Neutrinos – Die Geister des Herrn Pauli

Neutrinos – Pauli’s Ghosts

  • Physik
  • Sekundarstufe II
  • 4 Unterrichtsstunden
  • Video, Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
  • 11 Arbeitsmaterialien

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Neutrinos erarbeiten die Schülerinnen und Schüler grundlegende physikalische Eigenschaften des Betazerfalls, erfahren, welche Rolle das Neutrino dabei spielt und welche Eigenschaften dieses Elementarteilchen besitzt. Die Arbeitsblätter nehmen dabei Bezug auf ein Erklärvideo zum Thema Neutrinos.

BESCHREIBUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT

Die Schülerinnen und Schüler lernen anhand dieses Materials, dass die experimentell bestimmte Energie der Betateilchen nicht mit der theoretisch zu erwartenden Energie übereinstimmt. Diese sollte nämlich monoenergetischen Charakter haben, während das Experiment eine kontinuierliche Energieverteilung liefert. Sie erfahren, wie der Physiker Wolfgang Pauli das Rätsel durch die Postulierung eines „Geisterteilchens“, dem Neutrino, lösen konnte und welche Eigenschaften dieses exotische Teilchen aufweist.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial-/Aktionsform

Einstieg

Die Unterrichtseinheit und das Thema Neutrinos werden kurz vorgestellt und den Schülerinnen und Schülern der geLehrervortragplante Ablauf der nächsten Stunden erläutert.

Lehrervortrag

5 Minuten

Erarbeitungsphase I

Die Lernenden berechnen aus der Massenbilanz der Zerfallspartner die Energie der emittierten Elektronen und realisieren, dass eine monoenergetische Beta-Strahlung zu erwarten ist. (Arbeitsblatt 1)

Partnerarbeit / Gruppenarbeit, Video

15 Minuten

Sicherungsphase I

Die Lösung der Aufgabe wird von einem Gruppenmitglied vorgestellt und im Plenum diskutiert.

Plenum

10 Minuten

Erarbeitungsphase II

Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt 2, in dem es um die experimentelle Bestimmung der Elektronenenergie geht. Sie berechnen exemplarisch aus zwei Messergebnissen die kinetische Energie der Elektronen und beschreiben und bewerten die gesamte Auswertung der Messreihe.

Partner- oder Gruppenarbeit

40 Minuten

Sicherungsphase II

Die Lösungen der einzelnen Teilaufgaben werden von verschiedenen Schülerinnen und Schülern an der Tafel vorgestellt und im Plenum diskutiert.

Plenum

15 Minuten

Erarbeitungsphase III

Die Lernenden erhalten die Möglichkeit, den ersten Abschnitt des Videos „Neutrinos (2016)“ (bis Minute 3:30) für die Bearbeitung der Aufgabe a) zu nutzen. (Arbeitsblatt 3)

Partnerarbeit, Video

15 Minuten

Sicherungsphase III

Die wesentlichen Aussagen Mößbauers werden von den Lernenden zusammenfassend genannt und von der Lehrkraft – falls erforderlich – strukturiert.

Plenum

10 Minuten

Erarbeitungsphase IV

Die Lernenden lesen den Brief Paulis und schreiben heraus, welche Eigenschaften Pauli seinen Geisterteilchen bezüglich Masse und Wechselwirkung zuordnen möchte. Sie vergleichen dann diese Angaben mit Informationen im Video. (Ar-beitsblatt 3)

Partnerarbeit, Video

20 Minuten

Sicherungsphase IV

Die Eigenschaften von Neutrinos werden zusammengetragen. Dabei sollte deutlich werden, dass Pauli in seinem Brief die Masse und den Wirkungsquerschnitt seiner postulierten Teilchen zwar als sehr klein, aber im Vergleich zu heutigen Erkenntnissen als viel zu hoch einge-schätzt hatte.

Plenum

5 Minuten

Erarbeitungsphase V

Der Physik-Kurs wird in zwei Gruppen aufgeteilt. Die erste Gruppe recherchiert nach dem Experiment von Reines und Cowan und schreibt die wesentlichen Punkte auf. Die zweite Gruppe stellt anhand der Informationen im Video die Bedeutung der Neutrino-Forschung für die Astronomie zusammen. (Arbeitsblatt 3)

Partnerarbeit, Video

20 Minuten

Sicherungsphase VI

Mitglieder der beiden Gruppen stellen ihre Ergebnisse im Plenum vor.

Plenum

15 Minuten

Didaktisch-methodischer Kommentar

Einordung in den Unterricht und didaktische Analyse

Der Betazerfall gehört zu den Standardthemen des Physikunterrichts in der Oberstufe – im Grund- wie auch im Leistungskurs. Die wissenschaftshistorischen Aspekte bei der Postulierung und dem Nachweis der Neutrinos sowie eine Erarbeitung ihrer Eigenschaften werden im Physikunterricht allerdings oft nur am Rande thematisiert. Das Video „Neutrinos (2016)“ eignet sich daher besonders, diese Lücke zu schließen, da die wesentlichen Gesichtspunkte des Themas übersichtlich und zusammengefasst dargestellt werden. Die Arbeitsblätter, die sich in Teilen auf das Video beziehen, wurden so konzipiert, dass sie im Grund- wie auch im Leistungskurs eingesetzt werden können. Tipp-Karten sollen vor allem im Grundkursbereich bei der Umsetzung eines differenzierenden Unterrichts helfen. Als konkretes Beispiel für die Berechnung und die experimentelle Bestimmung der Energien beim Betazerfall wurde das Isotop Tritium gewählt, weil die Energien der Elektronen hier noch gerade in einem Bereich liegen, in dem klassisch gerechnet werden darf. Dies ist bei anderen Betazerfällen nicht mehr der Fall. Die Verwendung der relativistischen Formeln würde aber eine nicht unerhebliche Hürde darstellen, die das eigentliche Thema, nämlich die Notwendigkeit der Neutrinos zur Rettung des Energiesatzes, ungünstig überdecken würde. Die Tatsache, dass es sich beim Betaminus-Zerfall um Antineutrinos handelt, wird in den Arbeitsblättern nicht thematisiert, da dies für das Thema zunächst nicht relevant ist und die physikalischen Hintergründe der Elementarteilchenphysik den Ler-nenden nicht bekannt sind.

Methodische Analyse

Ein zentrales Ziel der Unterrichtseinheit besteht darin, dass die Lernenden nachvollziehen können, warum die Physiker vor 1930 größte Probleme bei der physikalischen Erklärung des Betazerfalls hatten und warum die Postulierung eines weiteren Teilchens zur Rettung des Energiesatzes führte. Daher sind die Arbeitsblätter so aufgebaut, dass die Diskrepanz zwischen theoretischem Ansatz (Poten-tialtopfmodell) und den experimentellen Ergebnissen herausgearbeitet wird und die Leistung Wolfgang Paulis mithilfe des Erklärvideos deutlich und nachvollziehbar wird. Die Tatsache, dass es gut 26 Jahre gedauert hat, bis man das geforderte Teilchen tatsächlich nachweisen konnte, zeigt, welch hervorragenden Spürsinn und Mut für unkonventionelle Lösungen Pauli besaß. Auch dies wird im Video deutlich, wie auch die erheblichen Anstrengungen, bestimmte Eigenschaften des Neutrinos experimentell zu ermitteln.

Vorkenntnisse

Für die Bearbeitung des ersten Arbeitsblattes zu Neutrinos ist es günstig, wenn das Thema „Massendefekt“ beziehungsweise „Bindungsenergie“ bereits behandelt wurde. Es reicht aber unter Umständen auch der Hinweis auf die entsprechende Tipp-Karte (Arbeitsblatt 4). Die Energie, die der Tritium-kern abgibt, erscheint nämlich als kinetische Energie des ausgesendeten Teilchens, also des Elektrons. Diese Energieabgabe führt aus Gründen der Energieerhaltung (Massenerhaltung) zu einem Masseverlust des Gesamtsystems, wobei Masse und Energie über E = mc² miteinander verknüpft sind. Für das zweite Arbeitsblatt sind Grundkenntnisse der Bewegung von geladenen Teilchen in Magnet-feldern erforderlich. Diese sollte in der Regel in den Halbjahren zuvor behandelt worden sein. Im dritten Arbeitsblatt geht es vor allem um die Eigenschaften, den Nachweis und die wissenschaftliche Bedeutung der Neutrinos. Obwohl im Video wie auch im Text (Brief von Wolfgang Pauli) Begriffe und Inhalte auftauchen, die im Unterricht noch nicht behandelt wurden oder gar nicht zum Schulstoff gehören, sollten sich die Aufgaben problemlos bewältigen lassen. An der einen oder anderen Stelle kann die Lehrkraft erklärend Hilfestellung geben, aber grundsätzlich ist es nicht schlimm, wenn bestimmte Aspekte des Themas nicht erschöpfend behandelt werden können. Sollte das Interesse bei den Lernenden für bestimmte Inhalte besonders groß sein, kann dies aber durchaus in Form von Referaten oder besonderen Lernleistungen in den Unterricht integriert werden.

Unterrichtsmaterial

Unterrichtsmaterial zum Download

Dieses Arbeitsblatt zu Neutrinos führt mithilfe des Videos in die Thematik ein und ermöglicht, die im Video angesprochene „scharfe Energie“ der Elektronen für ein konkretes Beispiel auszurechnen.

Mithilfe dieses Arbeitsblattes zu Neutrinos lernen die Schülerinnen und Schüler eine Möglichkeit kennen, die Energie der Elektronen experimentell zu bestimmen. Sie werten exemplarisch Messwerte aus und interpretieren das Versuchsergebnis in Bezug auf das Arbeitsblatt 1.

Mithilfe dieses Arbeitsblattes zu Neutrinos vollziehen die Lernenden die Idee von Wolfgang Pauli zur Postulierung des Neutrinos nach, lernen wichtige Eigenschaften des Neutrinos kennen und erfahren, wie das „Geisterteilchen“ erstmals nachgewiesen wurde.

Dieses Arbeitsblatt zum Thema Neutrinos enthält Tipp-Karten, die für den binnendifferenzierenden Unterricht eingesetzt werden können.

Teaching Guides for Download

Dieses Worksheet zu Neutrinos führt mithilfe des Videos in die Thematik ein und ermöglicht, die im Video angesprochene „scharfe Energie“ der Elektronen für ein konkretes Beispiel auszurechnen. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Mithilfe dieses Worksheets zu Neutrinos lernen die Schülerinnen und Schüler eine Möglichkeit kennen, die Energie der Elektronen experimentell zu bestimmen. Sie werten exemplarisch Messwerte aus und interpretieren das Versuchsergebnis in Bezug auf das Worksheet 1. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Mithilfe dieses Worksheets zu Neutrinos vollziehen die Lernenden die Idee von Wolfgang Pauli zur Postulierung des Neutrinos nach, lernen wichtige Eigenschaften des Neutrinos kennen und erfahren, wie das „Geisterteilchen“ erstmals nachgewiesen wurde. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Dieses Worksheet zum Thema Neutrinos enthält Tipp-Karten, die für den binnendifferenzierenden Unterricht eingesetzt werden können. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Externe Links

Dieser Link führt zu einer übersichtlichen Darstellung des Experiments von Reines und Cowan.

Dieser Link führt zum „Periodensystem Online“, das detaillierte Informationen über die Eigenschaften von Kernen und Atomen enthält.

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • berechnen an einem konkreten Beispiel die Energie von Betateilchen mithilfe einer Massenbilanz.
  • erklären ein Experiment zur Bestimmung der Elektronengeschwindigkeit.
  • wenden Fachwissen aus der Elektrodynamik an, um eine Formel für die Elektronenenergie herzuleiten.
  • werten Messwerte aus.
  • interpretieren und bewerten Versuchsergebnisse.
  • erklären physikalische Phänomene und Versuchsanordnungen im Sachzusammenhang.
  • stellen die wissenschaftliche Bedeutung von physikalischen Erkenntnissen heraus.


Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • können die im Video dargestellten physikalischen Inhalte nach Relevanz filtern und strukturiert wiedergeben sowie Informationen gezielt herausstellen.
  • können Texte in gedruckter und digitaler Form nach bestimmten Fragestellungen hin untersuchen und die relevanten Informationen herausarbeiten.


Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • arbeiten konstruktiv und kooperativ in Partner- oder Gruppenarbeit.
  • diskutieren in Partner- oder Gruppenarbeit und äußern dabei ihre Meinung unter Nutzung ihrer fachlichen Kenntnisse.
  • stellen Ergebnisse der partner- und Gruppenarbeit angemessen und verständlich im Plenum dar.