Chemiedidaktik: Mit Zollstöcken und Springseil zum Regenbogen

Seile und farbige Zollstöcke eignen sich als Material für Modelle, die dabei helfen, das elektromagnetische Spektrum zu verstehen. Mit Taschenlampe und Springseil lässt sich auch der Unterschied zwischen Licht und Laserstrahlung zeigen.

Optische Phänomene, Licht und Farbe, Ausbreitung von Licht, magnetische Felder, Radioaktivität, Röntgenstrahlung oder Wellen finden sich in den Fachcurricula aller Bundesländer.¹⁾ Das Thema hat Bezug zum Alltag: zu Radio-, Mikro- oder Handywellen, zu Röntgenstrahlen, zum blauen Himmel und zu den Regenbogenfarben.

Dass sich Licht aus Wellen mit einem elektrischen und magnetischen Anteil zusammensetzt, die einander beeinflussen und sich als Transversal- und Longitudinalwellen ausbreiten, ist schwer zu verstehen. Modelle aus Alltagsgegenständen können dabei das Verständnis fördern. Ansatzpunkt ist die grundlegende Gleichung E = h · c/λ (mit dem Planck‘schen Wirkungsquantum h und der Lichtgeschwindigkeit c): Je größer die Wellenlänge, desto kleiner ist die Energie der Strahlung.

Wellen im Kletterseil

Um Wellenlänge und den Zusammenhang von Wellenlänge und Energie von Strahlung zu veranschaulichen, eignet sich ein sechs bis acht Meter langes Polyesterseil mit einem Durchmesser von 12 bis 15 Millimetern. Solche Seile gibt es als Kletterbedarf oder im Baumarkt.

Um Wellenlänge zu zeigen, befestigt man das Seil an einem festen Gegenstand, beispielsweise an einem Tischbein, und nimmt das freie Ende in die Hand. Schlägt man nun mit mäßiger Kraft durch peitschende Bewegungen Energie in das Seil, entsteht eine stehende Welle (Fotos oben). Die Wellenberge breiten sich über das gesamte Seil aus.

Schlägt man das Seil mehrmals auf und ab, sodass mehrere Wellenberge hintereinander entstehen, ist der Abstand zweier benachbarter Wellenberge und damit die Wellenlänge leicht abzuschätzen. Sie liegt bei etwa einem Meter.

Bewegt man das Seil mit vielen schnellen und kräftigen Schlägen auf und ab, entstehen viele kleine Wellen mit Wellenlängen von etwa 30 bis 40 cm, die sich über das Seil ausbreiten: Je mehr Energie man also in das Seil hineinsteckt, desto kleiner werden die Abstände zwischen den Wellen.

Zusätzlich zeigt sich ein schöner Nebeneffekt: Die Änderung der Amplitude hat mit der Wellenlänge nichts zu tun. Sie spiegelt lediglich die Intensität der Strahlung wider, also ob beispielsweise grünes Licht hell oder weniger hell leuchtet.

Zollstöcke als Wellenmodelle

Das Spektrum des Lichts inklusive des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge und Energie lässt sich mit farbigen Zollstöcken veranschaulichen, hier mit drei normalen Zollstöcken (grau oder weiß), einem kleineren sowie einem Mini-Zollstock. Für eine praktischere Handhabung und bessere Sichtbarkeit werden immer jeweils zwei 20-cm-Zollstockeinheiten der vier großen Zollstöcke aufgeklappt. Zollstöcke, deren Gelenke einrasten, eignen sich besonders gut, weil diese beim Vorführen nicht umknicken. Alternativ werden die Gelenke, die gerade bleiben sollen, mit Klebstoff fixiert.

Bei einem Zollstock wird die Vorderseite rot und die Rückseite grün angemalt (zum Beispiel mit Abtönfarbe aus dem Baumarkt). Ein zweiter Zollstock wird grün und auf der Rückseite blau angestrichen, der dritte Zollstock bleibt unverändert. Der kleine Zollstock bekommt einen violetten Anstrich sowie beispielsweise eine orange-schwarz gestreifte Rückseite und der Mini-Zollstock eine schwarz-gelb gestreifte (Foto oben links).

Der aufgeklappte Zick-Zack-Zollstock soll die elektromagnetische Welle darstellen. Eine reale Welle ist zwar sinus- und nicht zickzack-förmig, an dieser Stelle ist dies aber für das Verständnis vernachlässigbar.

Um das gesamte Strahlungsspektrum abzubilden, beginnt man mit dem grau-weißen Zollstock und klappt ihn möglichst weit auseinander. Je nach Arm-Spannweite beträgt die Wellenlänge etwa 60 bis 80 cm. Dies entspräche beispielsweise einer Radiowelle.

Wenn man den Zollstock etwas zusammendrückt, also Energie hineinsteckt, wird die Wellenlänge kleiner. Zwar ist dafür nicht viel Energie erforderlich, aber so wird vorstellbar, dass die zusammengedrückte Welle Energie gewonnen hat, aus der Radiowelle ist in dem Fall eine Mikrowelle geworden – symbolisiert durch das gestreifte Muster auf der Rückseite.

Ausgehend von Mikrowellen kann man zum sichtbaren Teil des Spektrums überleiten, das der rot und grün bemalte Zollstock symbolisieren soll mit Rot als der ersten Strahlung, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Grünes Licht ist energiereicher als rotes Licht, dafür kann man den roten Zollstock zusammendrücken und dreht ihn dann um. Das Gleiche kann man mit dem grün-blauen Zollstock machen und beginnt mit grünem Licht: So lässt sich zusammenfassen, dass blaues Licht viel energiereicher ist als rotes, weil dessen Wellenlänge kürzer ist als die des roten Lichts.

Ultraviolette Strahlung kann dann mit einem kleinen (violett angemalten) Zollstock dargestellt werden. Jugendliche wissen aus ihrem Alltag, dass ultraviolette Strahlung einen Sonnenbrand verursachen kann. Über den größeren Energiegehalt von UV-Licht ist ihnen das erklärbar.

Schließlich wird der kleine Zollstock ebenfalls weiter zusammengedrückt und die Wellenlänge verkleinert, bis man zur Röntgenstrahlung gelangt (umgedrehter Zollstock mit beispielsweise orange-schwarzen Streifen) und zur Gammastrahlung mit dem schwarz-gelb gestreiften Minizollstock als Modell. Die Farben auf den Zollstöcken außerhalb des sichtbaren Spektrums sind dabei nachrangig.

Die Abstände bei den Zollstöcken sind natürlich nicht maßstabsgerecht und können die Spannweite über 16 Potenzen von Kilometer bis Picometer nicht direkt abbilden. Daher wird die Längenwelle einer Radiowelle (1 Meter) und des roten Lichts (10^–9 Meter) beispielhaft erwähnt.

Exkurs Mikrowellenherd

Als elektrischer Dipol werden Wassermoleküle zu Schwingungen im elektrischen Wechselfeld der Mikrowellen angeregt.³⁾ Dazu gibt es ein interaktives Experiment:

Die Mikrowellen werden dabei durch ein handelsübliches Springseilchen aus dem Sportartikelhandel veranschaulicht. Die kreisenden Schwingungsbögen beim Seilspringen sollen dabei Transversalwellen darstellen. Ein Freiwilliger oder eine Freiwillige soll nun seilspringen, stellt damit ein Wassermolekül dar, das im Mikrowellengerät durch die Wellen ins Rotieren gerät. Nach kurzer Zeit wird dem Seilspringer warm. Beim Essenerwärmen passiert Ähnliches, nur massenhaft: Die kontinuierlich erzeugten Mikrowellen regen sämtliche Wassermoleküle in der Speise zu Schwingungen an. Die Bewegungsenergie der Moleküle erhitzt das Wasser, und es erwärmt die Speise.

Wie fein verteilte Metallatome mit Mikrowellen interagieren, lässt sich an den aufgedampften Aluminiumschichten auf CDs und Chipstüten, an Silberschichten in Christbaumkugeln oder Eisenatomen in Wunderkerzen zeigen – begleitet von spektakulären Funken und feurigen Leuchtspuren (Foto S. 29 rechts).⁴⁾ Diese Experimente dürfen nicht in Mikrowellengeräten durchgeführt werden, in denen Speisen erwärmt werden. Außerdem ist für ausreichende Belüftung zu sorgen, da Rauch entsteht.

Laserlicht contra Taschenlampenlicht

Ausgehend von einer Taschenlampe oder einer LED und einem roten Laserpointer kann Jugendlichen folgende Frage zur Diskussion gestellt werden: Was hat Laserlicht, was einem Lampenlicht fehlt? Dabei geht es um drei Eigenschaften, die Laserlicht so besonders machen: Es ist monochrom, hat also eine definierte Wellenlänge, beim roten Laserpointer sind es 650 nm, die Strahlen verlaufen parallel zueinander, und Laserlicht ist kohärent.

Erfahrungsgemäß schlagen Schüler:innen oft vor, Punkt 1 und 2 auf das Taschenlampenlicht anzuwenden, etwa mit einem roten Farbfilter sowie einer Sammellinse vor dem Licht, um gebündeltes, monochromatisches Licht zu erzeugen. Wie sich herausstellt, entsteht dadurch kein Laserlicht. Um Kohärenz (Phasengleichheit)⁵⁾ zu veranschaulichen, kann man farbige Springseile nutzen.

Kohärenz – ein interaktives Modell mit Springseilen

Die Lehrkraft ruft zwei Freiwillige nach vorne. Jeder bekommt ein Springseil in die Hand, etwa ein Kletter- oder Polyesterseil mit drei Metern Länge und etwa acht bis neun Millimetern Durchmesser (aus dem Sportfachhandel oder Baumarkt, ab etwa zwei Euro pro Meter), an den Seilenden sitzen zwei durchbohrte Holzkugeln mit etwa fünf Zentimetern Durchmesser (Bastelladen) als Handgriffe.

Sofern genügend Platz ist, stellen sich die drei Personen auf: Lehrer:in in der Mitte, links und rechts daneben die beiden Schüler:innen. Die Seile sollen die Lichtwellen darstellen, die sich beim Springen annähernd wie Transversalwellen verhalten und einen sinusartigen Verlauf zeigen (Wellenberg). Die rote Farbe des Seils symbolisiert das monochromatische Licht des roten Laserpointers oder das mit Farbfilter gefärbte Licht einer Taschenlampe.

Zuerst springen alle drei auf Kommando los (Foto links), jeder nach eigenem Tempo. Zu sehen ist ein Durcheinander der drei Seilwellen. Dieser Zustand der ungeordneten Wellen entspricht dem Licht einer Taschenlampe.

Nun versucht die Lehrkraft zusammen mit den beiden Schüler:innen, die Kohärenz des Laserlichts zu demonstrieren: Dazu beginnt einer mit dem Seilspringen (optimal mit taktgebender Musik). Dann hüpfen die beiden Nachbarn los, aber genau synchron zum Starter. Bewegen sich alle drei roten Seile im Gleichtakt, verdeutlichen die synchronen Schwingungen der Seile, was Kohärenz bei Laserlicht bedeutet.

Andreas Korn-Müller

AUF EINEN BLICK

Mit Kletterseilen lässt sich der Zusammenhang von Energie und Wellenlänge demonstrieren.

Farbige Zollstöcke eignen sich als einfaches Demonstrationsmodell für das Spektrum elektromagnetischer Strahlung.

Was Kohärenz von Laserlicht bedeutet, können mehrere seilspringende Personen zeigen.

INFO: Magic Andy und die Chemie als Show

Andreas Korn-Müller tourt mit Chemie-Shows als „Magic Andy“ durch Deutschland, Europa und die halbe Welt. Er ist auf Science-Festivals zu sehen, in Forschungseinrichtungen, Museen, Science-Centern, Schulen, Kulturbetrieben und Firmen. Sein Zielpublikum ist die Laien-Öffentlichkeit, alt wie jung, insbesondere Kinder und Jugendliche. Die letzte Show vor der Corona-Pandemie gab es im Februar 2020 vor 500 Oberstufenschüler:innen. Seit Sommer 2021 finden wieder Live-Shows statt, unter anderem beim „Explore Science“ Festival in Bremen und bei den „Science Days“ im Europa-Park. Die nächsten Auftritte sind am 5. und 6. Mai 2022 bei den „Science Days für Kinder“.

Andreas Korn-Müller hat in Biochemie promoviert und arbeitet seit dem Jahr 1997 in der Wissenschaftsvermittlung. Neben Science-Shows konzipiert er Ausstellungen für naturwissenschaftliche Museen und hat bisher vier (Kinder-)Sachbücher geschrieben.

www.science-comedy.com www.magic-andy.com

• ¹ B. E. A. Saleh, M. C. Teich, Optik und Photonik, Wiley-VCH, Weinheim, 3. Auflage 2020, 118–130.
• ² www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/mittelschule/5/nt, www.lehrplanplus.bayern.de/fachprofil/gymnasium/physik/7, www.lehrplanplus.bayern.de/fachlehrplan/gymnasium/11/physik, www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/LS/BP2016BW/ALLG/GYM/PH
• ³ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 103. Auflage, de Gruyter, Berlin 2017, 185–187
• ⁴ A. Korn-Müller, A. Steffensmeier, Das verrückte Experimentier-Labor, Fischer Sauerländer, Frankfurt 2019, 30.
• ⁵ wikipedia.org/wiki/Kohärenz_(Physik)

Bildung + Gesellschaft