Wer ermordete Sir Ernest? Löse das Rätsel mithilfe spektrale Fingerabdrücke Teach article

Übersetzt von Veronika Ebert. Führen Sie Ihre Schülerinnen und Schüler mit Experimenten, die sich auf einen rätselhaften Mord beziehen, an akustische und optische Spektren heran.

Diese Sammlung forensischer Untersuchungen zeigt die Möglichkeiten der Spektralanalyse und die Verbindung zwischen akustischen und optischen Spektren auf. Beim ersten Experiment nutzen die Schüler/innen Geräusche zur Suche nach einem Mörder, sie analysieren dabei akustische spektrale Fingerabdrücke um den Mörder anhand seines Weinglases zu identifizieren. Im zweiten Experiment führen die Schülerdetektive Flammenfärbungsexperimente mit einzelnen Metallionen und – verbindungen durch und untersuchen optische Spektren. Im dritten Experiment verändern die Schüler/innen die an eine Leuchtdiode (LED) angelegte Spannung, um den Zusammenhang zwischen Photonen und Spektralfarben zu verstehen. Zum Schluss werden die drei Experimente in Form eines Posters zusammengeführt.

Die Experimente eignen sich für 14-16-jährige Schüler/innen. Es werden leicht erhältliche Gerätschaften aus dem Laborbereich und dem Haushalt verwendet. Die drei Experimente inklusive der Posterpräsentation erfordern nicht mehr als drei Stunden Zeit.

Experiment 1: Akustische Spektren

In einer grandiosen Ballnacht wird der Gastgeber, Sir Ernest ermordert. Nun liegt es an den Schüler/innen, durch Verwendung akustischer Fingerabdrücke den Mörder zu finden.

Die Suche nach dem Mörder beginnt mit einem Video ^w1 (Abbildung 2). Sir Ernest begrüßt seinen ersten Gast – „Schön, Sie zu sehen, Sir Darcy“, die beiden stoßen mit einem Glas Wein an. Diese Szene wiederholt sich mit zwei weiteren Gästen, Sir Benett und Sir Bingley, wobei bei jedem der Klang eines ganz bestimmten Glases ertönt. Statt je einem Glas eines Gastes mit Sir Ernests Glas anzustoßen, wurde für das jeweilige Glas bei der Herstellung des Videos vorsichtig mit einem Hammer angeschlagen. Diese Methode erzeugte einen eindeutigen Klang für jedes Glas, der nicht durch den Klang von Sir Ernests Glas gestört worden ist.

Es folgt die Szene der Ermordung, bei der sich Sir Ernest mit einem der drei Gäste unterhält, ohne dessen Namen zu nennen. Die beiden Männer stoßen erneut mit ihren Gläsern an, bevor der Mörder ein Messer zieht und Sir Ernest ermordet. Dieses Mal kommt der Klang tatsächlich von beiden Weingläsern, jenem des Mörders und dem von Sir Ernest.

Jetzt können die jungen Detektive mit der Lösung des Rätsels zu beginnen. Die nachfolgenden drei Experimente dieses Artikels können den Fähigkeiten entsprechend unterschiedlichen Schülergruppen zugeordnet werden. Am Ende der Stunde sollen alle Gruppen ihre Ergebnisse der Klasse in Form eines Posters präsentieren.

a) Abgleich der akustischen Spektren

In diesem Teil des Experiments nutzen die Schüler/innen Audiosoftware um den charakteristischen Klang des Glases jedes Gastes zu analysieren und den Mörder durch den Vergleich der akustischen Spektren zu identifizieren. Dauer etwa 45 Minuten.

Materialien

• Computer mit der Software Audacity oder einer anderen Audiosoftware ^w1
• Audiofiles der Mordszene ^w2

Durchführung

Arbeitsauftrag für die Schüler/innen:

1. Verwendet die Audiosoftware zur Analyse der vier Audiofiles (Sir Darcys Glas, Sir Bingleys Glas, Sir Bennets Glas und die Mordszene). Für jedes File soll ein akustisches Spektrum erstellt werden: Ein Diagramm, bei der die Frequenz (in Hertz) gegen die relative Lautstärke, wie sie vom menschlichen Ohr wahrgenommen wird (in A-bewerteten Dezibel, oder dB(A)), aufgetragen wird. Unter Verwendung des akustischen Spektrums soll das Einzelspektrum des Mörders in dem Spektrum der Mordszene gefunden werden.
2. Vergleicht diese Spektren (Abbildung 3 und 4), um den Mörder zu finden: das Spektrum des Glases des Mörders ähnelt dem Spektrum der Mordszene.

Eine Anleitung zur Verwendung von Audacity können von einer eigenen Materialseite heruntergeladen werden ^w2.

b) Smartphone-Spektren

Die Schüler/innen analysieren mit Smartphones die charakteristischen Klänge der verschiedenen Gläser. Dauer etwa 30 Minuten.

Materialien

• Eine Auswahl verschiedener Arten von Gläsern (z.B. Wein-, Champagner-, Wassergläser)
• Hammer (oder ein anderes Werkzeug, mit dem auf die Gläser geschlagen werden kann)
• Smartphone mit einer Frequenzanalyse-App ^w3
• Papier und Bleistift

Durchführung

Arbeitsauftrag für die Schüler/innen:

1. Schlage mit dem Hammer vorsichtig auf jedes Glas. Verwende die Smartphone App um das akustische Spektrum jedes Glases aufzunehmen.
2. Notiere die Frequenzen der am besten erkennbaren Peaks für jedes Glas.
3. Skizziere mit Papier und Bleistift das Spektrum unter Verwendung der aufgezeichneten Werte in deiner Tabelle (Frequenz gegen Amplitude) jedes Glases.

Alternativ können die Schüler/innen die Audioaufzeichnungen des Mordvideos analysieren und die Spektren skizzieren.

c) Variation des Füllstands

Im letzten Teil des Experiments verwenden die Schüler/innen ihre Smartphoes um die Auswirkung des Füllstands eines Glases auf die Tonhöhe festzustellen, das beim Anschlagen eines Glases mit dem Hammer entsteht. Dauer etwa 30 Minuten.

Materialien

• Mindestens fünf idente Weingläser
• Hammer (oder ein anderes Gerät, mit dem auf das Glas angeschlagen werden kann)
• Smartphone mit Tuner App ^w4
• Wasser
• Messzylinder (oder ein anderes Gerät zur Volumsmessung von Wasser)

Durchführung

Arbeitsauftrag für die Schüler/innen:

1. Gieße in jedes Glas ein unterschiedliches Volumen Wasser und notieren die jeweilige Menge.
2. Schlage auf jedes Glas vorsichtig mit dem Hammer. Verwendet die Smartphone App um die Frequenz des entstehenden Klangs auftzuzeichnen.
3. Stelle die Ergebnisse graphisch dar, z.B. als Histogramm (Abbildung 5).

Experiment 2: Chemische Detektive

Nicht nur dass Sir Bingley als Mörder beschuldigt wird, es wird auch noch zusätzlich die Lebensmittelhygiene in seinem Haus, Netherfield Hall gezweifelt!

Nach dem Abendessen bestreut ein Gast namens Hr. Wickham die Überreste des Huhns auf seinem Teller mit Lithiumchlorid (LiCl). Am nächsten Tag werden ihm und seiner Frau Hühnersuppe serviert. Hr. Wickham taucht ein Magnesiastäbchen in die Suppe und hält es in die Flamme eines Alkoholbrenners. Dabei ändert sich die Farbe der Flamme auf rot. Was sagt ihm das?

In diesem Experiment beobachten die Schüler/innen spektrale Emissionslinien verschiedener Kationen in einem Flammenfärbungs-Experiment. Dadurch bestimmen die Schüler/innen die Zusammensetzung zweier beiden Mischungen. Das Experiment dauert etwa 30 Minuten.

Materialien

Jede Schülergruppe benötigt:

• Bunsenbrenner
• Stativ und Stativklammern
• Zange
• Magnesiumoxid(MgO)-Stab
• Tüpfelplatte
• Handspektrometer
• Schutzbrillen
• 5 ml 0,1 mol/l Salzsäure in einer kleinen Porzellanschale
• In einer Tüpfelplatte je eine Spatelspitze von:
  • Natriumchlorid (NaCl)
  • Calciumcarbonat (CaCO₃)
  • Lithiumchlorid (LiCl)
  • Kaliumchlorid (KCl)
  • Mischung 1 (NaCl and CaCO₃)
  • Mischung 2 (LiCl and KCl)

Mischung 1 sollte in der Reibschale fein zermahlen werden damit die Schüler/innen die Inhaltsstoffe nicht erkennen können. Bereiten Sie die Mischung unmittelbar vor der Stunde vor, weil Calciumcarbonat hygroskopisch ist.

Durchführung

Arbeitsauftrag für die Schüler/innen:

1. Halte den Magnesiastab in die Bunsenbrennerflamme bis sich die Flammenfarbe nicht mehr ändert.
2. Tauche den Stab zuerst in die Salzsäure und dann in die bekannten Metallsalze (LiCl, NaCl, KCl or CaCO₃) in der Tüpfelplatte. Halte den Stab in die heißeste Zone der Flamme. Notiere die Farbe der entstehenden Flammenfärbung und beobachte sie mit dem Spektrometer.
3. Sobald die Flamme wieder ihre normale Farbe angenommne hat, wiederhole den Test mit einem anderen Salz, solange bis alle vier getestet worden sind.
4. Notiere die dabei enstehenden Farben und spektralen Emissionslinien für jedes Kation (Li⁺, Na⁺, K⁺ und Ca²⁺; siehe Abbildung 6).
5. Wiederhole die Flammenfärbung mit Mischung 1 und 2. Vergleiche die Ergebnisse mit den vorangegangenen Daten und bestimme die Kationen in den beiden Mischungen.
6. Den an die Geschichte, mit der dieses Experiment eingeleitet worden ist. Was wollte Hr. Wickham testen? Wie wahrscheinlich ist es, dass er durch dieses Experiement verlässliche Ergebnisse erhält, wenn er kein Spektrometer verwendet?

Experiment 3: LEDs und zugehörige Spannungen

Bei diesem Experiment wird das Thema der Spektralfarben weiter bearbeitet. Die Schülerinnen und Schüler bestimmen die für den Betrieb der färbigen Leuchtdioden erforderliche Energie mir folgender Gleichung:

Energie E = Spannung (V) x Ladung (Q)

LEDs werden durch Verbindung zweier dotierter Halbleitermaterialen erzeugt, eines davon hat einen Elektronenüberschuss, das andere einen Elektronenmangel (André & André, 2014). Wenn elektrischer Strom über diese Verbindung geleitet wird, setzt die Wiedervereinigung der Elektronen Energie in Form von Photonen frei. Jede Leuchtdiodenfarbe hat eine unterschiedliche Schwellenspannung, bei der die Photonen freigesetzt werden; die Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Halbleiters verändert daher die Farbe. Alternativ können die Schüler und Schülerinnen auch spektrale Emissionslinien anderer Lichtquellen vergleichen. Das Experiment dauert etwa 30 Minuten.

Materialien

• LEDs mit verschiedenen Farben und optional auch andere Lichtquellen
• Netzgerät mit Strombegrenzung (Rheostat)
• Multimeter (für Spannungsmessungen)
• Spektrometer

Durchführung

Arbeitsanleitung für die Schüler/innen:

1. Baue einen Stromkreis, bei dem das Multimeter zur Messung der an der LED anliegenden Spannung parallel geschaltet wird. Die angelegte Spannung kann mit dem Rheostaten variiert werden.
2. Steigere die Spannung des Netzgeräts für jede LED in kleinen Schritten (z.B. 0,05 V) bis genügend Spannung an der LED anliegt, um sie zum Leuchten zu bringen. Die Schülerinnen und Schüler sollten nicht mehr als 3,5 V an den Stromkreis anlegen.
3. Verwende das Multimeter um die Spannung, die direkt an der LED anliegt, zu messen. Notiere die minimale Spannung, die zum Leuchten der LED führt.
4. Verwende das Spektrometer um die spektralen Emissionslinien jeder LED aufzuzeichnen (Abbildung 7). Wenn gewünscht, kann dieses Spektrum mit jenem anderer Lichtquellen verglichen werden (z.B. Deckenlampe, Licht des Bunsenbrenners).

Posterpräsentation

Ermutigen Sie die Schülerinnen und Schüler bei ihrer Posterpräsentation vor der Klasse die Aussage und die Zusammenhänge der drei Experimente zu berücksichtigen, um das Potential der Spektralanalyse herauszuarbeiten. Akustische Spektren können als Fingerabdruck (z.B. für ein Weinglas) ganz ähnlich wie Lichtspektren genutzt werden, um Atome zu identifizieren. Besonders berücksichtigt werden sollten folgende Fragen:

• Hätten sie den Mörder identifizieren können, wenn er nach dem Anstoßen mit Sir Ernest daraus getrunken hätte?
• Warum hätte die Veränderung des Wasservolumens in einem Glas den Klang verändert?
• Wie kann man unter Verwendung zweier Spektren das Glas mit höherem Füllstand erkennen?
• Was hat Hr. Wickham mit dem Huhn in der Netherfield Halle getestet, und warum?
• Welchen Zusammenhang gibt es zwischen den Emissionslinien und dem Energieniveau der beteiligten Atome?
• Welchen Zusammenhang gibt es zwischen der Spannung und der Farbe der LED?

Danksagung

Der Artikel basiert auf einem Projekt, das beim deutschen Science on Stage Festival 2016 präsentiert worden ist. Science on Stage ^w5 ist ein Netzwerk europäischer Lehrkräfte aus den Fachbereichen Naturwissenschaften, Technik,  Ingenieurwissenschaften und Mathematik (STEM) und wurde 1999 von EIROforum gegründet, dem Herausgeber von Science in School. Die Non-Profit-Organisation Science on Stage versammelt Naturwissenschaftslehrkräfte aus ganz Europa damit sie ihre Unterrichtsideen und Best Practice-Beispiele mit enthusiastischen Kolleginnen und Kollegen aus 25 Ländern auszutauschen können.