Wie kann man wissen, wie Atome „aussehen“? (Lehrerinformation, Stand )

Präsentation zum Thema: "Wie kann man wissen, wie Atome „aussehen“? (Lehrerinformation, Stand )"—  Präsentation transkript:

1 Wie kann man wissen, wie Atome „aussehen“? (Lehrerinformation, Stand 27.03.2017)
Expertenkongress nach einem Vorschlag von H. Koch, S. Herter, S. Huber, S. Hofmann; überarbeitet von C. Ammon, W. Habelitz-Tkotz, B. Lehmann, W. Wagner Lehrziele: Die Schüler sollen mit Hilfe dieses Arbeitsauftrages erkennen, dass es bezüglich der Vorstellung eines Atommodells - historisch gesehen - unterschiedliche Ansichten gab, welche sich im Laufe der Zeit gewandelt haben. Des Weiteren sollen sie erkennen, dass Modelle nur Hilfsvorstellungen sind, die ihre Grenzen haben und es deshalb auch kein „wahres“ Modell gibt. Vorkenntnisse: keine. Vorbereitung: Musterlösung (enthalten in Date 2) fertigen (schwereres Papier, z.B. >160g/m2 benutzen) und auf dem Lehrertisch auslegen. Eventuell n/6 Sätze (+ 1 Satz Musterlösung) Memory-Karten laminieren und schneiden. Einsatz im Unterricht: Sozialform: Gruppenarbeit (Expertengruppe n/6 Schüler, Mischgruppe 6 Schüler, n=Klassenstärke, Festigungsgruppe 4 Schüler) Die Schüler verschaffen sich in zwei Stufen (Expertenrunde, Mischrunde) einen Überblick über bedeutende Atommodelle. Danach können sie in einer 3. Runde anhand eines Memory-Spieles das erworbene Wissen überprüfen. Gleichzeitig dient das Memory als Zeitausgleich bei unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten. Material: Diese Material besteht aus 2 Dateien. Datei 1 (diese, ppt Hochformat) enthält 1 Blatt Lehrerinformation, 1 Blatt Arbeitsauftrag für Schüler, 6 Seiten Info-Texte für Schüler. Datei 2 (ppt Breitformat) enthält die Musterlösung = Vorlagen für Memory-Karten. Zur Vereinfachung von Sortierarbeit bei mehreren Sätzen kann die Rückseite mit Formen nach Folie 3-6 bedruckt werden. Durchführung: Der Expertenkongress besteht aus 2-3 Runden: Die Expertenrunde besteht hier aus 6 Gruppen. Jede Gruppe beschäftigt sich mit einem Modell bzw. seinem/seinen Autoren. Für diese Runde genügt minimal ein Exemplar Text je Gruppe. Weniger schwierig ist es, wenn jeder ein Blatt mitnehmen oder wenn er sich aus dem Memory „seine“ 4 Karten zusammensuchen kann. In der Mischrunde entstehen (je nach Klassenstärke 3-5) Mischgruppen aus mindestens einem Vertreter jeder Expertengruppe, um die hier gestellten Aufgaben gemeinsam zu lösen. Je nach vom Lehrer gewünschten Schwierigkeitsgrad kann jeder Experte einen kompletten Text oder „seinen“ Satz Memory-Karten in die Mischrunde mitnehmen oder nicht. Die Festigungsrunde dient der Festigung der erlernten Inhalte oder dem Zeitausgleich zwischen schnelleren und langsameren Gruppen. Die Schüler spielen das Memory. Dauer: Dieser Expertenkongress ist für einen Zeitrahmen von ca. 45 Minuten konzipiert.

2 Atommodelle (Arbeitsauftrag)
1. Expertenrunde: Jeder von euch liest sich einen Text genau durch (Texte 6a und 6b gehören zusammen) und bespricht ihn gegebenenfalls in der Runde der Experten. 2. Mischrunde: (Schneidet das unsortierte Memory sauber aus bzw. ihr bekommt vom Lehrer fertige Memory-Karten.) Legt die Bilder der Wissenschaftler anschließend untereinander in chronologischer Reihenfolge auf. Aufgabe dann: der jeweilige Experte ordnet jedem Bild die anderen drei Kärtchen (Name, Modellvorstellung, Modellgrenzen) zu, indem er sie neben das Bild legt. Vergleicht euer Ergebnis mit der Musterlösung auf dem Lehrertisch und prägt euch die Zusammenhänge ein. 3. Spielrunde (zur Festigung): Nun verwendet ihr die Karten als Memory und sammelt Paare (z.B. Name und Modellvorstellung). Wer am Schluss die meisten Paare gesammelt hat, ist Sieger. Atommodelle (Arbeitsauftrag) 1. Expertenrunde: Jeder von euch liest sich einen Text genau durch (Texte 6a und 6b gehören zusammen) und bespricht ihn gegebenenfalls in der Runde der Experten. 2. Mischrunde: (Schneidet das unsortierte Memory sauber aus bzw. ihr bekommt vom Lehrer fertige Memory-Karten.) Legt die Bilder der Wissenschaftler anschließend untereinander in chronologischer Reihenfolge auf. Aufgabe dann: der jeweilige Experte ordnet jedem Bild die anderen drei Kärtchen (Name, Modellvorstellung, Modellgrenzen) zu, indem er sie neben das Bild legt. Vergleicht euer Ergebnis mit der Musterlösung auf dem Lehrertisch und prägt euch die Zusammenhänge ein. 3. Spielrunde (zur Festigung): Nun verwendet ihr die Karten als Memory und sammelt Paare (z.B. Name und Modellvorstellung). Wer am Schluss die meisten Paare gesammelt hat, ist Sieger.

3 Demokrit (Text 1) um 460 bis ca. 370 v. Chr.
ein griechischer Philosoph aus Abdera (Thrakien), der die von seinem Lehrer Leukipp begründete Lehre vom Atomismus weiterentwickelte. In Demokrits Vorstellung bestehen alle Dinge aus unsichtbaren und unzerstörbaren Materieteilchen, Atome genannt, (griechisch atoma: unteilbar), die sich ewig im endlosen leeren Raum bewegen. Dieser leere Raum existiert, ohne selbst aus Atomen zu bestehen. Obwohl sie exakt aus dem gleichen Stoff bestehen, unterscheiden sich die Atome nach Größe, Lage und Form. Ihre Eigenschaft, sich mit anderen Atomen zu verbinden, erzeugt die gegenständliche Welt. Die Eigenschaften der Gegenstände wiederum werden allein bestimmt vom Zusammenhalt dieser kleinsten Materieteilchen. Die Entstehung der Welt ist nach Demokrit dementsprechend eine Folge der unablässigen Bewegung der Atome im Raum. Demokrit verfasste auch Schriften zur Ethik, in denen er Glückseligkeit durch Wohlbefinden (griechisch euestó) der Seele als höchstes Gut pries. Deshalb bekam er den Beinamen „Der lachende Philosoph“. Grenzen des Modells: Der Unterschied zwischen Stoffgemisch und chemischer Verbindung ist noch nicht gesichert. Außerdem sind Atome nicht unteilbar.

4 Aristoteles (Text 2) 384-322 v. Chr.
Zusammen mit Platon und Sokrates gehört er zu den berühmtesten und bedeutendsten Philosophen des Altertums. Mit seinen Lehren wurde er zu einem zentralen Denker der abendländischen Philosophie. Sein Leben: Aristoteles wurde in Stagira in Makedonien geboren und zog im Alter von 17 Jahren nach Athen, um an Platons Akademie zu studieren. Dort blieb er etwa 20 Jahre lang, anfangs als Student und dann als Lehrer. Nach Platons Tod 347 v. Chr. zog Aristoteles nach Assos, einer Stadt in Kleinasien. Dort herrschte Hermias, mit dem er befreundet war. Nachdem Hermias 345 v. Chr. von den Persern gefangen genommen und getötet wurde, zog Aristoteles nach Pella, der Hauptstadt Makedoniens. Dort war er Erzieher des Thronfolgers, des späteren Alexander des Großen. Als Alexander 335 v. Chr. König wurde, kehrte Aristoteles nach Athen zurück und gründete seine eigene Schule, das Lykeion. Da die Gespräche zwischen Schülern und Lehrern häufig während Spaziergängen auf dem Schulgelände des Lykeion stattfanden, wurde Aristoteles’ Schule als „Wandelschule“ bekannt. Nach Alexanders Tod 323 v. Chr. verbreitete sich in Athen eine starke anti-makedonische Gesinnung, und Aristoteles zog sich auf sein Landgut auf Euböa zurück, wo er ein Jahr später starb. Seine Lehre: Aristoteles geht von einem endlichen, sphärischen Universum aus, in dessen Mittelpunkt sich die Erde befindet. Der zentrale Bereich besteht aus den vier Elementen: Erde, Luft, Feuer und Wasser. In Aristoteles’ Lehre ist jedem dieser vier Elemente ein genauer Platz angewiesen. Jedes der Elemente bewegt sich in seiner natürlichen geradlinigen Bahn seinem eigentlichen Ruhepunkt entgegen. Daraus ergibt sich, dass irdische Bewegungen immer geradlinig sind und immer zum Stillstand kommen. Die Himmel jedoch bewegen sich natürlich und ewig in einer komplexen, kreisförmigen Bewegung, was ein fünftes, neues Element erforderlich macht, das Aristoteles Aither (Äther) nennt. Als höheres Element ist Aither unveränderlich und kann bloß seinen Platz in kreisförmigen Bewegungen verändern. Grenzen des Modells: Hier können chemische Reaktionen und die Vielfalt der Stoffe noch nicht erklärt werden.

5 John Dalton (Text 3) britischer Chemiker und Physiker, entwickelte die Atomtheorie, auf der die moderne physikalische Wissenschaft beruht. Sein Leben: Dalton wurde am 6. September 1766 in Eaglesfield (Cumberland, heute Cumbria) als Sohn eines Webers geboren. Unterricht erhielt er von seinem Vater und an einer Quäkerschule in seiner Heimatstadt, wo er schon mit zwölf Jahren zu lehren begann zog er nach Kendal und leitete dort mit seinem Cousin und dem älteren Bruder eine Schule. Er ging 1793 nach Manchester und verbrachte dort den Rest seines Lebens als Lehrer – zuerst am New College und später als Privatgelehrter. Er starb am 27. Juli 1844 in Manchester. Sein Werk: Nach Daltons Atomhypothese bestehen alle Elemente aus winzig kleinen, unveränderlichen und unteilbaren Teilchen, den Atomen. Er ging dabei von einer begrenzten Anzahl unterschiedlicher Atomarten aus und vermutete, dass sich verschiedene Atome zu großen Verbänden zusammenschließen und sich dabei vielfältig kombinieren lassen. Diese aus Atomen zusammengesetzten Teilchen nennen wir heute Moleküle. Daltons bedeutendster Beitrag zur Wissenschaft war seine Theorie, dass die Materie aus Atomen verschiedener Gewichte besteht, die sich in bestimmten, einfachen Teilchenanzahlverhältnissen miteinander verbinden. Diese Theorie, die Dalton 1803 erstmalig vorstellte, stellt einen Grundpfeiler der modernen Physik dar. Sie wurde unter dem Namen Gesetz der multiplen Proportionen bekannt. 1808 veröffentlichte Dalton sein Buch A New System of Chemical Philosophy (Ein neues System des chemischen Theiles der Naturwissenschaft). Darin hatte er die Atomgewichte einer Reihe bekannter Elemente im Verhältnis zum Gewicht von Wasserstoff (das er gleich eins setzte) angeführt. Seine Gewichte waren noch nicht exakt, bildeten aber die Grundlage für das moderne Periodensystem der chemischen Elemente. Grenzen des Modells: Mit Hilfe dieses Modells kann die Bildung von Ionen nicht erklärt werden. Folglich können auch chemische Bindungen nicht verstanden werden.

6 Ernest Rutherford (Text 4)
Lord of Nelson and Cambridge britischer Physiker, der für seine bahnbrechende Arbeit in der Kernphysik und für seine Theorie zur Atomstruktur den Nobelpreis erhielt. Leben und Werk: Rutherford wurde bei Nelson (Neuseeland) geboren und studierte an den Universitäten von Neuseeland und Cambridge. Er war von 1898 bis 1919 Professor für Physik an der Universität in Montreal (Kanada) und während der nächsten zwölf Jahre an der Universität von Manchester (England). Nach 1919 arbeitete Rutherford als Professor für Experimentalphysik und Direktor des Cavendish Laboratory der Universität von Cambridge und hatte nach 1920 auch einen Lehrstuhl an der Royal Institution of Great Britain in London. Rutherford zählt zu den ersten und bedeutendsten Forschern in der Kernphysik. Schon bald nach der Entdeckung der Radioaktivität (1896 durch den französischen Physiker Antoine Henri Becquerel) identifizierte Rutherford die drei Hauptbestandteile der Strahlung und nannte sie Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Er wies außerdem nach, dass die Alphateilchen Atomkerne des Heliums sind. Berühmt ist Rutherford durch seinen genialen Streuversuch geworden: Er schoss mit winzigen alpha-Teilchen auf eine dünne Goldfolie. Dabei stellte er fest, dass fast alle diese Goldfolie ungehindert durchdrangen, nur wenige Teilchen wurden abgelenkt oder sogar zurückgeworfen. Daraus schloss er, dass die Goldatome aus nahezu leeren Räumen bestehen und stellte seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als winziger, dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschrieben wurde. Im Jahr 1919 gelang Rutherford ein weiteres wichtiges Experiment: Durch den Beschuss von Stickstoff mit Alphastrahlen wurden die Atome eines Sauerstoffisotops sowie Protonen freigesetzt. Mit dieser Umwandlung von Stickstoff- in Sauerstoffatome war die erste künstliche Kernreaktion vollzogen. 1914 wurde Rutherford zum Ritter geschlagen und 1931 zum Lord ernannt. Er starb in London und wurde dort in der Westminster Abbey beigesetzt. Grenzen des Modells: Nach diesem Atommodell kreisen die Elektronen auf beliebigen Bahnen um den Atomkern und müssten theoretisch nach ca Sekunden in den Kern stürzen. Dies trifft aber in der Realität nicht zu. Weiterhin müsste ein Atom, wenn es durch Energiezufuhr angeregt ist, ein kontinuierliches Lichtspektrum abgeben, allerdings treten in Wirklichkeit für jedes Element ganz charakteristische Spektrallinien auf.

7 Niels Bohr (Text 5) dänischer Physiker und Nobelpreisträger, der u. a. wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des Aufbaus der Atome lieferte. Sein Leben: Bohr war der Sohn eines Professors und wurde in Kopenhagen geboren. Er studierte an der Universität Kopenhagen und erlangte dort im Jahr 1911 seine Doktorwürde. Noch im gleichen Jahr ging Bohr an die Universität Cambridge in England, um Kernphysik zu studieren. Bald darauf begab er sich an die Universität Manchester, um mit Ernest Rutherford zusammenzuarbeiten. Sein Werk: Bohrs Theorie zum Aufbau der Atome war vom Rutherfordschen Atommodell abgeleitet, bei dem die Elektronen den Atomkern umkreisen „wie die Planeten die Sonne“. Seine Untersuchungen über die Struktur der Atomhülle führten zu der Erkenntnis, dass die Elektronen den Atomkern nicht ungeordnet umkreisen, sondern gesetzmäßig auf bestimmte Umlaufbahnen verteilt sind. Diese Umlaufbahnen um den Atomkern werden Elektronenschalen genannt. Die maximal sieben Elektronenschalen bezeichnet man von innen nach außen mit Nummern (1 – 7). Die äußere Schale nennt man Außenschale (Valenzschale) und ihr kommt eine besondere Bedeutung zu. Bohr erkannte auch, dass die Zahl der Elektronen, die in einer Schale Platz finden, begrenzt ist und jede Elektronenschale nur eine bestimmte Höchstzahl an Elektronen aufnehmen kann. Diese maximale Elektronenzahl einer Energiestufe kann durch die Formel 2n2 ausgedrückt werden, wobei n die Periodennummer ist. Die Außenschale eines Atoms kann immer nur höchstens acht Elektronen aufnehmen. Sie werden als Außenelektronen (Valenzelektronen) bezeichnet und legen die chemischen Eigenschaften eines Elements fest. Für seine Arbeiten erhielt der Wissenschaftler 1922 den Nobelpreis für Physik. Grenzen des Modells: Das Modell erklärt richtig die aus den Experimenten folgenden Spektrallinien des Wasserstoffatoms und wasserstoffähnlicher Ionen. Es gestattet allerdings keine Erklärung für die unterschiedlichen Intensitäten der Spektrallinien. Außerdem kann man die Aufspaltung der Spektrallinien in eng benachbarte Linien nicht erklären.

8 Werner Heisenberg (Text 6a)
deutscher Physiker und Nobelpreisträger, einer der Begründer der Quantenmechanik, Beiträge zur Theorie der Atomstruktur (Heisenbergsche Unschärferelation). Sein Leben: Heisenberg wurde in Würzburg geboren und studierte mathematische Physik, Mathematik und Astronomie an der Universität München habilitierte er sich bei Max Born an der Universität Göttingen. Sein Werk: Von 1924 bis 1927 hielt er sich zu Forschungszwecken bei dem dänischen Physiker Niels Bohr an der Universität Kopenhagen auf wurde Heisenberg als Professor für Theoretische Physik an die Universität Leipzig berufen. Anschließend wirkte er als Professor an der Universität Berlin ( ) wurde er Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik (1948 in Max-Planck-Institut für Physik umbenannt). Von 1946 bis zu seinem Tod 1976 leitete er das Max-Planck-Institut in Göttingen, welches 1958 nach München verlegt und um die Institute für Physik und Astrophysik erweitert wurde. Während des 2. Weltkrieges war Heisenberg für die wissenschaftliche Forschung in Zusammenhang mit dem deutschen Kernenergieprojekt verantwortlich. Nach dem Krieg war er kurze Zeit in England interniert. Er war einer der bedeutendsten theoretischen Physiker des 20. Jahrhunderts, der die Physik und die Philosophie nachhaltig beeinflusste. Seine wichtigsten Beiträge leistete er zur Theorie der Atomstruktur begann er mit der Entwicklung einer besonderen Form der Quantenmechanik. Die darin enthaltene mathematische Formulierung basiert auf der Strahlung, die das Atom absorbiert und emittiert sowie auf den Energieniveaus des atomaren Systems. Heisenbergs Unschärferelation spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Mechanik und übte großen Einfluss auf die moderne Philosophie aus. Sie besagt, dass man für kein Teilchen gleichzeitig den Impuls und den Ort bestimmen kann wurde Heisenberg der Nobelpreis für Physik verliehen. Er starb am 1. Februar 1976 in München.

9 Erwin Schrödinger (Text 6b)
österreichischer Physiker und Nobelpreisträger, weltbekannt durch seine mathematischen Studien zur Wellenmechanik. Sein Leben: Schrödinger wurde in Wien geboren und studierte an der dortigen Universität. Er lehrte Physik an den Universitäten von Stuttgart, Breslau, Zürich, Berlin, Oxford und Graz. An der Schule für Theoretische Physik des Institute of Advanced Study in Dublin war er von 1940 bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1955 Direktor. Sein Werk: Schrödingers bedeutendster Beitrag zur Physik lag in der Entwicklung der nach ihm benannten Gleichung. Es handelt sich dabei um eine nicht-relativistische Bewegungsgleichung für ein quantenmechanisches System. Schrödinger bewies die mathematische Äquivalenz zwischen seiner 1926 veröffentlichten Theorie und der Matrizenmechanik des deutschen Physikers Werner Heisenberg, die dieser im vorhergehenden Jahr entwickelt hatte. Die Theorien der beiden Wissenschaftler bildeten zusammen einen wesentlichen Teil der Grundlagen für die Quantenmechanik. Schrödinger teilte sich 1933 den Nobelpreis für Physik mit dem britischen Physiker Paul Adrien Maurice Dirac für seinen Beitrag zur Entwicklung der Quantenmechanik. Seine Forschungen bereicherten auch das Wissen über Atomspektren, statistische Thermodynamik und Wellenmechanik. Abschließende Bemerkung: Vermutlich ist das Modell nach Heisenberg und Schrödinger auch nicht das letzte Atommodell. Daher ist es auch nicht das „wahre“ Modell, denn jedes Modell ist nur eine Hilfsvorstellung, die ihre Grenzen hat. Physiker wünschen sich eine gemeinsame Theorie von Quantenmechanik und Gravitation, die aber bisher noch nicht gefunden ist.