Magazin

Typischerweise stehen Experimentalvorlesungen in Chemie und Physik am Anfang eines naturwissenschaftlichen Studiums und vermitteln, auf welchen Beobachtungen die Aussagen beruhen, die das Lehrgebäude der Chemie und Physik bilden. Fakten prägen sich besser und nachhaltiger ein, wenn man sie im Kontext wahrnimmt. Dabei wird gleichzeitig deutlich, dass die Chemie eine Wissenschaft der greifbaren Stoffe und ihrer gegenseitigen Umwandlung ist, eine Wissenschaft, in der ganz allgemein neue Erkenntnisse über die Abfolge Experiment — Beobachtung — Deutung gewonnen werden. Reaktionen in der organischen Chemie verlaufen langsam und sind oft wenig spektakulär. Auch ist der Stoff meist abstrakter als in der anorganischen Chemie. Deswegen bedarf es gerade in der Organik einer eindrucksvollen Experimentalvorlesung.
Trotz dieser schwierigen Voraussetzungen haben Generationen von Hochschullehrern die “Organische Experimentalchemie” didaktisch verfeinert und sie zu einem Stück Kulturgut entwickelt. Lebendige Kultur muss allerdings von jeder Generation neu rezipiert und angepasst werden. So werden durch Änderung der Lehrinhalte der Einführungsvorlesung manche etablierten Vorlesungsexperimente obsolet und müssen durch andere, neue ersetzt werden.
Das bloße Abspielen von Filmsequenzen ist kein Ersatz für ein Vorlesungsexperiment, denn es liefert nicht die für die Wissenschaft wichtige Erkenntnis der nicht uneingeschränkten Reproduzierbarkeit. Der Fehlschlag eines erprobten, vom Professor durchgeführten Experiments ist nicht nur Anlass zur Heiterkeit, sondern Vorbereitung auf die eigenen praktischen Arbeiten des Studierenden in Praktikum und Forschungslabor, bei denen das Scheitern eines Versuchs und die Fehleranalyse notwendige Bestandteile sind.
Wenn in einer Experimentalvorlesung organische Chemie in einem Semester 200 bis 250 Versuche demonstriert werden, sind dies oft die einzigen für viele Aspekte der Chemie relevanten Experimente, die ein Studierender kennen lernt. Die zahlenmäßig wenigen Experimente im Praktikum dienen dagegen vor allem dem Erlernen der Arbeitstechniken. So taucht wohl in keinem Praktikum die relative Lage des HOMOs in Aromaten als Versuch auf, während sich das in der Vorlesung anhand der Farbe der Charge-Transfer-Komplexe mit Tetracyanethylen in Sekunden demonstrieren lässt. Natürlich kostet die Versuchsdurchführung Vorlesungszeit, doch ist das Wichtigste an einer Vorlesung nicht die Vermittlung von Wissen, sondern die von Verständnis für Zusammenhänge und Phänomene. Begreifbar sind gerade letztere nur, wenn man sie selbst anhand von Experimenten wahrnimmt. Das zeichnet die Experimentalvorlesung auch in Zeiten der Informationsgesellschaft aus, in der sich Studierende Fachwissen über Lehrbücher, Vorlesungsskripte und das Internet verschaffen können, und bietet vielfach den Anreiz, überhaupt in den Hörsaal zu kommen.
Gerade für die noch Unentschlossenen sowie für Studierende mit Chemie im Nebenfach schüren gelungene Versuche das Interesse, ja sogar die Begeisterung für das Fach. Und auch der positive Aspekt für den Dozenten sollte nicht übersehen werden: Es ist schier unmöglich, eine Experimentalvorlesung lustlos oder unengagiert zu halten.
Deswegen lohnt es sich, die Kultur der Experimentalvorlesung Organische Chemie zu erhalten und weiterzuentwickeln. Aus gutem Grunde haben etliche Fachbereiche trotz dünner werdender Personaldecke die mit einer Experimentalvorlesung verbundenen Positionen eines Vorlesungsassistenten oder Laboranten offensiv und erfolgreich verteidigt. Denn es sind gerade die Studierenden, die Experimentalvorlesungen sehr positiv bewerten, und darüber hinaus haben diese Vorlesungen auch einen beachtlichen Werbeeffekt, der das Bild der Chemie in der Öffentlichkeit stärkt.


Reinhard W. Hoffmann, Jahrgang 1933, promovierte in Bonn. Ab 1970 war er Lehrstuhl-Inhaber für organische Chemie an der Universität Marburg. Paultheo von Zezschwitz, Jahrgang 1972, promovierte in Göttingen. Er folgte 2007 einem Ruf auf eine W2-Professur für organische Chemie an die Universität Marburg.


<h2>„Eher für Nebenfächler geeignet”︁</h2>
Es gibt eine Menge Argumente, die gegen organische Experimentalvorlesungen für angehende Chemiker sprechen, findet Michael Göbel.
Experimentalvorlesung — Erinnerungen werden wach an wuchtige Explosionen und rauchgefüllte Hörsäle, die mit begeistertem Publikum bis auf den letzten Platz besetzt sind. Showveranstaltungen mit Licht-, Feuer- und Knalleffekten sind ohne Zweifel bei Chemikern wie Nichtchemikern sehr beliebt. Darum geht es hier aber nur am Rande. Die Frage ist eher, sollte die ganz normale Grundvorlesung der organischen Chemie Experimente enthalten oder nicht?
Die Chemie ist eine experimentelle Naturwissenschaft. Die Phänomene, über die wir berichten, sind im Grundsatz von jedermann zu reproduzieren. Auch die Theorien, die wir daraus bilden, gehen nicht auf die Lehrmeinung großer Autoritäten zurück (“Aristoteles dixit ..”). Sie sind vielmehr zwingende Schlussfolgerungen aus Versuchen, die jeder für sich nachvollziehen kann. Im Hinblick auf die geistige Selbstständigkeit unserer Studierenden ist es sehr wichtig, in der Vorlesung stets auf die experimentelle Begründung unserer Theorien hinzuweisen. Sollte man diese Schlüsselversuche dann nicht auch vorführen?
Betrachten wir zwei fundamentale Fragen aus der organischen Chemie. Ist ein vierbindiges Kohlenstoffatom tetraedrisch oder quadratisch-planar konfiguriert? Der Vergleich von Isomeriephänomenen, die aus der ersten oder der zweiten Annahme zu erwarten sind, liefert sofort eine experimentell begründete Antwort. Erzählt ist die Geschichte schnell, die Vorführung entsprechender Versuche ist dagegen im Rahmen einer Vorlesung nicht möglich. Das Phänomen “Aromatizität” erschließt sich rasch aus einem Vergleich von Verbrennungswärmen des Benzols und verwandter Verbindungen. Wie aber will man in der Vorlesung diese Werte messen? 
Natürlich, mag man einwenden, würden Versuche etwas ganz anderes zeigen. Zum Beispiel die Entfärbung von Bromwasser durch Alkene, während mit Benzol die Reaktion ausbleibt. Solch eine Demonstration beleuchtet durchaus wichtige Aspekte chemischer Reaktivität. Sie braucht aber Zeit und kommt ohne zusätzliche Erläuterungen nicht aus.
Die typische organische Grundvorlesung besteht aus 30 bis 32 Doppelstunden und hat ein großes Stoffpensum abzuarbeiten. Die Zeit ist knapp. Sie reicht, um zum Beispiel die traditionellen Namensreaktionen in ihrem mechanistischen Zusammenhang vorzustellen und dabei die Grundannahmen aus Schlüsselversuchen abzuleiten. So zwingt uns etwa die Beobachtung der Stereospezifität bei der Bromaddition an Alkene zur Formulierung eines cyclischen Bromoniumions. Sofern wir über diese Versuche nur berichten, reicht die Zeit. Das Vorführen einer Bromwasser-Reaktion lockert sicher das Lernklima auf, ist aber nicht ausreichend für die Ableitung des Reaktionsmechanismus. Sie kann sogar die paradoxe Situation bewirken, dass nun die Zeit fehlt, um Resultate der Versuche vorzustellen, die unsere mechanistischen Modelle wirklich begründen.
Was ist wichtiger, der Spaßfaktor Experiment oder die bessere logische Durchdringung des Vorlesungsstoffs? Das hängt ganz von der Zielgruppe ab: Chemiestudierende, die ohnehin einen großen Teil ihrer Zeit mit eigenen Versuchen verbringen, sind mit einer guten Auswahl von “Gedankenexperimenten” besser bedient. Die realen Versuche führen sie im Praktikum selber durch. Ganz anders sieht es aus in einer Nebenfachvorlesung. Nicht nur, dass die Chemie als vielleicht ungeliebtes Fach durch schöne Schauversuche sehr an Attraktivität gewinnt. Manches interessante Phänomen werden die Hörer mangels eigener Praktikumserfahrung im vorgeführten Experiment zum einzigen Mal in ihrem Studium selber sehen können. Für diese Zielgruppe ist und bleibt eine organische Experimentalvorlesung wichtig. Und den Spaß an der “Knallvorlesung”, den wollen wir uns natürlich nicht nehmen lassen.


Michael Göbel, Jahrgang 1958, war zunächst Professeur adjoint an der Universität Genf und ist seit 1997 als C4-Professor an der Universität Frankfurt tätig. Dort vertritt er die Lehre der organischen Chemie in ganzer Breite.


Die Rubrik „Pro und Contra”︁ wird von der GDCh-Sektion Seniorexperten Chemie betreut. Jörn Müller koordiniert die Beiträge.

Artikel

“Wir brauchen die Experimentalvorlesung”

Typischerweise stehen Experimentalvorlesungen in Chemie und Physik am Anfang eines naturwissenschaftlichen Studiums und vermitteln, auf welchen Beobachtungen die Aussagen beruhen, die das Lehrgebäude der Chemie und Physik bilden. Fakten prägen sich besser und nachhaltiger ein, wenn man sie im Kon...

Die GSI betreibt in Darmstadt ein System von Schwerionenbeschleunigern, bestehend aus dem universalen Linearbeschleuniger Unilac, dem Schwerionensynchrotron SIS18 und dem Experimentierspeicherring ESR. Die Kombination dieser Maschinen und der drei Ionenquellenterminals erlaubt einen Parallelbetrieb von Experimenten für bis zu 1200 Wissenschaftler pro Jahr. Die Anlage beschleunigt alle Ionen — von Wasserstoff bis zum Uran.
Das GSI-Forschungsprogramm erstreckt sich vom sichtbaren Bereich über Atome und Atomkerne bis hin zu den elementaren Bausteinen, den Quarks und Elektronen. Das zentrale Instrument für die Forschung ist die mehrere hundert Meter lange, mehrstufige Beschleunigeranlage für Ionen. Sie beschleunigt elektrisch positiv geladene Ionen auf sehr hohe Geschwindigkeiten; anschließend treffen diese auf Materieproben, zum Beispiel eine dünne Metallfolie oder eine biologische Zellprobe. Eine Analyse der dabei entstehenden Trümmer — neu entstandenen Teilchen — liefert Erkenntnisse über den inneren Aufbau und Ursprung der Materie in den untersuchten Systemen und über die sie zusammenhaltenden Kräfte.


<h2>Ionen- und Teilchenphysik</h2>
In der physikalischen Grundlagenforschung haben Untersuchungen zur Struktur besonders hohen Stellenwert. Ein Beispiel dafür ist die Synthese und Entdeckung von neuen Elementen des Periodensystems, darunter die sechs GSI-Elemente 107 bis 112: Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium, Roentgenium und Copernicium. Das Studium der Eigenschaften exotischer Kerne — Atomkerne mit extremen Protonen- und Neutronenzahlen — bringt neue Erkenntnisse über die Entstehung der chemischen Elemente in den Sternen und Sternexplosionen.
Ein weiteres Arbeitsgebiet der Grundlagenforschung ist das Studium heißer und dichter Kernmaterie. Mit Schwerionenstrahlen lassen sich verschiedenste Erscheinungsformen von Kernmaterie synthetisieren und studieren — vom flüssigen Normalzustand über das freie Nukleonengas bis zur Auflösung der Kernbausteine in ein Quark-Gluon-Plasma. Dieses Forschungsgebiet hat ebenfalls einen starken astrophysikalischen Bezug, denn wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall bestand wohl die gesamte Materie des Weltalls aus Quark-Gluon-Plasma und dichtest gepackten Protonen. Auch der dramatische Verlauf einer Supernova-Explosion und die Eigenschaften der dabei entstehenden Neutronensterne werden wesentlich durch das Verhalten verdichteter Kernmaterie bestimmt.


<h2>Atom-, Plasma- und Biophysik</h2>
Die Untersuchungen der Eigenschaften und Vorgänge in der Atomhülle sind ebenfalls Gegenstand des Forschungsprogramms. Beispielsweise überprüfen Experimente an wasserstoffähnlichen Atomen — Atome mit nur einem Hüllenelektron — die Quantenelektrodynamik, die genaueste physikalische Theorie überhaupt, nunmehr bei höchsten Kernladungszahlen. In eine andere Richtung zielen die Arbeiten zur Plasmaphysik. Intensive Ionen- und Laserstrahlen erzeugen in einer Targetprobe aufgrund der effektiven Deposition von Energie sehr heiße und dichte Plasmen. Diese Experimente spiegeln Verhältnisse wieder, wie sie in Sternen oder im Inneren großer Planeten vorkommen.
Auch die Eigenschaften eines Festkörpers lassen sich durch den Beschuss mit Ionenstrahlen gezielt verändern. Das führt zu neuen Techniken bei der Werkstoffherstellung, etwa für Membranen und für die Modifikation von Materialien.
Zellen können unter Ionenbeschuss absterben. Dies kann zum Heilen von Krebs genutzt werden. An der GSI wurde dieses Prinzip in ein Hightech-Tumortherapie-Verfahren überführt. Von 1997 bis 2008 wurden mit großem Erfolg Tumorpatienten mit Ionenstrahlen behandelt. Dabei wurden mit beschleunigten Kohlenstoffionen Tumore im Kopfbereich bestrahlt, die mit bisherigen Behandlungsmethoden noch nicht therapiert werden konnten. Dieses Pilotprojekt nutzte neu entwickelte strahlenbiologische und technische Verfahren. Die Methode ist mittlerweile im klinischen Routinebetrieb am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum HIT im Einsatz, dessen Beschleuniger von der GSI gebaut wurde.


<h2>Die Suche nach neuartigen (Anti-) Materieformen geht weiter</h2>
Viele Fragen zum Aufbau der Materie und zur Evolution des Universums sind noch ungelöst. Für ihre Beantwortung sind leistungsfähigere und präziser arbeitende Beschleuniger und Detektoren nötig, die neuartige exotische Nuklide, Antimaterie und Hypermaterie erzeugen und nachweisen. Mit der Facility for Antiproton and Ion Research (Fair) — entsteht zur Zeit an der GSI ein internationales Beschleunigerzentrum für die Forschung mit Ionen und Antiprotonen. Es ist weltweit eines das größte Forschungsvorhaben für die physikalische Grundlagenforschung. Fair wird im Jahr 2018 in Betrieb gehen.
Eine der zentralen Fragen wird die nach der Entstehung der Elemente im Universum sein. Die Kerne, die schwerer als Eisen sind, entstehen am Ende der Existenz großer Sterne in den Roten Riesen und in gewaltigen Supernova-Explosionen. Alle Atome werden über den Umweg radioaktiver Kerne zu stabilen schweren Kernen. Das Verständnis der Nukleosynthese steht noch am Anfang, die Details der Dynamik sind noch weitgehend ungeklärt. Bei Fair sollen die Kerne, die als radioaktive Zwischenglieder auf dem Weg zu den stabilen Isotopen auftreten, künstlich hergestellt und untersucht werden.
Fair wird Antiprotonen- und Ionenstrahlen mit bisher unerreichter Intensität und Qualität liefern. Herzstück der neuen Anlage wird der supraleitende Synchrotron-Beschleunigerring SIS100 sein. In diesen Ring mit einem Umfang von 1,1 Kilometern werden die zuvor in der GSI-Anlage beschleunigten Ionen eingespeist. Die Primärstrahlen — Ionen stabiler Elemente von Protonen bis Uran — werden auf Energien von 10 Giga-Elektronenvolt beschleunigt, was 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit entspricht.


<h2>Vier Forschungssäulen</h2>
Das Forschungsprogramm von Fair beruht auf vier wissenschaftlichen Säulen:
Atomic Physics, Plasma Physics and Applications (Appa)
Compressed Baryonic Matter (CBM),
Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions (Nustar),
Antiproton Annihilation at Darmstadt (Panda).
Die Experimentreihe Appa umfasst Atomphysik, Plasmaphysik, Materialforschung und die Biophysik. Hier wird Materie unter extremer Dichte, Temperatur und/oder Druck erforscht. Die Erkenntnisse tragen zum Verständnis astrophysikalischer Plasmen bei. Ebenso lassen sich mit der Fair-Anlage biologische Strahlenschäden und Materialmodifikationen durch relativistische Schwerionen untersuchen.
In einer späteren Projektphase werden Präzisionsexperimente mit dem Speicherring NESR möglich sein. Zudem können Ionen und Antiprotonen abgebremst und zur Fair-Experimenthalle transferiert werden. Dies macht eine Vielzahl neuartiger Experimente mit niederenergetischen oder völlig abgebremsten Antiprotonen in Fallen möglich und erlaubt die Erforschung fundamentaler Themen zur Antimaterie.
Das CBM-Experiment untersucht hochkomprimierte baryonische Materie, wie sie im Inneren von Neutronensternen existiert. Hier kann auch erstmals Hyper- und Quarkmaterie gebildet werden.
Die Erforschung von Atomkernen weit entfernt von der Stabilität wird im Rahmen des Nustar-Programms Einblicke in die Nukleosynthese und somit in das Verständnis von der Entstehung der Elemente im Universum gewähren. Die Eigenschaften solcher exotischer Kerne beeinflussen wesentlich die Dynamik explosiver astrophysikalischer Szenarien wie Supernovae, Novae oder Röntgenstrahlausbrüchen. Das Kernstück ist der mehrstufige Fragmentseparator Super-FRS, der auch supraleitende Magnete verwendet. Das macht den Super-FRS zum weltweit leistungsfähigsten System für die Trennung von exotischen Atomkernen bei relativistischen Strahlenergien. Seltene Isotope kann das Super-FRS sauber voneinander trennen.
Da Antiteilchen bei Kontakt mit Materie vernichtet werden, ist es nicht möglich, einen Antiprotonenstahl auf übliche Weise, also als Primärstrahl, zu erzeugen. Die Antiprotonen müssen in einem hochenergetischen Stoß zweier Kerne entstehen. Dazu sind bei Fair hohe Strahlenergien von 30 Giga-Elektronenvolt des Primärstrahls nötig. Dann entsteht bei etwa jedem zehntausendsten Proton, welches das Target trifft, ein Antiproton, so dass mit bis zu 108 Antiprotonen pro Zyklus zu rechnen ist. Viele der geplanten Experimente bei Fair sollen mit einem gespeicherten Antiprotonenstrahl durchgeführt werden. Panda wird mit dieser Antimaterie neue Teilchen produzieren und Aufbau und Struktur dieser Hadronen untersuchen.


<h2>Bauarbeiten haben begonnen</h2>
Schon heute arbeiten etwa 2500 Wissenschaftler in über 40 Ländern an der Planung der Experimentier- und Beschleunigeranlagen. Neun Länder haben am 4. Oktober 2010 ein Abkommen über die Errichtung des Beschleunigerzentrums Fair unterzeichnet, weitere Nationen bauen mit, ohne Eigentümer zu werden.
Seit der Unterzeichnung des völkerrechtlichen Abkommens ist das Projekt vorangeschritten und die ersten der technisch anspruchsvollen Systeme sind beschafft. Am 2. Juli erhielt Fair mit 526 Millionen Euro einen der höchsten Bewilligungsbescheide, den das Bundesministerium für Bildung und Forschung je ausgestellt hat. Die Gesamtkosten von etwa 1,6 Milliarden Euro werden vom Bund, dem Land Hessen und internationalen Partnern getragen. Die Fertigstellung und Inbetriebnahme der Fair-Beschleuniger ist für 2017/2018 vorgesehen. Fair ist dann mit Abstand der weltweit leistungsfähigste Ionenbeschleuniger.


Horst Stöcker ist wissenschaftlicher Geschäftsführer des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. Er war Professor an der Michigan State University und am National Superconducting Cyclotron Laboratory, Michigan, bevor er 1985 eine Professur für theoretische Physik an der Universität Frankfurt erhielt. Seit dem Jahr 2004 hat er dort den Judah-M.-Eisenberg-Lehrstuhl inne. Seit 2008 ist er Vizepräsident der Helmholtz-Gemeinschaft. Seine Forschungsgebiete sind die relativistische Schwerionen- und Elementarteilchenphysik sowie Kernmaterie, Neutronensterne und schwarze Löcher.

Artikel

“Wir brauchen die Experimentalvorlesung”

Überprüfung Ihres Anmeldestatus ...