Unterrichtsgang: Wirkungsspektrum
Arbeitsblatt: Der Engelmannsche Bakterienversuch
Vorbemerkungen
In dieser an das Schülerpraktikum anschließenden Stunde werden die Praktikumsinhalte nochmals aufgenommen, indem mit der Rohchlorophylllösung weitergearbeitet wird (Demonstrationsversuch). Zunächst wird mit Hilfe eines Prismas weißes Licht in die Spektralfarben zerlegt. Während das Spektrum projiziert bleibt wird eine dünne Schicht der Chlorophylllösung in den Strahlengang gebracht und die Auswirkung auf das Spektrum gezeigt (bestimmte Spektralbereiche sind nicht mehr sichtbar). So wird das Absorptionsspektrum eingeführt und damit die Grundlage geschaffen für die anschließende theoretische Bearbeitung des Engelmann-Experiments zum Zusammenhang von Bakterienwachstum in räumlicher Nähe zu einer mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlten Alge. Dadurch kann nun auf das Wirkungsspektrum der Fotosynthese gefolgert werden. Dies markiert den Übergang zu einer Serie historischer Experimente zur Aufklärung der Vorgänge bei der Fotosynthese (in den folgenden beiden Stunden).
An der Rohchlorophylllösung wird abschließend noch die Rotfluoreszenz nach Bestrahlung mit weißem Licht demonstriert. Damit soll das komplexe Konzept der „Anregung“ des Chlorophyllmoleküls visualisiert und verankert werden, was für das Verständnis der Teilreaktionen der Fotosynthese notwendig ist. Eine vertiefte Kenntnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse ist jedoch nicht vorgesehen und keine notwendige Vorraussetzung für die folgenden Stunden.
Sachanalyse
Das Farbspektrum ist der für den Menschen sichtbare Anteil des elektromagnetischen Spektrums (= Gesamtheit aller elektromagnetischen (EM) Wellen verschiedener Wellenlängen). Das Farbspektrum kann durch Brechung eines breitbandigen (weißen) Lichtstrahls an einem Dispersionsprisma sichtbar gemacht werden, da der Brechungsindex wellenlängenabhängig ist. Der Lichtstrahl wird also in wellenlängengleiche EM-Wellen aufgespalten und das Spektrum der Lichtquelle zeigt sich als Abfolge monochromatischer Banden.
Foto und Grafik: A. Theil-Schiebel
Durchdringt breitbandiges Licht Materie, so werden Photonen bestimmter Wellenlängen absorbiert. Licht dieser Wellenlängen fehlt dann im Farbspektrum, die entsprechenden Banden erscheinen dann dunkel. Wird wie im hier beschriebenen Versuch Chlorophyll in den Strahlengang des breitbandigen Lichts gebracht und der Lichtstrahl dann gebrochen, zeigt sich das Absorptionsspektrum des Chlorohylls – bestimmte Wellenlängenbereiche sind nicht mehr zu sehen.
Die Absorptionsspektren von gelösten Chlorophyllen besitzen zwei ausgeprägte Absorptionsmaxima, eines zwischen 600 und 800 nm („rot“) und eines um 400 nm („blau“). Es ist deshalb zu erwarten, dass das Absorptionsspektrum in diesen Wellenlängen dunkle Bereiche aufweist. Grünes Licht wird kaum absorbiert, was erklärt, dass Pflanzen auf Grund ihres Chlorophyllgehalts grün erscheinen.
Im Engelmannschen Bakterienversuch wird die lichtabhängige Sauerstoffbildung bei der Fotosynthese in verschiedenen Bereichen des Farbspektrums näherungsweise quantifiziert, indem ein Lichtstrahl durch ein Prisma gebrochen wird und das entstehende Spektrum auf einen dünnen Algenfaden in einem bakterienhaltigen Medium projiziert wird. Die Bakterien reagieren positiv chemotaktisch auf Sauerstoff. Je nach Farbe des Lichts, das auf den Algenfaden trifft, produziert dieser mehr oder weniger Sauerstoff, worauf sich die Bakterien mehr oder weniger zahlreich an den betreffenden Stellen ansammeln. Die Anzahl der angesammelten Bakterien dient als ungefähres Maß für die Fotosyntheserate, die der Sauerstoffproduktionsrate entspricht. Der Versuch zeigt, dass die höchste Fotosyntheserate ungefähr mit den Bereichen der Absorptionsmaxima des Chlorophylls korreliert. Die Fotosyntheserate in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts wird als Wirkungsspektrum der Fotosynthese bezeichnet.
Die Chlorophyllmoleküle werden durch die Absorption von Lichtenergie energetisch angeregt, d.h. Elektronen gehen auf ein höheres Energieniveau über. Dabei erzeugt eine Anregung durch blaues Licht den energiereichen zweiten Singulettzustand, wohingegen die Anregung im Rotlichtbereich den ersten Singulettzustand der betreffenden Elektronen erzeugt. Der zweite Singulettzustand kann unter Abgabe von Wärme in den ersten Singulettzustand übergehen. Die im Vergleich zum Grundzustand höhere Energie des ersten Singulettzustands wird zum Einen zwischen den Chlorophyllmolekülen in den Lichtsammelkomplexen übertragen (quantenphysikalisch handelt es sich um einen Excitonentransfer), zum Anderen ermöglicht sie direkt die Elektronenübertragung von Chlorophyll in den Reaktionszentren der Fotosysteme II auf den Primärakzeptor. Bei diesen Vorgängen kommt es wie bei allen physikalischen Umwandlungsprozessen zu einer Verlustleistung, d.h. ein Teil der Energie wird von den Chlorophyllmolekülen auch in Form Wärme, Phosphoreszenz und Fluoreszenz (Emmission von Photonen im längerwelligen (= roten) Bereich, die direkt auf die Lichtabsorption folgt) abgegeben.
Didaktisch-methodischer Schwerpunkt
Experimentieren
Die SuS setzen sich mit biologischen Sachverhalten durch Demonstrationsexperimente auseinander und sind in der Lage, deren Ergebnisse mit vorhandemem Wissen zu verknüpfen und dieses um neue Aspekte zu erweitern. Die SuS schließen sachlogisch von Beobachtungen auf Erklärungen und vollziehen so beispielhaft einen empirischen und induktiven Erkenntnisgewinn nach.
Materialien
Material |
Anmerkungen |
| 20300_dok_unterrichtsgang_wirkungsspektrum | Informationen zum Unterrichtsgang mit fachlichem Hintergrund, Unterrichtsgang und Anleitung zur Vorbereitung und Durchführung der Demonstrationsexperimente |
| 20301_p_wirkungsspektrum | Farbspektrum und Absorptionsspektrum im Vergleich ( → Versuchsergebnisse bleiben auch im hellen Raum während des Arbeitsauftrags verfügbar), Wirkungsspektrum der Fotosynthese |
| 20302_ab_wirkungsspektrum | Schülerarbeitsblatt mit angehängten Musterlösungen |
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