.1. Einführung.- 4.6.2. Modellversuche.- 4.6.3. Aktivierungsversuche.- 4.7. Schülerversuche zur Radioaktivität.- 4.7.1. Die Leuchtziffern der Armbanduhr als Spinthariskop.- 4.7.2. Versuche mit dem Funkenzähler nach Greinacher.- 4.7.3. Nachweis einer durch radioaktive Strahlung verursachten Ionisation.- 4.7.4. Aufnahme einer Sättigungsstromkurve bei radioaktiver Ionisation.- 4.7.5. Reichweitemessungen.- 4.7.6. Abhängigkeit des durch radioaktive Strahlung verursachten Ionisationsstromes von der Temperatur.- 4.7.7. Messung der Halbwertszeit von Thoron.- 4.7.8. Absorptionsmessungen an einem radioaktiven Präparat.- 4.7.9. Der Spitzenzählerversuch.- 4.7.10. Messung des Einflusses radioaktiver Strahlung auf die Dauer einer Glimmentladung.- 5. Das Bohrsche Atommode ll.- 5.1. Vorbetrachtungen.- 5.2. Der lichtelektrische Effekt.- 5.2.1. Einführung.- 5.2.2. Darstellung des lichtelektrischen Effektes.- 5.2.2.1. Verwendung des Wulf-Elektroskopes.- 5.2.2.2. Verwendung des Elektrometers.- 5.2.2.3. Verwendung lichtempfindlicher Glimmröhren.- 5.2.2.4. Verwendung des Meßverstärkers.- 5.2.2.5. Verwendung von Hochvakuum-Photozellen.- 5.3. Der Elektronenstoßversuch von Franck und Hertz.- 5.3.1. Das Grundsätzliche.- 5.3.2. Allgemeines zur Versuchspraxis.- 5.3.3. Einzelheiten zur Versuchspraxis.- 5.3.4. Methodische Empfehlung.- 5.4. Die experimentelle und theoretische Behandlung des Wasserstoffspektrums.- 5.5. Klassische Physik und Temperaturstrahlung (Das Wiensche Verschiebungsgesetz).- 5.6. Das elementare Wirkungsquantum.- 5.6.1. Einführung.- 5.6.2. Bestimmung des elementaren Wirkungsquantums durch Auswertung der Vorgänge bei Gasentladungen.- 5.6.2.1. Die Messung von h mit Hilfe von Glimmröhren.- 5.6.2.2. Die Abschätzung von h durch Auswertung von geschichteten Entladungen.- 5.6.3. Die genaue Messung des Wirkungsquantums.- 5.6.3.1. Durchführung der Messung mit dem Meßverstärker.- 5.6.3.2. Durchführung der Messung mit einem Wechselspannungsverstärker.- 5.6.4. Ermittlung des Wirkungsquantums durch Auswertung des Wasserstof spektrums.- 5.6.5. Die Abschätzung des elementaren Wirkungsquantums durch Betrachtungen zur Temperaturstrahlung.- 5.6.6. Die h-Bestimmung mit Hilfe der photochemischen Chlorknallgasreaktion.- 5.7. Der Compton-Effekt.- 5.8. Schülerversuche zum Bohrschen Atommodell.- 5.8.1. Aufnahme einer Sättigungsstromkurve beim lichtelektrischen Effekt.- 5.8.2. Abhängigkeit des lichtelektrischen Effektes von der Lichtintensität.- 5.8.3. Abhängigkeit des lichtelektrischen Effektes von der Farbe des Lichtes.- 5.8.4. Abhängigkeit des lichtelektrischen Effektes vom Elektrodenmateria.- 5.8.5. Abhängigkeit der Lichtstrahlungsenergie einer Glühlampe von der aufgenommenen elektrischen Leistung.- 5.8.6. Demonstration des Wienschen Verschiebungseffektes.- 5.8.7. Eine Hinführung zum Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetz.- 5.8.8. Potentialverlauf in einer Entladungsröhre bei geschichteter Entladung.- 5.8.9. Subjektive Ausmessung des H2-Spektrums.- 5.8.10. Die Kennlinie einer belichteten Glimmröhre vor der Zündung.- 5.8.11. Die Abschätzung des elementaren Wirkungsquantums.- 5.8.12. Messung der Bremsspannung der Photoelektronen (zur genaueren h-Bestimmung).- 5.8.13. Messung des Einflusses des Lichtes auf die Dauer einer Glimmentladung.- 5.9. Leitungsvorgänge in Isolatoren, Halbleitern und Leitern.- 5.9.1. Einführung.- 5.9.2. Definitionen.- 5.9.3. Grundversuche zum Verhalten von Isolatoren, Halbleitern und Metallen.- 5.9.3.1. Leitende Isolatoren bei hohen Temperaturen und hohen elektrischen Feldstärken.- 5.9.3.2. Schlechtleitende Halbleiter bei tiefen Temperaturen.- 5.9.3.3. Gegenversuch mit einem Leiter.- 5.9.3.4. Abgekühlte Halbleiter bei Bestrahlung mit Licht bestimmter Frequenz.- 5.9.4. Erklärung der Grundversuche mit Hilfe des Bändermodells.- 5.9.4.1. Der Weg vom Termschema eines Atoms zum Bändermodell eines Kristalls.- 5.9.4.2. Vom Bändermodell zur Elektronen- und Löcherleitung.- 5.9.4.3. Das Bändermodell für Isolatoren, Halbleiter und Leiter.- 5.9.4.4. Zusammenfassung der Begriffe und Ausführungen zu den Leitungsvorgängen in Störstellenhalbleitern.- 5.9.5. Möglichkeiten für die Herstellung von Störstellenhalbleitem. Transistorsysteme.- 5.9.5.1. Der Legierungstransistor OC 71 als pnp-Typ für Ge und npn-Typ für Si.- 5.9.5.2. Der Diffusionstransistor BC 107.- 5.9.6. Dioden-Physik.- 5.9.6.1. Die np-Flächendiode. Der np-Übergang.- 5.9.6.2. Vergleich der Potentiale von p- und n-Material.- 5.9.6.3. Nachweis der Diffusionsspannung zwischen n- und p-Material.- 5.9.6.4. Nachweis der Diffusionslängen in der Sperrschicht.- 5.9.6.5. Die np-Diode mit negativer Vorspannung.- 5.9.6.6. Der Zenereffekt.- 5.9.6.7. Die np-Diode mit positiver Vorspannung.- 5.9.6.8. Dioden in logischen Schaltkombinationen.- 5.9.7. Dioden aus Halbleitern mit verschieden hohen Leitungsbändern.- 5.9.7.1. Einführung.- 5.9.7.2. Die Peltierkühlaggregate.- 5.9.7.3. Thermoelemente — Seebeck-Effekt.- 5.9.8. Der Dioden-Laser.- 5.9.8.1. Einführung.- 5.9.8.2. Versuchsanordnung mit einer Laser-Diode.- 5.9.8.3. Die Arbeitsweise der Laser-Diode.- 5.9.9. Transistorphysik.- 5.9.9.1. Einführung.- 5.9.9.2. Grenzfälle der Transistorkennlinien.- 5.9.9.3. Allgemeiner Fall: Bistabiler Transistor.- 5.9.9.4. Der monostabile Transistor als Verstärker.- 5.9.9.5. Vergleich zwischen Elektronen-Röhre und Transistor bei Verstärkerschaltung.- 5.9.9.6. Die Grenzfrequenz des Transistors OC 71.- 5.9.9.7. Der RC-Generator aus Wienbrücke und zweistufigem Verstärker.- 5.9.10. Der Hallgenerator.- 5.9.11. Der Einfluß eines Magnetfeldes auf den elektrischen Widerstand spezieller Halbleiter.- 5.9.12. Schülerversuche zur Halbleiterphysik.- 6. Zusammenfassung der methodischen Gesichtspunkte.- 6.1. Zum Stoffumfang.- 6.2. Gründe für die Betonung einzelner Stoffgebiete der Atomphysik.- 6.3. Das Ineinandergreifen physikalischer Gebiete bei der Behandlung von Problemen der Atomphysik.- 6.4. Der methodische Wert abschätzender Betrachtungen.- 6.5. Zur Aufgabe und den Grenzen des Unterrichts in der Atomphysik.- Übersicht über die Maßeinheiten.- Tafel der Schaltzeichen.- Sachwortverzeichnis.