Unterricht mit dem Stickstoff-LaserEin Unterrichtsgang von der Anwendung zur Theorie des Lasers

PdN PHYSIK in dsi Schu|e / LASERPHYSIK HEFI3 / JAHFGANG 59 / 20 1C

Unterricht mit dem Stickstoff-Laser

Ein Unterrichtsgang von der Anwendung zur Theorie des Lasers

F, Karaten

aser schneiden Metil, weisen die Richtung beim Tunnelbau und ver' messen das Ozonloch. Ohne Laser gäbe es kein Hologramm, keinen La-

ges über Atom- und Quantenphysik ge- lemt a haben. Dabei muss allerdings viel trockenes vorratswissen angehäuft w€r- den-einnicht sehr motivierendesverfah- r€n. Füralle Schülerinnen und Schüler, di€

Physik nicht bis zum Abitur belege4 bl€ibt der lisei dadurch nur eine besondere tjchtquelle, die einfarbig und gebünd€lt ist. Das geniale Prinzip des Las€ß bleibt ih.

Di€ses Probl€m löst ein besonde.erla- ser, den man ohne großen Aufwatrd selbst bauen kann: der Stickstoff-Laser (siehe Abb.l sowie lllund [a]). Erist üb€rsicht.

Iich au8ebäut und b€nutzt den Sti.kstoff der Umgehugsluft . Außerdem faszini€rt er durch die Einfachheit derveNendeten Bauteile wie Münzen, Schriuben ünd Alu- folie. Er benötigt zur Erldänrng nur zwei [n€rgieniveaus und kommt ohne Spi€gel und Gasröhren aus. Die Schülerinnen und Schüler können seine tunkionsweise äuch veßt€h€n. ohne vorher Atom' und Quantenphysik g€lemt zu haben. Dadurch ist es möglich, di€ grundlegenden Pnnzi.

pien des Lasers sogar schon in derSekun' darstufe I zu behand€ln.

Im vorliegend€n Beitrag werden unter ichtsbausteine zum Stickstoff Laser für die S€kundarstuf€ | und llvorgestellt. Der Untericht beginnt beim Gerät, dem Laser, und sucht sich S€hntt ftirschrittdieTheo' rie, die ?ur [rklärung nötig ist.

1. Oar Stickstoft-Lt.er

Der Stickstoff-Laser ist ein Molekilgast.a- ser, der im Pulsbetneb ultraviolettes l.aser licht mit,t = jjzl nm und einer Leistung von ca. o,r mWerzeugt'. Dieser läser wird sowol dderUniveßitätals auch an man- chenSchulen als Demonstrationslaserein- gesetd.In [rjwird ein bereits zusammcn- g€bautes Gerät beschrieben, das aber heu- t€ nicht mehr im Handel erhältlich ist.

Aurh im Internet finden sich unzählige Seiten, di€ sich mit mehr oder wenig€r komplizienenversionen des Stickstoff-La-

Dervon mir geb.ute Laser geht im we- sentli(hen auf Ill zurück. Allerdings ist es sehr aufwendig, die beiden Laserplatten, dieden Kern desAufbaus bilden,genau zu justi€ren. Kleinste Stöße können die Plat- ten so verschieb€n, dass kein Laserlicht mehr entsteht. Daher wüide der Aufbau durch winkelund schrauben und Federn soverbessert, dass er - einmal justiert - schnell aufzubauen ist und zuverliissig

Ziel des Aufbäus ist, eine Sede von Uberschlägen entlang des gesamten Ir- serkanals zu €rz€ug€n, die den Stickstoff im l"aserkanal anr€gen und die tur den La- servorgang notwendig€ Eesetzungsinver sion herstellen. würde man die b€iden l-a- serplatten direkt .n ein Netzgerät änschlie- ßen, gäbe es nuran der engsten Stellc des Laserkanals einen Ub€rschlrg. Um aber Überschläge anvielen Stellen zu erzeugen, muss mandafürsoßen, dass am l,aserka- nal vor dem Uberschlag eine Spannung an- ' Das Flichtgehölt zumB€reich Uv A. Derl0- s s r s € l b s t g s n ö r t z u r t o s e * l d l s e . D i e S t l o h - lung ist fir das Äuge ung€fdfirlich, soldnge d?r Strdfilquc6.hnitt nicht düfch optis.he Insttu- mmt? ue*l.irurtwid.

' tine Aupouoni.itung mit MotrialiirtrFndrt mon unter DW.florionko'sten.delldseLhtml serdrucker und k€ine CDlAber soint€r€s-

sant dieAnwendungen des täsers inveF schiedenen Bereichen unserer t€chnisier tenwelt auch sein mögen -das eig€ntlich taszinierende ist das geniale physikalische Prinzip, das hinter jed€m Lasersteck.

Dennochftihrenviele L€hrpläne den La- ser gar nicht mehr oder nur noch als wahl thema auf. Auch die schulbücher bespre- chen den räser meist erst am End€ ihrer Kapitel über Atom- und Quantenphysik - also am Ende der Sekundarstufe Il. Der Crund daturist, dass der Standard-l-aser, der Helium-Neon-Laser, in derSchule nur schwerzu€rklärenist, da man zuseiner Be- schreibung unt€r anderem vier Energi€ni- veaus, metastibile Niveäus, Gasröhren, stoßproz€sse,st€hendewellen, und halb- durchlässige spi€gel behandeln nuss. Es ist prakisch unmöglich, den Helium.

Neon-läser zuverst€h€n, ohne zuvor€inn 2A

l!ö. l: 0€r Slickstoli-Laser in Belri€b

HEF- b rrHFGlrlG tq 2! l L A S E R P H Y S I K / P d N P H Y S I K r n d e r S c h u l e

l i e g t , d i e li c l h ö h e r i s t a l s d i e e i g . n t l i c h e Z u n d s p a n n u n g I ) i r s c r c i c h t m a n d u r c h d ic I(ondensatorplatten, die Spule und die Funkenstrecke: l)a dic bciden Laserplatten durchdie Spule!erbunden sind, laden sich die beiden ob$cn Platten gleichmäßig aut wenn die Sprnnung groß genug ist, .ntsteht an de! funkcnstrecke ein UbeF s c h l a g . D a b e i e n t l ä d t s i c h e i n e d e r b e i d e n L a s e r p l a t t e n s c h r s c h n e l l , u n d d i e S p u l c wirkt t!ie cin sehr großerwiderstind. Die zrveite l-aseTlntte bleibt drher geladen.

l)ie Potentialdiffelrnz, die zuvor an der t unkenstreckc lag, liegt nun z$ ischen dcn b e i d e n L a s e r p l a t t e n . D a d e r A b s t a n d d c r Laserplattcn gerincrr ist als dic L:inqe der funkcnstrecke, liegt im l.ascrkanal nun c i n e S p ä n D u n g , d i r v i e l g r ö ß e r i s t a l s d i e cigentlich nötige Zündspannung. Durch die (ondensatorrnordnung steht außcI' dem eine große t.adung zum Uberschhs rur Verfriqunq. Beidts solgt datur, dass s i c h e i n e v i e l z a h l l o n U b e r s c h l ä g e n e n t ' lang des gesamtcn K.lnals ausbilden.

E i n e a u s f r i h r l i c h e r e s e s c h r e i b u n g d e r experimen tellcn und t heoretischen ftund lagen dieses Sticlstuff l.asers findet min i n l l u n d Ia].

2. Der Unlerrichbgang

tlnter VeMeDdunlq des Sti.kstoff Lasers kann min im Untcricht folgenden weg von derAnwendung zu!Thcorie gehen:

. Wel.he Eigenschiiten hitLaserli.ht?

. IstderStickstoff-l.rscrwirklichein I.aserT . wie funktioniert der StickstoffLrscr . wieentsteht das l.nscrli.ht?

. wnd Licht lon Aromen tatsächlich ab- so!biert und cmittierta

. Warum ist dic Hnergie in Atomen gc

[1 Wogenvhein besch rcibt dieses Vorgehen s o : ,,wjr stcigcn also beim,l:instieg von d e m P r o b l c m r u s h i n a b in s u l e m e n t a r c ,

$ri suchen das. wonach es ru reiner Erkla rung lcnrn€t Eine Auswahl ist drmit ge.

g . b e n , W i r h ä u f t n n i . h t r n e h r a u f V o r a t , sondem suchen, w.1s wir brauchen, wirvcr' fahren alsoi{ic in der ursprünglichcn For schung. Däs Selts:nc fordcrt uns helaus, u n d w i r f o r d e r n i h m d i s E i D f a . h e a b . ' [ 5 , s Itl

Ans.hließend knnn man den weg ni.k'

\fäns gehen und mithilfe des erarbeitetcn wissens dic fr,)ge beantrvorten: Wic tunk t i o D i e n d e r H e l i u m - N c o n - L a s e r ?

D i e S c h ü l e r i n n c n u n d S ( h ü l e r i v i s s c n b e i d e r f r a r b c i t u n g e i n e s n e u e n I I n t c r ichtsgegenstandes stets, warun cr bchnn delt r{ird und woftir er hilfreich ist. Sic rr

wdcr'€ Eg€Gchatt€n hat Lasedich(, (S) Laserlidl €in€s Lls€rpoinloß wid unl6ßuctrt (S) was isr der sricksroll-Lase? (L)

Baustain 3:

tsi es wlrkrich €in Lasef (S/L)

wie lunkrioni€ d€r Slicksrolf-La$r 616kt sch? (S) wie entslehl däs Läsenicht? (S)

wid lichr

'/on arolnon ratsächlich absoÖi€rr und smitr'€rr? (str) Warum ist di€ Energie in Alomen geqlanlel? (S)

wi6 lunkäoni€d d6i H€-Ne-Las? (L) Täb.1r Ubersichl über d e Bausleine des lJnterrichts l e b c n s o e i n e n m o t i v i e r ( n d e n , n a c h h a l t i gen Physikunterricht.

Tabelle r st.llt den Untetrichtsg.ngtu!

d i t s c k u n d a ß t u f e l l d a r , d . r i D f o l g e n d e n bes(hriebenwird. Außcrdem sind die Bau steine gekenn ze ichnet. dic .1uch fur die S.

kundalstu fe I ge.ignet sind. l)ie Angrbe (L) bedeutet, dass dcr tlDtericht in d i.scr Pha- se eher lehrerzentriert abliufcn muss Die Angrbe (S)bedeutet, dass deI tlnterricht in d i e s e r P h a s e e h e r s c h u l e r r e n t r i e r t a b l i u

Bausteir r: Eigoschiften des bserlichtes lm clsten Baustein sollen die Schülennnen und Schriler im Rahmcn cinerTeamarbeit dis Licht eines l.arcTointers Ir)it dem ei ner gewöhnlicheD Lichtquell. verqieichen u n d d i r a u s d i e E i g e n s c h a f t c n d e s L a s e r lichtes ableiten. Drei dies(r Iigenschaften t t b . 2 : K r e u z q i n e r ' R a i n b o w P e e p h o l e '

( c i D f i f b i g , g e b u n d e l t , i n t e n s i v ) s i n ( l r u s dcD Alltagoder dem Ph)'sikuntericht bc kaDnt. 5i. briu.hen also nicht D:ihcr er k l ä r t

^ r $ e r d e n . N u r d i e ( o h i r c n / i 5 t e i n f ü r S c h ü l e i u n b e l D n t c r u n d f i r ! s c h u l b ü c htr sc hwcr ztr crklärender 8egriff furdis w e i t t r t V o r g c h e n g e n ü g t e s , w e n n d i e S c h ü l r r i n n c n u n d S . h ü l e r n r i t k o h ä I e n t , , i m ( i l e k h t r k t laufende W e l l e n " b z w ,,die r ä h i g k e i t . l n t e r f e r e n z m u s t e r e r T e l , q c n 2 u k ö D n c n . s s o r i i e r c n .

Jed.s hrm bekommt einc \ orbereitete Xi5te !nit Arbeitsaufhägcn (lcl Arbeits blatt r ) und dem benötigten Nhtefial lnal l c n X i s t e n b e f i n d e n s i c h P r i e n e n l . i n s . n , S p n l t c u n d C i t t e r A l s G i t t . r b i e t e t s i c h c i t r günstigls (r.uzgitter an, däs in Sficlzcu g l ä d c n u n t c r d e r B e z e i c h n u n g , , l d i n r b o w P e e p h o l c z u k a u f e n i s t ( r g l

^ b b 2 ) Außerdcm rihilt jcdes Teim rine der fol

P d N P N Y S K n d e r S c h u l e / L A S E B P H Y S I K HEFT 3 T JAHRGAN(; 59 1 20 i]

Eigenschaften des Laserlichtes arbeitsblätt

wirverglei.hen das I-icht eines Lascrpointers mit dem Licht einer ,,nonn.len ' Lichtquelle . Lasepointer . , , N o r m a l e ' L i c h t q u e l l c n :

. Prismen Glühbirne

. Gitter Taschenlampc

. Linsen (erzc

. spalte Natrium Dampflanpe

/\ Siöerh€itshinw€is: Schaue niemab dnekt ir einen Laserpointer oder ir eiDen Iaserstrahll Betrachte trur den /4!\ Liserfleck an derwand oder auf ehem Schirml Richte d€n Laseßtrahl niemals absichttich auf Peisonetrl 1. Wel€hes Experiment habeD wir durchgefühn?

Beobachtune beim normalen l-icht: Beobachtung beim laserlichtl

2. welches xxperiment haben wir durchgeführt ?

Beobachtune beim normalen Licht: Beobachtung beim I-aserlicht:

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H E F T 3 J A H R G A N G 5 9 / 2 0 ] O L A S E R P H Y S I K / P d N P H Y S I K r n d e r S c h u e

g e n d e n , , g e w ö h n l i c h c n l . i c h t q u e l l e n : clühbirne, Taschenlampe, Kerze und Na

I l i e I e a m s s o l L e n s i c h s e l b s t lx p e r i - mcnte ausdenken, um die ihnen zur Ver- f u g u n g s t e h e n d e g e w ö h n l i c h e L i c h t q u e l le nit dem Laserpointer vcrglcichcn ,u kijnnen. Die Experimente und Beobach t u n g c n k ö n n e n a u i d e m A r b e i t s b l a t t n o - D i e S c h ü l e r i n n c n u n d S c h ü l e r e r k e n n e n m e i s t r ä s c h , d a s s L i s e r l i c h t m o n o chromatis.h ist. Die Experimente dazu s i n d je d o c h u n t e r s c h i e d l i c h : G i t t e r , P r i s - mcn abcriuch eine Konbination aus bei.

dem werden velwendet. Dass Lascr ein sehr gebiindeltes Licht erzeugen, ist den Schülerinnen uod Schülern so selbstle.

s t ä n d l i c h ( l aser kennen sie ja meist vorl L i s c r p o i n t e r n , l . a s e r s h o w s u n d S c i e n c e - Ii.tion Filmen), diss siegirkeine lxperi mente dazu ma.hen. Man muss sic d.h.r auffordern, ihre gewöhnliche Lichtquelle m i t h i l f . d e r L i n s e n s o z u b ü n d e l n , d a s s ein ihnlich kleincr Punkt an der Zimmer wand zustinde kommt. line SchLllerin be zeichnete dabei das Taschenlamp.nlicht als,,l.ichtwolke" imGegensatz zum,,Li.ht

Auch zur Intedcrcnz wcrdcn rxperi mente durchgeführt, die meist dinrit cn den, dass der Laserpointer das eben be sonders gut kann. Die Intensitäi alsviefte, wichtig. l.asereigenschaft kann im Rah- nen dicser Exp.rimente nicht entdeckt Anschließend bedchten dieTeams über ihrc Expcrimente sowie die darausabgelei' tetcn Eiqcnschaften. l)ie l.ehrkraft ergänzt dievon dcnTeims entdeckten rigenschaf ten.Als H.usiufgabe solldie Frage beant ivortet werden: ,,Wo werden Laserletrcn dct, ünd welche r.asereigenschaften spie- len dibeicin. Rolle?'

Baustein 2: Der Stickstoff-Iaser

lm zweiten Bausteinwerden der Stickstof{

l.aser vorgeführt und seine Lasereiqen schiftcn nachgewiesen

Der Bäusteinbeginnt mit dcrWiederho lung der tigenschaften des Laserlichtcs.

l)ie Schüler sollten als Hausaufgabe An- wendungen des Lasers und die tur diese Anwendung entscheidenden Eigenschaf- t c n h c r i u s l i n d c n , 2 . 8 .

, Richtungswciser b c i m l u n n e l b a u (g e bündelt)

' s.hweißen und Schneiden (gebündelt, . CD- und DVD Player sowic Cll und

DVD-BreDner (gebundclt, cinfrrbig, ko

Im n:ichstcn Schrittwird dcrStkkstoff l.a ser gezeigt und erklä!t, auswelcheDTcilcn er besteht (vgl. Arbeitsblan 2). Die im Lö sungsvorschlag genaDnten Begritre hin gen selbstvelständlich stark !om Vorwis- s c n d c r S c h ü l e r i n n e n u n d S c h ü l e r s o w i e von der Kässenstufe ib und sollten dcm en tsprechend angepasst werden Ube! die runktionsweise wird an dieser Stelle noch nicht gcsprochen, dadie lbams diese spä' ter sclbst hcriusfinden sollen.

Der Liserwird eingeschaltcti ein grauer, ungeblei.hter Kanon wird in den Laser shahl gehalten. Die Schülerinnen und Schülerrciqicrcn mcist cnttüuscht, dass es zwarknallt, abe! kein Laseßtrahl zu sch.n ist. Nun kann erklärtwerden, dass dicscr I-aser UV-Licht emittiert und nie man es sichtbar ma.hen kann. Hält nanweißes, gebleichtes Papierin den Strahl, erscheint bei jeden I(nill cin blaucr Punkt

'Woherwissen wir, dass es sich hierbci tatsäch lich urn Laserlicht handelt?" diese Frage soll die Schülerinnenund Schtiler an die im ersten Eaustein durchgefuhrten Ex- pennlcnte.dnnem MithilfedesSpielzeug (reuzgitteß kanDdie Ejnfarbigkeit und (o härenz gezeigt werden (sieheAbb l).

llie Bündelung des Laserlichts kann m i n z e i g c n , in d c m m a n e i n e n b l a u e n Punkt aD dcr mehrcr. N{etcr entfernten ZimmeMand eueugt. Diescr ist zwrrauf baubedingt nicht sowinzigwie der cincs Laserpointers, aber immer Do.h vielklei- n e r a l s c s m i t e i n e r ' r ' a s c h e n l a m p e m ö g l i c h

Nun kann das Ziel der gesamten Unter richtseinheit formuliert werden:,,Wir wol- len veßtehen, wie dieser Laser funktio-

Ath. 3: nlerlerenzmusler des Kreuzqitlers

Baust€in 3: Wi€ funktioniert der Stickstoff-Laser elektrischT

So cinfach der Stkkstoff l.aser aufden er s t c n B l i c k a u c h a u s s i e h t , s o k o m p l i z i e r t i s t es, seine eLek!ischc Funkionswcisc gcnau zu verstehen. Daher ist es unäbdingbär, d a s s d i e S c h ü l e I ] n n e n u n d S c h ü l e r s e l b s t ü b . r d a s G c r i t d i s k u t i e r e n u n d e s s i c h Schdtt tur S.hritt gegeDscitie erklJrcn. Gc nausowichtig ist aber auch ein ijberblick über den gesamten elektrischen Prozess.

Beide Aspekte spielen in diesem Baustein d i h c r . i n c 2 c n t r a l e R o l l e .

Zunächstwerdcn in ein.n Arbetsblatt mit einer Schräg- und einer Seitenansicht d c s I a s e r s d i e s e z e i c h n u n g e n d e r e i D z e l - nen Baute ile eingetragen.

A n s c h l i e ß e n d s o l l e n d i e S c h ü l e r i n n e n uDd S.lrülcr inTcams sich dic clcktrische FunktioDsweise des Stickstoff Lascrs (vql.

h l, Ia ]) erarbeiten. Der AufladevorsaDg wie d c r e ß t e f u n k e n ü b e r s c h l a g i s t d a b e i schDell zu verstehen. ltwas mehr Probl.

me bereitei der zweite ünd dic Funktion der Spule Da jeder einzelne Schritt viel Denk- und Diskussionszeit ve!längt, kinD die l.ehrkraft als Zusammenfassung den elekrischcnAbl.ufdes Laseß in einer Po werPoint-PräseDtationr äniniercn. Als in spruchsvolte Hausaufgabe soll riberLeSt werden, warun1 der Sticlstoff'Laser zwei elckrische tJberschläge benötigt?

Baustein 4: Wie entst€ht das täserlicht?

In diesem Baustein sollanhaDd eines eiD f a c h e n M o d e l l s v e r s t a n d e n $ ' e r d e n , w i e das Licht dcs Stickstoff l.ascrr entsteht.

I Dopnlodd unt.' wDufloriankdrsten.delldser

31

Dr Sncbbfi-ksr (L&ungen)

2

4

5 7

1 Alufolie auf Kunststoffplatte

3 spule

" (Aluplatten mn Schneiden)

2 Kopieiolie (lsolatot)

6 Hochspannung (ffi00 V)

I Funkenstrecke (Schrauben)

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^rnasinlersion und I ichtl ersr iirkung r e r s t e h e n k i n e n . Il i e s c s N l o d e l l f i i r d e D s t i c k s t o f f l . i s e r i s t l6lentnonmc! und be st.ht iur DriqDetisch hrflenden l'hokt n e n - u n ( l S r i . k s t o f f - S y n r b o l e n r s i e h r A b b . l ) . l. e l ^ e r e s i n d P f e j l e , d i r d e n A n r e g u n g s T u s r a n d d e s s t i c k s r o f l V o l e k u l s a n z e i g e n . N l i t H i l f e (l c r 5 \ m b o l e li s s e n s i c h d i c A b

\orftiotrs und r:missnlnsprozesse in \k) D r e n t ä u f , r J h D r e n d a r s t e l l . D . D i e

^ u s b r c i tung un(l \tßtärkung dcr LichtrvelleD k.rDD d i n r i t \ o n d ( n S c h ü l e r i D r r e n u n d s c h t i l e r n leicht nic h\ (,lLoq.D \fedcn

D i t s r \ N 1 ( ) d c l l s c t z t r i n i q c A n n i h h r n

! o r a u s , d i r i n d c n n i c h f t n e c n d e D I h u s t . i n c n b e l n i n d c t \ { e t n :

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mcn ljhotonen nuf. l)ies Nird \n nau s t e i n t hegdndet.

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slimu[e e Ern ssion (c) rm Ple mode

. I!ridcrstimulierlen t m i s s i o n . . l l i c q e n s l it r r u l i e r e n d r \ u n d s t i n r u l i r r t c s P h o t { n r i n d i e s c l b e l l i . h t u n g l ) i c s w i r d h i c r n j ( h l n l l h c r b e g l i i n d c t , d i d i e /! q r u n d c l i . \ : c n d e n q u i n t c D o p t i s c h e t r ( l b e r 1 e . q u n q e D i n R i h m c n d e r s ( h u h h t s i k D i . h t b e h a n d . l l w c r d e n k . D n c n . 7 u I l c q i n n d c s l l n u s t e i n r $ i i d d e r S t i . l s t o f f l i s c r n o { h e i n m a l k u r z \ ( t r q c f L i h u n d d i c r r a g e d L r H i u s a u f g n b c D i c h d e n b e i d c n U b e r s c h l ä g c n g e k l ä r t I ) . r d e r A b s l n r d d e r L a s e r f l i t t e n g e r i n g e r i s t a l s d i c f u D k e n s t r e c k c , l i e a t a m l ä s l r l i n a l e i n e S p i n n u n g , d i c ! i e l g n i ß . r is t il s d i e e i g c D t li.h nal igc Zünd sl)rnnung t\tr.h dic (on d e n s . t o r a n o n u n g s t e h t .u ß c r d c m e i n e q i . ) ß e Iadunq /Lrtn tiber\rhl.rg

^ , r v e r f ü g u t r S l l e i d . s s o r s l d r f ü r . d i \ s \ i c h . i n e vielTrhl !on Ubrrs.hLrecD cntlingdcs grs . m l e n K i n r l s iu s b i l d . t .

l l n r d i c L i . h t c n l s t c h u n g

^ r \ e ß t c h e n , b e g i n D t m ä n a n r h c s t e n b e i n r N i n r e n d e \ lr\Lis Dd Stickst(){f Antti\ (\rr l{ft ht tr.i( 72, i 1,, s esÄ.r /6 nr.r n modcl//r a fi d.r,tn a u s g ( h c n k a n ! , d i s s s i . h i u r s t i c k s r o f l r

\ b l c k i i l e i m I n \ e r l i n a l b e f i n ( i e n . I i i r d a t

\ ! r x l e l l b e n o t i q t n r a n / $ e i \ t r e i u s : e i n . . o t r e r e s \ i r c r u u n d e i n , , u r t e r ( s \ i \ . e a u

^ n d i e s e r S t c l l e $ i r d d a \

N l ( n l c l 1 n i t n r i g n c t i s c h h n f l e n d c n S l n r b , , l e n i u i d r r l i l e l g e z e i g t l r g l A b b . rl

A n h a D d ( l i c s e s M o d r l l s w e r d c n d i c ( l r e i Wcchseh{irkunqsprozesse

^!ischen sli.k ' l o f f \ l o h k u l e n u n d L i c h l h r s p r o c h f D . Absorpli,nr l A b b . tnr: l)rs Sti.lslolf

l \ ' l o l e k i i l k i n n e i n l ' ] h o t o n p a \ \ e ! ( l c r I l n e r q i e L il b s o r b i . r c ! u n ( i s p r i n g t . l i h e i

\ o n u t r t r i c n in s o b c r e L i r e r g i e t r n e i u . Spont.nt I nrission r^bb sbr: B.fin(lrt

s i c h d n s s t i . k s t ) f f \ 1 ( ) l e k i i l i ü r o b e r c n l l n e r g i 0 n i v e a u , s o f ; i l l t e s n a c h c i n ( r n i c h l !o r h e r s a g b i r c n r c jl s p i n n r \ l l n l i n i n s ü n l e f u \i \ c i ! 1 ! t u . k L ü x l \e n d . t e i n I ' h ( n o n r u s I ) i s l ' h o t o n b f \ i t r t d i e s e l b r l : D c r g i e I w i e ( l . s z u v ( t r d h \ o ' ' s t i D r u l i e r l r r n r i s s i o n i A h b 5.r: lriiit c i n P h o n , t r c i n S t i . k s l { ) f l N l o l e k u l ( h s s i . h i m r ) b e r c n E n c r ( i e n i v e a u h ( f i n . d e t , s o l ( r r n c s e i r r ! o r r c i t i g . l r n i s s i o D s r i n r u l i e r e n : U r s S t i . k s n ) f f \1 ( n . l ü l f . l l l \ { , { o r t N i ( d r r i n \ u n t r f u \ i

|rau

^trtt(k

und \endct ein lh1l1n n L L s l ) n s s t i n r u l i c r c r ( l o u n d d r \ ( n t s t a n d r n e I ' h o t o n h n b e D d i e s e l b ! | r r c r - , ! i e , ur(l ..laufen beidt im (ileiih r c h r i t t l ( o h i r e n / r

A b b . 4 : P l e m o d e l l l ü r d e L c h t e n l s l e h u n g

H E F T 3 ] J A H F G A N G 5 9 T 2 0 1 O

Es bietet sich aD, zur stimulierten Emis- sion über die wichtige Arbeit von A. Ein- s tein hl zu berich ten und aus seinen1 Erief a n M A l l e s s o a u s d e m J a h r e 1 9 1 6 z u z i t i e rcn ,,Es istmir ein prächtiges Lichtüberdie Absorption uDd Emission de! Strahlung aursegangen.'

A n h a n d e i n e s A r b e i t s a u f t r a g e s ( v g l . A r bcitsblatt l) sollcn dicTeams nun mtdem ]\'lodell spielen, die Laserbedingung (Beset- zungsinversion) eDtdecken und die Funk- tion des Uberschlags im Stickstoff.Laser verstehen. Dafür kann nan den Teans l l c i n c v e n i o n c n d e s P f e i l n o d e l l s ru m Spiclcn zur veftgung stellcn.

Die S.hülerinnen und S.hüler brau.hen etivas Zeit, um eincefuhl turdas Modell zu bekommen. Dann aberwerden sie kreativ, s p i e l c n n e h r e r c s i m u l a t i o n e n d u r c h u n d cntdcckcn schn.1l, wic cinc großc Photo nenzahl zu erreicheD ist (vgl. Lösung zum Arbeits blatt l). Dass eine BesetzungsinveF s i o n d u r c h L i w i r m e n n i c h t f u n k t i o n i e r t , ibcr drü.h den Funkcnubcrschliq crsctzt werden kann, bereitet den Teans {enig Schwierigkeiten.

Nach derTeamarbeit tragen die S.hüle- r i n n e n u n d S c h ü l e r i h r e r r g e b n i s s e v o r und erkhren dic cinzelncnAbläufc mit Hil fe des großen \'lodells aD derTafeL. Dabei sollte auch aufdie Richtung des LichtpuL s e s e i n g e g a n g e n w e r d e n . D i n e s c h ü l e r i n h a t d i e s / B . s o e r k l ä r t : , , I ) e r ( a n a l i s t d o c h a n c i n e r S e i t e e n g e r . l ) o r t w e r d e n d i e M o lckrilc zucrst ins obcre Niveiu gehobcn.

rUso fallen sie dort wahrscheintich früher w i e d e r r u n t e r u n d s t a r t e n d e n r . i c h t p u l s . "

N u n s o l l c n d i c S c h ü l c r i n n e n u n d S c h ü lcr nidr ciner Definition tur den Lrscr su chcn Eine typis.he Antwon lautct,,Gerit zur Li.hterzeugung durch stinulierte Enission". Dies passt sehrgut zun engli- s c h e n A k r o n y m : I i g h t A m p l i f i c a t i o n b v S t i mulatcd Emission of Radiition.

Zun Abschluss des Bausteins wird nochmals darauf eingegangen, dass die Intstehungdes Laserlichtes,,nur" anhand eines Nlr,dells erklärt werden konnte, in d e m m c h r e r e A n n a h m e n s t e c k e n U m d i e se Erklirnug $ irkLich zu verstehen, muss also auch noch dieseDAnnahmen aufden Crund gegangen werden lla/u sollen sich d i e s c h L i l e r i n n e n u n d S c h ü l e r a l s H a u s a u f g a b c u b e r l e g e n , w c l c h e A n n a h n r c n d e n l\'1odcl1 zu crundc liegcn.

Baust€in s I Wird Licht voD AtomeD tat- sächlich absorbiert und emittiert?

In diesem Biustcin sollen dic Schüle riDnen und Schüler Spektrallinien kennen lernen, inden sie die Absorytion und Emission von Photonen verstehen und an'

L A S E B P H Y S I K / P d N P H Y S I K i n d e r S c h u e

händ der Bälmerserie des wasserstoffs den Zusänmenhang zwischen diskreten Energieniveaus und Spektrallinienerken' Dcr Baustcin bcginnt mit cincr kurzcn Ednnerung an das Modell zun Laserlicht WekheAnnahmen stecken in diesem Nlo detl?

. Atome und Nlol€küle besitzen diskretc . Atomc sendcn PhotoDen aus uDd Deh

men Photonen auf.

. Photonen w e r d e n , , n a c h r e c h t s e h i t

Im Folgenden rrerdeD die ersten beiden Annahmen begründet, un somit deD Stickstoff-Laser volLständig erklären zu k ö n n e n . D i e d r i t t e A n n a h m e k a n n je d o c h cßt in dcr tinivcßitüt bcgründctwcrden

Das Thena dieses Bausteins ist sonit die Begnindung der Enission und

^bsorp- tion von Li.ht durch Atome. DeI zentrale v e r s u c h d a z u is t d i e U n t e r s u c h u n g d e r Spektren verschi.den.r i-ichtqucllcn Llizu wird cin beleuchteter Spalt mit Hilfe eines Gitters auf dieWaDd projiziert (vgL. Abb. 6)

D a m i t w e r d e n q u a l i t a t i ! d i e S p e k t r e n e i n e r G l ü h l a m p e , e i n e r N a t r i u m ll a n p f l a n p e , e i n e s L a s e r f o i n t c ß u n d c i n e r Quccksilbcr Dimpflrmpe untcrsucht. Die SchülerinDeD uDd Schuler zeichnen die Spektren, die sie beobachten können. An h a n d e i n e r S p e k t r a l t a f e l k . n n i n d i c s c m Zusannenhang iuch äuf die SpektralaDa- lyse eingegange'r iverden

In nächsten Schritt rvird die Absotption von Photonen begründet: Man baut dle

Natrium-Danpflampe wieder in den Ver suchsaufbau ein, bringt nit dem rluhsen b r e n n e r e i n l u a g n e s i a s t ä b c h e n z u m C 1 ü h e n u n d t i n c h t c s i n K o c h s i l z . L r h i t z t n r n im StrihleDginq drs Ko.hsalz auf dern S t ä b c h e n n i t d e m E u n s e n b t e n n e r , s o e r s c h e i n t d j e g e l b e N a t r i u n l . n r i e s i c h t b a r d u n k l e r a u f d e r w a n d .

U b e r c a s e n t l a d u n g c n u n d d i c B i l m c r S.ric des !V.sscrstoffs konrmt DraD zuDr

^{eiteD iUodell, den diskreten EDergieni- v e a u s . D e r , , Q u a n t e n s p r u n g ' e r k l ä r t la s P f e i l m o d e l l a u f c i n c r ti c f c r li c g c n d c n N l o

Baustein 6: Warum ist die Energie in Atomen gequantelt?

i n d i e s e m 0 a u s t e i n s o l l e n d i e S c h ü l e r i n n e n u n d S c h ü l e r ! c r s t c h . n , d i s s a u c h d i c lctzte AnDahme des Laserli.ht-Nlodells korekt ist:^tone besitzen diskrete Iner g i e n i l e a u s D i e s e r U a u s t e i n i s t a l s G r u p penpuzzle gestaltet. l.s empfi ehh sich, den S c h l l l e r i n n e n u n d S c h u l € r n w ä h r e n d d . s Grutpcntuzzl.s cine ,,Bibliothck mit Bü .hern zuniThena AtoF uDd Quantenphy s i k ( S c h u l b ü c h e r , l J n i v e ß i t ä t s b ü c h e r u n d populätuissenschaftlich c tlüchcr ) zur Vcr fliglrng zu stcllcn

' Abschicdvom Bohr'schenAtommodeil ( n i c h l8 uDd Iel)] [tithitfe dieses A!

beitsäuftrage s (vgl Arbeitsblatt .1a I soll d i e E x p e r t e n g r u p p e v e r s t e h e n , w a r u n d i s B o h l , s c h c A t o n m o d e l l n i t s e i D e D festenllektronenbahnen nicht richtig s e i n k a n n A l s e r s t e s G e g e n a r g u n e n t s o l l e n d i e S c h ü l e r i n n e n u n d S c h L l l e r h e r a u s f i n d e n , d a s s r l l e k t r o n e n n u f A h h . 6 : U n l e l s u c h 0 n ! d e r S p e k l r e n v e r s c h i e d e n e r L i c h l q u e l l e n

35

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,) wu,nrüiih.sindirs.hModdl

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PdN PHYSIK in deT SchUIe / LASERPHYSIK

X r . i s b i h n e n a n a l o g z u m t l e n z s c h e n l)ipolEnergie verlicren und in den Kern stürzenwürdcn Drs 2wc itc Gegenargu.

ürcnt liefert dic Heisrnb.rg'sche Unbe.

s t i m m t h c i t s r e l ä i i o n : W i r e d e r O r t d c r t : l . k t r o n e n g e n a u fe s t g e l e g t , s o b c s : i ß r n s i e e i n e U n c r g i c . d i e $ e i t ü b e r d t r t o n i s i e i u n g s e n e r g i r l i i g e . A n s c h l i c ' ßend soll sich die t:xpcnengruppe noch mit dem heute veMcndeten Atommo d.ll hcs.häft igen und anhand dcscom- putcryrogram m s ,,reyn" von M.Amelun.

\ o t d i e w e l l c n d a r s t t l l u n g u n d w a h f ' s c h e i n l i c h k e i t s ! e r t r i l u D g e n k e n n e D l ) i . S . h r ö d i n g c r g l e i c h u n g p e r H a n d ( n i c h Ie]): Dicsc lxpertengruppe s o l l d i c S c h r ö d i n g c r g l e i c h u n g f u r e i n t : l e k t r o n i m u n e n d l i c h t i c f e n P o t e n t i a l t o p f l i t s c n u n d d a m i t d i e E n e r g i c q u r D t i s i . r u n g b e g r ü n d c n r r g l A r b . i t s b l a t t a ( ) . u i e a l l g e m e i n r ld s u n g d e r D i f f ( . r c n t i a l g l e i c h u n ( i s t v o r g e g e b e n , u m die Aufgibe nicht übcnn;ßig sc hrvicrig

^r

nachcn. An Llnde dcsArbeitsauftri ( e s sol1en d i e w e l l e n f u n k t i o n . n ü r d W i h r s c h e i n l i c h k e i t s ! e r t e i l u n g e n f u r d ie e rste n drci QuiD trn zihlen skirzicn l ) i . s c h r o d i n g e r g l e i c h u n g p e r c o n p u - r e r ( D r c h hol) lm (;egensatz z u r z w e i . l c D E x p e f t e n g r u P P t s o l l d i c s e s T e a m sclbst herausfinden. d.rs l.osungen äi!

die schrödinge rghi(h ung \\Iellen scin m ü s s c n ( v g l . A r b { i t s b l a t t a o I ) i c W e l lcntunkion is! nämlich proportional zu ihrerCekrümmtheit. lm zweiten Schritt s o l l e n d i e s c h l l l e r i n n e D u n d S c h ü l c r verstehen, diss Dic h t illc Lösungen dc I Schriiding.rgleichuns physikalisch sinn!oll sind, da sic auch noch \ormit

rgsbedingung eIfüllen müssen. Ili.

sinnvollen Losun$n kinn man sehr an- s c h a u l i c h n i t d e m P r o g r a m m , , S c h r d dinqcß Schlangc" von.l. Kriblbeck eDtwi.

c k c l D . A u c h d i c I n e r g i e q u r n t i s i e r u n ( 1!ird dinit deLltlich gernacht

3A

rrFFr 3 JAHRGÄ|i(j 5s 2010

Ahb.7: Mil Lasern qeschnil-

. EnergiestufcD des \thsserstoffnlolns r n a c h l9l): Drs Atommodell dcs tlek t r o n s im P o k n t i i l t o p f k a n n d i c l . i n i r n s p e k t r c n d u r c h d i c E n e r g i e q u r n t i s i e r u n q n u r q u a l i t n t i v e r k l ä r e n , n i c h t ib . r d i e e x a k t e lo l m d e s S p e k t r u m s lr i c stammgrupprn sollcn daherein gcniu e r e s N l o d e l l l e N c n d e n , u m 2 u lt r s t . - hrn warum das [nergiestufenbild für die Erklärung del Balmcrserie koirekt i s t ( v g l . A r b c i t s b l a t t a ) . D a z u m ü s s t c n sie eigentlich die schrddinge rgleic h ung für das Coulomb-Potential löscD. l)ies ist im Rahmen der Schulmathemrtikje- doch nicht möglich lhn kann ab(rcin

\'lodell Potentiil vcnvenden, das drm c o u l o m b P o k n t i i l m ö g l i c h s t ü h n l i c h ist, für dis dir Schülerinnen !'nd Schr:i l e r d i e S c h ! 0 d i n g e F c l e i c h u D g n b . r .xrk lösen kitnnen Alle Niherungcn, die während der R.chDung genlacht

\verd.n müssrD, bctreffen nurdit lorm des Potentirls und können deshilb inr

Rihnen der klitssis(hen Physik etklärt wcrden. Die rnschließendequänttnDrc- chänische Rechnungkonnnt dann ohne

D i m i t i s t d i c f o r m d e r t n e r g i e s t u t c n rusdem N{odcll zur LrklärunqderSp.ktrif l i n i e n ( v g l B . r u s t e i n 5 ) b e s t ä t i g t I n s g e s a m t s i n d s o m i t il l e A n D a h n e n b e g l i i n d e t , d i e im N l o d t l l r u r E n t s t e h u n g d e s l . a s e r l i c h t s ( v g l ltaustein { r s t e c k t e n . l ) c r Slickstoff'l.as(t ist damit in RahnrtD der S(hulph)si k !olls t:ind ig erklärt.

Baustein 7: Der Helium-Neon'Las€r I n d i e s c n B ä u s t c i n s o l l d a s in d e n l o r a n gegangeDen Ilaustcinen gesamnrthtwis s c n r n g e \ l e n d c t $ e r d e n . u m e i n e n Z \ ' e i . ten Lasertyp 2uerkl:ircn, deD dic S€hülerin nen und S.hrilerius dem Physikuntetricht k . n n e n , d e D I l e l i u m - N e o n L i s e r .

Der Stickstoff Laser und der Heliun1' N e o n - L a s e f w c rd e n p : r i l l e l i n u e t r i e b g e Dommen und ih re I int.ß.hiede diskuticft

. DerHcltun-NcoD-Laserknalltnicht . Ersendrt lotcs Licht.

. Erleuchtet k o n t i n u i e r l i c h .

N u n k ö n n e n d a s ' l c r n s c h e m a v o n H e l i u m u n d N e o n , d i c s t a t t f i n d e n d c n S n ) ß u D d Emissionsprorcsse so$'ie die llcdeutung d e r u n t e l s c h i e d l i c h . n L e b e n s d a u e n r d e r e i n z e l n c n U n e r q i c n i ! e a u s e r a r b e i t c t $ c r

Anhind drr l.ichtlerstärkuDg (lu rc h dic spicgelano(lnungwird erklin, wiiton La- s e r s o , , i n t e n s i v s e i n k ö n n e n Z u r V c r d e u t l i c h u n g k ö D D e n b . i s p i e l s w e i s e \ l c t n l l t e i l e gezeietwe!den, dic mit Iisern gc\chnittcn s,urden (!91. Abb. 7r. llanrit ist (lrr Kreis vondenAnwendungen dcs Lastß rusdem c r s t e n ß a u s t e i n ü b e r d i c t u n k t i ( D s i v e i s e n u n d p h y s i k i l i s c h e n M o d e l l e w i c d c r h i n z u t a t s ä c h l i c h n r i r l . i s e r n b e a r b c i t e t c n M r t c r i a l i e n g e s c h l o s s e n u n d d i e ll n t . r i . h t s - e i n h e i t b c c n d e t I Lileraluf

1 , 1 A . M e ' i i , l . ( ; d l l . r , 1 1 N o d m e i . r ] s . l b s t b o u eines sti.ks tofllos.^ n it einfodi.n lvd teriolien

und Äust'ou zutrr rdrbstolfloser. P'oxis der Noturuiss.n!.huft.n Ph)sik i|1 der Srhüie l,lM. ri.hrfeldt, r. H. (uhling, Diddktis.h.

voneileeines oflenen Losersrst.ms. ln 8eh.

rndt, H 1Hßg.t:zur D iddkrik der Phrs ik und C h e m i e { 1 9 9 5 ) . r 1 1 , i 3

il] H H tewinsk): Der laser in der 51 ld{y zum selber bduen. Prois der Naturuisi.ns.hdf' tcn Phlsll in derS(hule r/jo, r'-r4 rrooi r f aJf (orsten, rinSIi.kstoff-rose7 zu,r sell'rr bouen, AATiS Proxishelt 18lroo8).

lsJ [1 wogenschein:v.ßtehen lehrcn. Beltz, l 6 1 P B r o . k h o u s : D e r r ü s 4 in d o s l f i r U n t e . d.htskonzepl ProxisddNatu^vissqns.h!f t e n P h l s i l ti d ü s . h u l e i / r o . r 5

' 8 r 2 o o , ) . I/JA. f instenr. ZurQuuntsnth.oi. dü5trdh.

i u n g P h ) s i k . I r8 , 1 : i {1 9 r 7 )

18 I I (ronzinqer: lnpulse Quontcnph)sik le]H llieffr. R Mull.r DosMun.hen.r Untetri.htskonzcpt zur Quonl.nm(honit, hrp://homet04es prysik uni mu.n.h.n.de l1olJ. Küblbe.k, [nsgEniueo us .ud orbitd le.

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Anschrilt d€s Vertassers:

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