Abitur Bayern Physik 2026 · LK · Leuchtende Lebewesen

1 Leuchtende Lebewesen

Es gibt Lebewesen, wie zum Beispiel Leuchtkäfer (Glühwürmchen), die sichtbares Licht aussenden können.

Leuchtkäfer senden Licht aus, das wir als grün wahrnehmen.

Material 1: Verschiedene Emissionsspektren

a)

Begründen Sie, dass nur eines der drei Spektren in Abbildung 1 (M 1) zum Leuchten des Leuchtkäfers passen kann. [3 BE]

b)

Berechnen Sie für das in Aufgabenteil 1a gewählte Spektrum die Frequenz und die Energie in eV der Photonen mit maximaler Intensität (M 1). [4 BE]

eV

2 Der Leuchtkäfer kann auch im Dunkeln leuchten

Material 2: Fluoreszenz, Chemilumineszenz und Phosphoreszenz

Es gibt drei unterschiedliche Prozesse, bei denen Licht emittiert wird.

Fluoreszenz: · Chemilumineszenz:

Bei der Fluoreszenz findet eine optische Anregung statt. Nahezu unmittelbar nach der Anregung kommt es zu einem oder mehreren Übergängen auf einen Zustand niedrigerer Energie, wobei die freiwerdende Energie in Form von Licht abgegeben wird. · Bei der Chemilumineszenz findet eine Anregung durch chemische Reaktionen statt. Nahezu unmittelbar nach der Anregung wird beim Übergang in einen energetisch niedrigeren Zustand die freiwerdende Energie in Form vom Licht abgegeben.

a)

Begründen Sie: Einer der in Material 2 geschilderten Prozesse liefert keinen möglichen Erklärungsansatz für das Leuchten im Dunkeln. [2 BE]

b)

Beschreiben Sie den Vorgang der Phosphoreszenz unter Nutzung von Abbildung 2 (M 2). [3 BE]

c)

Skizzieren Sie beispielhaft ein mit passenden Energiewerten beschriftetes Energieniveauschema in Anlehnung an Material 2 für einen Stoff, dessen Fluoreszenz in zwei verschiedenen Wellenlängen im sichtbaren Bereich auftreten könnte. Gehen Sie dabei von 0 eV im Grundniveau aus. [5 BE]

Aufgabe 3

Das grünliche Licht eines Leuchtkäfers wird durch den Stoff Firefly-Luciferin erzeugt. Die Abbildungen 3 und 4 (M 4) zeigen das Emissions- bzw. das Absorptionsspektrum von Firefly-Luciferin.

Material 3: Emission und Absorption von Firefly-Luciferin

Materialliste:

Spektrometer (Messgerät, das ein Diagramm wie Abbildung 3 oder 4 entsprechend dem in das Spektrometer eindringenden Licht liefert)

Gelöstes Firefly-Luciferin, das sich in einer zum Leuchten anregenden Lösung befindet.

Lichtquelle mit einer einstellbaren Wellenlänge im Bereich von 350 nm bis 800 nm

Farbfilter im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 800 nm

Polychromatische Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum von 350 nm bis 800 nm

Material 4: Gemessenes Emissions- und Absorptionsspektrum von Firefly-Luciferin

a)

Planen Sie mit Hilfe der Materialliste (M 3) jeweils ein geeignetes Experiment, mit dem sich das Emissionsspektrum (Abb. 3, M 4) und das Absorptionsspektrum (Abb. 4, M 4) aufnehmen ließen.

Hinweise: Zu Ihrer Planung gehören eine beschriftete Skizze für den Aufbau und die Beschreibung der Durchführung des Experiments. Wählen Sie dazu aus der Materialliste (M 3) geeignete Versuchsmaterialien aus. [5 BE]

b)

Stellen Sie anhand von Material 4 eine Hypothese auf, welche der Prozesse aus Material 2 als Ursache dafür in Frage kommen könnten, dass Firefly-Luciferin im Dunkeln leuchtet. [4 BE]

Material 5: Modell des linearen Potenzialtopfes

Für manche Farbstoffe ist eine Berechnung der Farbe mit Hilfe der Modellierung als linearer Potenzialtopf bei bekannter Molekülstruktur möglich. Dazu wird das Molekül als linearer Potenzialtopf betrachtet, in dem sich eine gewisse Anzahl von frei beweglichen Elektronen befindet. Ein Molekül des Firefly-Luciferins wird auf Grund des Molekülaufbaus als Potenzialtopf der Länge $L = 1{,}6\text{ nm}$ mit 10 freien Elektronen modelliert.

Bei der Modellierung ist zu beachten, dass dabei die Energiestufen nacheinander mit Elektronen aufgefüllt werden. Nach dem Pauli-Prinzip werden sich nicht mehr als zwei Elektronen auf der gleichen Energiestufe befinden.

Weiterhin ist zu beachten, dass in diesem Modell die Emission von Licht im Wesentlichen beim Übergang vom ersten angeregten Energieniveau in den energetischen Grundzustand des Moleküls erfolgt.

4 Für eine weitergehende Untersuchung soll ein Modell für das Firefly-Luciferin theoretisch überprüft werden (M 5).

a)

Begründen Sie anhand einer Rechnung, dass das Modell des linearen Potenzialtopfes keine exakte Vorhersage der grünen Farbe liefert. [6 BE]

b)

Geben Sie einen möglichen Grund an, warum das Firefly-Luciferin-Molekül nicht durch das Modell des linearen Potenzialtopfes beschrieben werden kann (M 5). [3 BE]

Verschiedene Forschungsgruppen arbeiten an der Entwicklung von selbstleuchtenden Bäumen.

Material 6: Leuchtende Bäume als Straßenlaternen

Leuchtende Bäume könnten Straßenlaternen ersetzen und so den Stromkonsum verringern. Mit Chemilumineszenz wollen Forschende dafür sorgen, dass Bäume in Zukunft nachts unsere Straßen, Gehwege und Plätze beleuchten. Die jährliche elektrische Energie, die Städte und Gemeinden weltweit für ihre Beleuchtung aufwenden, beträgt 2 TWh.

Dazu sagt der Biologe Robin Axt von der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg: „Theoretisch möglich, ja – praktisch auch. In den letzten Jahrzehnten haben einige Forscherteams das Thema angegangen: Können wir Pflanzen zum Leuchten bringen? Und das ist tatsächlich möglich." Das Ziel seines Forschungsprojekts ist eine „sehende" Pflanze, die weiß, wann es dunkel wird und wann sie zu leuchten hat. Diese Fähigkeit verleihen ihr die Gene der Glühwürmchen. „Ein Gen ist ja eine Bedienungsanleitung. Und diese Glühwürmchen-Gene schneiden wir heraus, bringen sie in einen anderen Organismus und schauen, ob das funktioniert."

Bewerten Sie einen möglichen Einsatz solcher Bäume als Straßenbeleuchtung auf Basis dreier möglicher Folgen dieser Entscheidung.