Welle und Teilchen ? – Eine physikalische Gehirnwäsche
„Wird denn alles, was wir bis jetzt in Physik gelernt haben, über den Haufen geschmissen ?“


„Hat der Comptoneffekt irgend etwas mit unserem Alltag zu tun ?“
Diese und ähnliche, teilweise auch kritische Fragen, wurden im Physikunterricht unseres diesjährigen Leistungskurses in der Jahrgangsstufe 13 gestellt. In der Tat erfordern die behandelten Themen ein radikales Umdenken; denn die Grundgedanken der Quantenphysik sind mit einer Abkehr von „lieb gewonnenen“ Vorstellungen verbunden. Dies geht so weit, dass man sogar überdenken muss, was mit dem Verstehen eines physikalischen Konzeptes eigentlich gemeint ist. Vorher wurde z. B. das Elektron mit teilweise faszinierenden Experimenten als Teilchen identifiziert, das Licht und Röntgenstrahlung wurden mit einer ganzen Gruppe von Experimenten als Wellenerscheinung erkannt. In der Jahrgangsstufe 13 werden nun Experimente vorgestellt, die zeigen, dass diese Vorstellungen so nicht mehr haltbar sind. Das besprochene Experiment von Davison - Germer lässt sich nur interpretieren, wenn das scheinbare Teilchen Elektron auch Welleneigenschaften besitzt. Andererseits verhält sich die scheinbare Wellenstrahlung beim Fotoeffekt, Comptoneffekt und Paarbildungseffekt so, als sei sie ein Strom von Lichtteilchen. Außerdem kann man die Röntgenstrahlung erst verstehen, wenn man für sie die beiden Modelle „Welle“ und „Teilchen“ gleichzeitig anwendet. Die Fragen und Probleme der Schülerinnen in der Quantenphysik und auch der Ärger darüber, dass man hart erarbeitete Konzepte „über den Haufen schmeißen muss“, sind voll berechtigt; denn Schülerinnen und Lehrer wird abverlangt, mechanische Modelle als Grundlage des Verstehens aufzugeben. Es ist einfach unmöglich in ein Objekt gleichzeitig die Eigenschaften einer Billardkugel und der Wellenbewegung einer Wasseroberfläche hinein zu denken. Ein Trost für Schülerinnen und Lehrer ist die Tatsache, dass es den Begründern der Quantenphysik ebenso gegangen ist. Max Planck schrieb in einem Brief an einen Fachkollegen: „Wenn es bei dieser Quantenspringerei bleiben soll, dann bereue ich es, mich jemals damit beschäftigt zu haben !“ Aber mit der Behandlung der Quantenphysik leistet der Physikunterricht einen Beitrag zur Lösung der alten Frage: „Was hält die Welt im Innersten zusammen ?“ und daraus erhält er u.a. seine Berechtigung. Andererseits ist die Frage berechtigt, was die Konzepte der Quantenphysik mit dem alltäglichen Leben zu tun haben.

Medizinische Radiologie – eine direkte Anwendung der Quantenphysik
Wenn im Unterricht der Begriff Röntgenstrahlung fällt, denkt man natürlich sofort an die medizinische Anwendung in Diagnostik und Therapie. Hier finden die besprochenen Phänomene und ihre Deutungen direkte Anwendungen; denn ohne den Foto- und den Comptoneffekt sowie die klassischen Streueffekte lässt sich nicht einmal verstehen, wie ein Röntgenbild zustande kommt oder wie ein Tumor mit Hilfe von Röntgenstrahlung zerstört werden kann. Diese Anwendungen führten bei den Schülerinnen sehr schnell zu einem „Aha – Erlebnis“. Durch den Besuch in der Radiologischen Abteilung des Krankenhauses Dernbach können diese Erkenntnisse vertieft werden. 

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In der über die Grenzen des Westerwaldes bekannten Abteilung zeigte uns der stellvertretende Chefarzt Dr. Ulrich Gosmann zunächst die Röntgenabteilung mit ihren technischen Errungenschaften. Dabei wurde deutlich, dass alle Geräte von der einfachen Röntgenanlage bis zum Computertomografen letztlich auf den Grundlagen beruhen, die im Physikunterricht behandelt wurden. Dr. Gosmann stellte aber besonders sein Spezialgebiet, die Kernspintomografie vor. Um die Bildentstehung bei der Kernspintomografie verstehen zu können, benötigt man umfangreiche Kenntnisse der quantenphysikalischen Eigenschaften von Atomkernen, so dass wir bei dem Besuch nur eine ungefähre Vorstellung gewinnen konnten. Es wurde aber klar, dass die im Unterricht behandelte Quantenphysik nur ein Einstieg in ein riesiges Fachgebiet darstellt, das viele technische Anwendungen ermöglicht, mit denen wir heute selbstverständlich umgehen. An einigen Fallbeispielen zeigte Dr. Gosmann die Vorteile der Kernspintomografie auf. Präzise Diagnose ohne schädigende Strahlung – Eine Operation wird erspart. Da die Kernspintomografie ohne Röntgenstrahlung auskommt, werden dem Patienten teilweise hohe Strahlenbelastungen erspart. Leider lassen sich die Röntgenstahlen aber nicht bei allen diagnostischen Verfahren ersetzen. Der größte Vorteil der Kernspintomografie sind jedoch die glasklaren Bilder und dreidimensionalen Darstellungen von Organen, die man bei diesem Verfahren gewinnt. Dr. Gosmann erläuterte das Krankheitsbild eines Kindes, das über heftige Bauchschmerzen klagte und bei dem alle vorher angewandten diagnostischen Verfahren ergebnislos verlaufen waren. Es war sogar schon eine Bauchoperation zur Ursachenfindung in Erwägung gezogen worden. Durch eine Kernspintomografie des gesamten Rumpfbereiches konnte die Ursache der Schmerzen in einer Erweiterung des Rückenmarkkanals im Bereich der Nervenenden, die vom Bauch kommend in das Rückenmark eintreten, gefunden werden. Da diese Schmerzen medikamentös behandelbar sind, wurde dem Kind eine Operation erspart, die die Ursache der Schmerzen doch nicht hätte klären können. Dieses und weitere Beispiele liefern Belege dafür, dass die sehr abstrakten physikalischen Betrachtungen der Quantenphysik konkrete Anwendungen haben, die jeden einzelnen betreffen können.

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Den Abschluss des Besuches bildete die Besichtigung des Kernspintomografen, bei der Dr. Gosmann mit seiner Assistentin Erläuterungen gab und kleine Experimente durchführte. Vor dem Einschalten des Tomografen mussten alle eisenhalteigen Teile wie Schmuck, Gürtelschnallen etc. abgelegt werden. Mit Hilfe eines Schlüssels konnte jede Schülerin die Stärke des notwendigen Magnetfeldes (B = 2,5 Tesla) erfahren. Ein besonderes Erlebnis hatten dann die Trägerinnen fester Zahnspangen, auf deren Kopf in der Nähe des Kernspintomografen eine Kraft wirkte, die versuchte sie in die Röhre hineinzuziehen. Insgesamt bildete der Besuch den Höhepunkt des Unterrichtsprojektes zum Thema Quantenphysik und Medizintechnik und wird sowohl den Schülerinnen als auch dem Fachlehrer in Erinnerung bleiben.
Dr. Hans Paul Breunig