Physik Journal 3 / 2020

Was war das Thema Ihrer Doktorarbeit?

Ich habe mich am CERN mit Diamanten für strahlenharte Detektoren beschäftigt. Mein Arbeitsgruppenleiter hatte Anfang der 1990er-Jahre zusammen mit einem Ingenieur die Firma IDEAS gegründet, um eine selbst entwickelte Ausleseelektronik in der Nuklearmedizin anzuwenden und zu kommerzialisieren. Mit dieser Elektronik habe ich Diamanten auf ihre Detektionsfähigkeit hin untersucht.

So kam der Kontakt zu IDEAS zustande?

Genau. Ich war auch für ein paar Monate in Oslo, um dort Messungen zu machen. Nach der Promotion habe ich an der University of Michigan gearbeitet und parallel als Berater für IDEAS. Am CERN habe ich die Elektronik von IDEAS getestet, bevor ich sie im Handgepäck mit in die USA genommen habe, um dort damit zu messen.

Worauf ist IDEAS spezialisiert?

Auf das Design integrierter Schaltkreise für wissenschaftliche Experimente. Wir versuchen aber auch immer, unsere Elektronik auf wirtschaftlich bedeutende Projekte zu transferieren. 2006 hat eine amerikanische Firma IDEAS aufgekauft und unsere Elektronik für die Brustkrebsfrüherkennung vermarktet. 2013 ging diese Firma pleite, aber Kunden in der Dosimetrie haben wir immer noch. Hauptsächlich arbeiten wir aber mit Wissenschaftlern.

Können Sie ein Beispiel geben?

Wir arbeiten an Elektronik für geplante Copernicus-Missionen. Eine zielt darauf ab, den anthropogenen CO2-Gehalt in der Erdatmosphäre zu überwachen. Dafür entwickeln wir die Elektronik, um Fokalebenen-Arrays auszulesen. (...)

Als das US National Research Council im Jahr 2003 eine Liste der großen, bisher unbeantworteten wissenschaftlichen Fragen veröffentlichte, gehörte dazu auch das Rätsel, wie die Elemente von Eisen bis Uran im Universum produziert werden [1]. Zwar ist seit Ende der 1950er-Jahre klar, dass dafür zwei Prozesse verantwortlich sind, bei denen entweder langsame (s-Prozess für engl.: slow) oder schnelle (r-Prozess, rapid) Neutroneneinfangreaktionen stattfinden. Doch insbesondere das Verständnis des r-Prozesses stellt für Astrophysik und Kernphysik nach wie vor eine große Herausforderung dar.

Die Häufigkeitsverteilung der Elemente in unserem Sonnensystem lässt sich durch Spektroskopie der Sonnenphotosphäre bestimmen. Zusammen mit den Verteilungen in Meteoriten ergibt sich ein genaues Bild der chemischen Zusammensetzung jeder Gaswolke, aus der sich die Sonne und ihr Planetensystem gebildet haben. Diese Signatur entsteht aus dem Zusammenspiel verschiedener Nukleo­syntheseprozesse (Abb. 1). Wasserstoff und Helium treten mit Abstand am häufigsten auf. Die beiden leichtesten Elemente entstehen bereits direkt nach dem Urknall und sind die Basis für die Synthese aller weiteren Elemente. Als im noch jungen Universum riesige Gaswolken unter ihrer eigenen Schwerkraft zu den ersten Sternen kollabierten, verdichtete sich die Materie in ihrem Inneren so sehr, dass Fusionsprozesse einsetzten. Bei diesem nuklearen Brennen entsteht zunächst Helium aus Wasserstoff. Die dabei frei werdende Energie stabilisiert den Stern gegen den Druck der Schwerkraft [2]. Im Fall massereicher Sterne, die mindestens achtmal so schwer sind wie unsere Sonne, zünden im Zentrum des Sterns nach und nach weitere Brennphasen, bis ein Eisenkern entstanden ist. Darin finden sich Isotope der Elemente um Eisen mit Massenzahlen A zwischen 50 und 65. Sie besitzen die höchste Kernbindungsenergie pro Nukleon, sodass eine weitere Fusion als endotherme Reaktion dem Stern Energie entziehen würde. Darüber hinaus sind diese Reaktionen sehr unwahrscheinlich, weil aufgrund der steigenden Ladungszahl der Isotope eine immer größere abstoßende Coulomb-Kraft zu überwinden ist. (...)

Fast jeder Schwimmbadbesucher, der mit Schwimmbrille unter Wasser umherschaut, kennt das Phänomen: Die Wände haben im Allgemeinen einen leicht bläulichen Farbton. Oft bestehen sie entweder aus weißen Kacheln oder Edelstahl, zeigen also eine wellenlängenunabhängige Reflexion. Wenn dann auch die Lichtquelle wie die Sonne weiß ist, sollte die wahrgenommene Farbe anhand der sie erzeugenden Spektren nur vom Wasser herrühren. Hat Wasser also eine intrinsisch blaue Farbe? Bei der Beantwortung dieser Frage soll es nicht um die scheinbaren Farben des Wassers durch Reflexion farbiger Gegenstände an seiner Oberfläche gehen, sondern um ausgedehnte Wasservolumina, wie sie in natürlichen Gewässern – Flüssen, Seen und Meeren – vorkommen, mit Dimensionen und Tiefen von Dezimetern bis hin zu vielen Kilometern.

Im Idealfall besteht Wasser nur aus H2O-Molekülen, gekoppelt über Wasserstoffbrückenbindungen. Dem am nächsten kommt das „Reinstwasser“, die höchste technische Reinheitsstufe, bei der Wasser so gut wie keine Fremdstoffe enthält. In der Natur und im Alltag enthält alles Wasser neben gelösten Gasen wie CO2 oder O2 auch gelöste Ionen wie die von Natrium, Calcium oder Magnesium sowie Karbonate, Chloride und Sulfate. Der Massengehalt an gelösten Salzen liegt in natürlichem Süßwasser unter 0,1 Prozent. Im Meerwasser erreicht er im Schnitt 3,5 Prozent, beim Extremfall Totes Meer bis zu 28 Prozent. Ober­flächensüßwasser und auch Meerwasser kann je nach Eintrag durch Landwirtschaft, Industrie oder Lebewesen weitere Inhaltsstoffe enthalten. Dazu zählen viele suspendierte Teilchen, insbesondere Erde und Sand, sowie mehr oder weniger große Mengen an organischen Substanzen, die sich im Wesentlichen aus Stoffwechsel- und Abbau­produkten von Pflanzen und Tieren zusammensetzen.

Das Spektrum der Inhaltsstoffe ist somit sehr groß. Im Folgenden ist reinstes Wasser möglichst reines auf der Erde verfügbares Süßwasser, d. h. Wasser ohne organische Inhaltsstoffe mit einem geringen Anteil gelöster Salze. Darauf aufbauend lässt sich diskutieren, wie Inhaltsstoffe die optischen Eigenschaften des Wassers verändern. Eine einfache direkt korrelierte Messgröße ist hierbei sowohl qualitativ wie quantitativ die Sichtweite, die von wenigen Zentimetern bei einigen Oberflächengewässern bis hin zu vielen Metern im Meer reichen kann. Unter Sichtweite versteht man generell die Entfernung, in welcher der Kontrast zwischen einem Objekt und dem Hintergrund unter einen bestimmten Schwellenwert sinkt. Dieser wird in der Atmosphäre meist auf zwei Prozent angesetzt. (...)

Smartphones und Tablets sind zu ständigen Begleitern im Alltag geworden. Neben der Möglichkeit zur Kommunikation besitzen sie zahlreiche interne Sensoren, um Beschleunigungen, Lichtintensitäten, akus­tische Frequenzen und andere physikalische Größen zu messen. Dadurch können sie als Experimentiermittel den experimentell-orientierten Physikunterricht in Schule und Hochschule bereichern. Die Verfügbarkeit und Mobilität der Geräte ermöglichen zudem Experimente in vielen Alltagssituationen und anderen Anwendungskontexten, beispielsweise Messungen von Lärm oder Beschleunigungen im Freizeitpark oder im Straßenverkehr. Diese Vorteile werden seit etwa zehn Jahren an Physiklehrkräfte und -dozenten kommuniziert, unter anderem durch die Kolumne „iPhysicsLab“ oder in Fachzeitschriften.1) Doch verbessert der Einsatz von Smartphones überhaupt das Lernen und die Motivation im Vergleich zu herkömmlichen Methoden?

Um diese Frage zu beantworten, werden in der fach­didaktischen Forschung experimentelle Konzepte unter Perspektive der Falsifizierbarkeit entworfen, die sich auf Theorien begründen. Eine experimentelle Manipula­tion erlaubt es dabei, die tatsächliche Wirkung neuartiger Ins­trumente auf Lernen und Motivation zu untersuchen. Das bedeutet, dass eine Versuchsgruppe mit den neuen Instrumenten arbeitet und die Wirkung gegenüber einer Kontrollgruppe verglichen wird, welche diese Instrumente nicht nutzt. Empirische Studien zum Einsatz von von Smartphones oder Tablets sind allerdings immer noch rar gesät und teils überraschend wenig belastbar, obwohl die Forschungsmethodik in den Fachdidaktiken in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat [1, 2]. Ausgehend von dieser Beobachtung haben wir in der Physikdidaktik-Gruppe der TU Kaiserslautern seit 2012 mehrere empirische Studien zum Einsatz von Smartphones als Experimentiermittel durchgeführt. Die Studien zielten darauf ab, theoriebasierte Hypothesen zu Motivations- und Lerneffekten durch kontrollierte Studiendesigns zu überprüfen, die den Standards hypothesenprüfender quantitativer Forschung genügen, d. h. Ergebnisse, Objektivität und Validität der Methoden müssen reproduzierbar sein. (...)