Schulphysik Von wegen rote und blaue Kügelchen

Von Martin Schäfer 

Pädagogen suchen ein besseres Modell für die Vermittlung der Welt der Atome und Quanten im Unterricht. Zwei Modelle stehen zur Diskussion.  

So kompliziert kann Physik auch sein: In Farbe ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons dargestellt, das zwei (hier nicht gezeigte) Rubidiumatome verbindet: das eine Atom liegt zwischen den roten Punkten, das andere in der Mitte der Kreise. Foto: Universität Stuttgart
So kompliziert kann Physik auch sein: In Farbe ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons dargestellt, das zwei (hier nicht gezeigte) Rubidiumatome verbindet: das eine Atom liegt zwischen den roten Punkten, das andere in der Mitte der Kreise. Foto: Universität Stuttgart

Stuttgart - Das Problem des Atoms ist seine Winzigkeit, denn die Welt des Allerkleinsten ist recht unanschaulich. Zwischen den Gegenständen unserer Erfahrungswelt liegt zum Beispiel Luft. Doch wenn Lehrer wie Matthias Theis aus Fellbach sich im Unterricht bis zu den einzelnen Luftmolekülen vorgearbeitet haben und die Schüler fragen, was sich denn zwischen denen befinde, fehlt eine Antwort nie: Luft. Intuitiv ist das fast plausibel, naturwissenschaftlich aber falsch. Besser wäre die Antwort: zwischen den Luftmolekülen ist leerer Raum oder Vakuum.

Auch das Vakuum ist nicht einfach Nichts. "Das ist alles andere als langweilig", sagt der Stuttgarter Physikprofessor Tilman Pfau. Je genauer man in dieses Nichts schaut, desto spannender wird es: Licht zieht hindurch, Teilchen kommen und vergehen. "Das Vakuum hat selbst eine Struktur", sagt Pfau. Damit macht Pfau klar: die Sache mit der Anschaulickeit im Allerkleinsten ist kompliziert.

Je genauer das Modell ist, desto komplizierter ist es

Wenn Fernsehmoderatoren in ihren Wissenschaftsshows in die Materie zoomen, gelangen sie zu kleinen roten Kugeln, den Atomkernen, um die blaue Kügelchen, die Elektronen, schwirren. Die Vorstellung lebt hier von der Analogie des Planetensystems - hat aber ihre Grenzen: Weder sind Elektronen Kugeln, noch laufen sie auf Bahnen, und eine blaue Farbe besitzen sie schon gar nicht. Eigentlich ist an diesem Modell nur richtig, dass der Kern irgendwie in der Mitte sitzt.

Und dennoch hat sich dieses Bild des Atoms in das Gehirn zahlloser Schüler eingebrannt. Die Analogie vom Planetensystem auf das Atom drängt sich einfach auf. Tilman Pfau sieht darin auch nichts Falsches: Menschen denken in Bildern ihrer Erfahrungswelt, und der Analogieschluss vom Bekannten aufs Unbekannte, vom Anschaulichen aufs Unanschauliche ist eine gängige wissenschaftliche Methode. "Man muss eben um die Grenzen dieser Modelle wissen", warnt der Physiker.

Für den Lehrer Matthias Theis liegt genau darin die zentrale Herausforderung für den naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule: den Schülern zu erläutern, wozu ein Modell gut ist. Mit dem Bereichsleiter Physik des staatlichen Lehrerseminars in Stuttgart, Franz Kranzinger, haben Theis und einige Lehrerkollegen die Vor- und Nachteile der verschiedenen Modelle herausgearbeitet. Das Problem: je genauer und exakter das Atommodell, desto komplizierter und unanschaulicher wird es im Mikrokosmos der Physik.

Zwei Modelle sollen diskutiert werden

So glänzt etwa das Planetenmodell, das auf den dänischen Physiker Niels Bohr zurückgeht, mit seiner Anschaulichkeit und ist daher auch für untere Klassenstufen zugänglich. Dafür erklärt es aber nur wenig. Das aktuelle Atommodell der Physik ist wiederum zu kompliziert: Die Schrödinger-Gleichung, eine mathematische Formel, beschreibt Elektronen als eine um das Atom wabernde Wahrscheinlichkeitswolke. Das Elektron befindet sich nicht auf einer festen Bahn, sondern ist gewissermaßen an mehreren Orten gleichzeitig - dies jedoch mit verschiedenen Wahrscheinlichkeiten.

Theis' und Kranzingers Anspruch ist, dass kein Schüler die Mittelstufe verlässt und Elektronen noch als umherflitzende blaue Bällchen sieht. Außerdem sollen Erstsemester in der Physikvorlesung keinen Schreck bekommen, weil sie nicht auf die Schrödinger-Gleichung vorbereitet sind. Die Pädagogen wollen daher zwei Modelle im Kollegenkreis und mit Naturwissenschaftlern diskutieren.

Das eine Modell versucht noch einen Mittelweg der Anschaulichkeit. Da das Begriffsungetüm der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons in der Mittelstufe ein unüberwindbares Lernhindernis bildet, haben Didaktiker den Begriff "Elektronium" vorgeschlagen - und bezeichnen damit einen Stoff, der den Atomkern umgibt und einem oder mehreren Elektronen entspricht. Das alternative Modell Blackbox verzichtet hingegen auf ein bildhaftes Modell. "Damit vermeiden wir falsche Bilder vom Atom, verlieren aber die Anschauung völlig", erklärt Theis.