Schülervorstellungen

 

Gerade, bei Atom- und Quantenphysik ist es oft schwierig, sich realistische Bilder eines physikalischen Sachverhalts auszumalen. Beim Erlernen des Stoffes in der Schule oder auf der Universität kommt es damit unweigerlich zu Fehlvorstellungen, die hier meist darauf fußen, sich Atome klassischer vorzustellen, als sie wirklich sind und diese Vorstellungen oft befriedigender sind als eine quantenmechanische Erklärung. Im Buch Schülervorstellungen und Physikunterricht (2018) des Springer-Verlags sind zu verschiedensten Themen viele Schülervorstellungen aufgeführt, die auch Studenten Kopfzerbrechen bereiten. Einige sollen in diesem Zusammenhang erwähnt werden, da sie einem auch helfen können, eigenen Fehlvorstellungen zu überwinden.

 

• Planetenmodell des Atoms: Dass die Elektronen wie Planeten ihre Kreise um das Zentrum ziehen, ist offenbar die alltagstauglichste Vorstellung, die auch dann noch bestehen bleibt, wenn das Orbitalmodell eingeführt wird. Die Vorstellungen nichtlokalisierbarer Elektronen wird dem Planetengedanken geopfert, vor allem auch, wenn Sprünge auf eine "höhere Bahn" stattfinden. Dies wird außerdem nur den s-Schalen gerecht, da bei den anderen Schalen keine Kreisbahn mehr hineingedacht werden kann.

 

• Ladungswolken und Schalen: Wird das Planetenmodell verworfen, kann es trotzdem zu Fehlvorstellungen kommen bzw. werden auch einige Vorstellungen gemischt. Beispielsweise stellen sich Schüler Elektronen als verschmierte Ladungswolken vor, die dann dennoch rotieren können oder auch statisch stehen bleiben. Schalen können auch missverstanden werden, da sie als Platzhalter oder tatsächlich feste Hüllen aufgefasst werden können, in denen dann aber ein lokalisiertes Elektron seine Bahnen zieht. Damit wird zwar von der Kreisbahn abgerückt, das Elektron bleibt aber ein Teilchen.

 

• Ortseigenschaft: Die Nichtlokalisierbarkeit eines Elektrons wird oft nicht als intrinsische Eigenschaft der Natur aufgefasst, sondern als die eigene Unkenntnis über den "wahren" Ort des Teilchens, d.h. die Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion existiert deshalb, weil wir es nicht besser wissen, das Elektron aber "in Wirklichkeit" sehr wohl an einem Ort sitzt. Diese Vorstellungen hält sich auch bei einem Doppelspaltexperiment, bei dem dem Interferenzmuster unterstellt wird, es käme durch ablenkte Strahlen im Gitter zustande und nicht durch die Welleneigenschaft.

 

• Wahrscheinlichkeitsbegriff: Ähnlich wie bei der Lokalisierbarkeit des Elektrons werden Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Ereignisse in der Quantenwelt mit einem Würfelwurf vergleichen. Der Vergleich hinkt aber, da der Würfelwurf ein deterministischer Vorgang ist und bei Kenntnis der Anfangsbedingungen auch das Ergebnis vorhergesagt werden könnte. Die Wahrscheinlichkeit, eine gewisse Zahl zu würfeln, bezieht sich damit auf unsere eigene Unkenntnis. In der statistischen Interpretation der Quantenmechanik ist der Zufall aber als absoluter Zufall zu verstehen. Das führt zu einem Unverständnis über die Kausalität, weil irgendwann kein weiterer Grund für eine kausale Erklärung mehr gegeben werden kann, außer dem absoluten Zufall.