Selbstgebaute Stickstofflaser und Luftgewehre (Windbüchsen)

Von: Martin Lindenthal

Das letzte Projekt des LK Physik war wohl für alle Schülerinnen und Schüler das spannendste. Vor den Osterferien verteilte der Kurslehrer die Wahlthemen. Zur Auswahl standen, einen LASER selbst zu bauen, der auch noch auf diverse Farben abgestimmt werden konnte, ein Luftgewehr zu bauen, das mit dem umgekehrten Prinzip (Unterdruck) funktionierte, oder eine Ionenfalle zu bauen.

Zwei Gruppen entschieden sich für den Bau des LASERS, vier für die sogenannte Windbüchse.

• Die Funktionsweise des Stickstofflasers: Nach Anlegen einer Hochspannung wird auf die beiden Aluminiumelektroden Ladung transportiert, da diese über einen Widerstand verbunden sind. Bei entsprechend hoher Spannung erfolgt eine Funkenentladung, und der mit der Funkenstrecke direkt verbundene Kondensator kann über den Widerstand entladen werden. Ist der Abstand zwischen den Elektroden genügend klein, so kommt es anstelle der Entladung über den Widerstand zu einer Gasentladung zwischen den Kanten der Elektroden. Dabei werden durch Elektronenstöße die Moleküle des Luftstickstoffs angeregt und eine für die Laseraktivität nötige Besetzungsinversion stellt sich ein. Da der Laser im ultraviolleten Licht emittiert, kann man das Licht durch gebleichtes Papier sichtbar machen, da dieses Papier optische Aufheller besitzt, die in Verbindung mit dem Laserlicht ein bläuliches Leuchten erzeugt. (s. Videoclip).
  
• Zu anderen Wellenlängen gelangt man, wenn man das Laserlicht auf eine mit Farbstoff gefüllte Küvette fallen lässt. Die stimulierte Emission im Farbstofflaser entsteht durch Fluoreszensübergänge in den Farbstoffmolekülen.

Während es beim LASER laut krachend zur Funkenentladung kam, ging es bei der Windbüchse zunächst gar nicht laut zu. Der zuvor als gut und richtig erachtete Aufbau tat nicht das, was man von ihm erwartete, nämlich ein Geschoß (etwa einen Flaschenkorken oder ein Holzzylinder) nach vorne zu schießen. Zur Enttäuschung aller Beteiligten verließ das Geschoß nicht mal das Rohr! Nach intensiver Fehleranalyse kam plötzlich der Durchbruch – die Umleitung eines Schlauches brachte den erwünschten Erfolg. Mit einem lauten Knall verließ der Korken das 2,5 m lange Rohr.

• Die Funktionsweise der Windbüchse: Mit Hilfe einer Vakuumpumpe wird das Rohr, indem das Geschoss steckt evakuiert. Dadurch entsteht zwischen Innenraum und Außenraum ein Druckunterschied von 1,0 bar. Lässt man durch einen Mechanismus plötzlich die Luft einströmen erfährt das Geschoss aufgrund des Druckunterschiedes eine beschleunigende Kraft, die das Geschoß auf über 200 km/h beschleunigen kann.

Fasziniert von diesem Erfolg kam sofort der Gedanke, unter den vier Gruppen einen kleinen Wettbewerb zu veranstalten – Zielwettschießen mit der Windbüchse! Als Flugobjekte dienten diesmal Kartoffelkorken. Den Schülern gelang es so, eine 30 m entfernte Zielscheibe nur 20cm von der Mitte weg zu treffen!

Insgesamt waren diese Projektwochen ein großer Gewinn für alle Schülerinnen und Schüler und entlohnte etwas den leider notwendigen Stress während der ein oder anderen Doppel bzw. Dreifachstunde in der Qualifikationsphase.

Ein kurzes Wort zum Schluss: Dieser Leistungskurs zeichnete sich vor allem durch eine hohe Experimentierfreudigkeit aus. Neues auszuprobieren, offen zu sein für ungewohnte Aufgabenstellungen, Beharrlichkeit und Wettbewerbsfreudigkeit - das waren die Besonderheiten dieser Abiturienten. Von dieser Stelle aus vielen Dank für die schönen 2 Jahre physikalischen Forschens!