Mit Kugeln und Bauklötzen Streuversuche verstehen

Warum ist der Himmel blau? Diese Frage wurde im Physikunterricht an keiner Schule ausgelassen. Glücklicherweise ist die Erklärung recht simpel: Das Licht der Sonne trifft auf Moleküle in der Atmosphäre und wird daran abgelenkt, genauer gesagt: Es wird gestreut. Tagsüber geschieht dies vorrangig mit blauem Licht, das wir dann als blauen Himmel wahrnehmen.

Streuversuche beantworten grundlegende physikalische Fragen

Das Prinzip der Streuung findet sich in zahlreichen Gebieten der Physik wieder. In der Kernphysik untersucht man zum Beispiel die Streuung von Elektronen an Protonen, um einige grundlegende Fragen zu beantworten: Wie verteilt sich elektrische Ladung in Neutronen? Welchen Radius hat ein Proton? Woraus besteht die mysteriöse dunkle Materie?

Auf diese Fragen hat die moderne Physik noch keine zufriedenstellenden Antworten gefunden. Deshalb beschleunigen Forscher*innen an der Johannes-Gutenberg Universität Mainz am Mainzer Mikrotron Elektronen auf einer ‘Rennbahn’ und schießen damit auf Protonen. Um ein solches Experiment mit einfachen Mitteln nachzustellen, hat der Standort Mainz im Netzwerk Teilchenwelt Streubretter entwickelt, die das Prinzip dieser Experimente verdeutlichen.

Wie funktioniert ein Streubrett?

Auf dem Streubrett simulieren kleine Metallkugeln die Bewegungen der Elektronen; ein kleines rotes Holzobjekt stellt die Protonen dar. Die Metallkugeln rollen eine Rampe herab, kollidieren dann mit dem Holzkörper und werden daran in viele Richtungen gestreut. Zwölf Lichtschranken am Außenrand des Streubretts registrieren die durchrollenden Kugeln, die wie an einem Billardtisch in Vertiefungen fallen. In diesem Experiment zählt man also die Anzahl Kugeln, welche unter diesen zwölf Winkelbereichen abgelenkt werden.

Mit Streubrettern lässt sich einiges an Physik entdecken

„Das tolle an den Streubrettern ist, dass sie im Unterricht auf vielfältige Weise eingesetzt werden können. Wir sehen diese Experimente gerade hier als ideales Sprungbrett in die Teilchen- und Kernphysik“, sagt Jan-David Nicolas, Initiator des Projekts und Standortkontakt von Netzwerk Teilchenwelt in Mainz.

Das Experiment ist konzipiert für Schüler von der 7. bis zur 13. Klasse und unterstützt z. B. bei der Veranschaulichung des „Goldfolie-Experiments“ oder beim Einstieg in die Physik von Beschleunigerexperimenten.

Für die Versuche stehen Objekte mit unterschiedlicher Geometrie zur Auswahl. Der Sinn eines Streuexperiments erschließt sich Schülerinnen und Schülern oft schon, wenn man den Streukörper durch ein Blatt Papier versteckt, denn anhand des Winkelmusters kann man auf die Form des verborgenen Streukörpers schließen. Danach lässt sich gut verstehen, dass sich die Struktur eines Protons im echten Experiment auf ganz ähnliche Weise aus einer Winkelverteilung der Elektronen rekonstruieren lässt.

Das Experiment ist übrigens auch virtuell verfügbar. Hier lassen sich Versuche simulieren und die Ergebnisse anschließend mit den gemessenen Daten vergleichen. Hier kann im Unterricht auch auf das – oftmals essentielle – Zusammenspiel von Simulation und Experiment eingegangen werden. Des Weiteren kann mit den Schüler*innen die Wichtigkeit einer statistischen Betrachtung von Experiment und Simulation besprochen werden.

Natürlich können Schüler*innen auch ihre eigene Fragestellung entwickeln und mit den Streubrettern bearbeiten. Begleitend entwickelt der Standort für Lehrkräfte derzeit Lehrmaterialien für den Einsatz der Streubretter in der Schule.

Testklassen gesucht!

Mit der Entwicklung der Streubretter möchte der Standort Mainz ein Angebot schaffen, mit dem diese für die Physik so zentrale Thematik möglichst niederschwellig im Schulunterricht aufgegriffen werden kann.

Die Streubretter sind eine Neuentwicklung und werden in den kommenden Monaten mit Schüler*innen aus der Mainzer Umgebung getestet. Geplant ist der Verleih von Streubrettern an Schulen mitsamt didaktischer Materialien für den Schuleinsatz. Lehrkräfte, die Streubretter mit einer Schulklasse testen möchten, oder Schüler*innen, die noch ein Thema für eine Facharbeit suchen, können sich an den Standort Mainz wenden. Weitere Informationen und Ansprechpartner finden Sie hier.

Jan-David Nicolas