(Dit artikel is eerder verschenen in de NVOX quantum special, april 2025)
In ons dagelijks leven komt het woord quantum bijna niet voor, in tegenstelling tot reactie, cel, elektriciteit of bacterie. Toch zijn er fenomenen om ons heen met een quantum-achtergrond. Tijd om onderbouwleerlingen daar alvast eens kennis mee te laten maken. Kan dat? Wij zijn ervan overtuigd en gaan als Docent Ontwikkelteam de uitdaging aan. Hieronder alvast een paar voorbeelden.
Planten hebben allerlei kleuren, waarvan we ons zelden vragen waarom dat zo is. Waarvoor dienen de kleuren en waarom verschillen ze? Een bioloog beschrijft hier direct het nut van kleur voor het voortbestaan van de plant, zoals bijvoorbeeld het effect van kleur en zonlicht, of het gebruiken van kleur om insecten aan te trekken die behulpzaam zijn voor de voortplanting. Een scheikundige gaat in op de moleculen die in de plant aanwezig zijn die kleur veroorzaken. Meestal gaat het om caroteen- of chlorofyl-gebaseerde moleculen die het licht van de zon absorberen en reflecteren.
De natuurkundige merkt hier meteen op dat elke plantkleur dus een bepaalde kleur, en daarmee een bepaalde golflengte absorbeert uit zichtbaar licht, en de andere golflengten reflecteert. Een beginpunt voor het quantiseren van licht.
Licht in de onderbouw
In vakken als science, TechNa, (bio)nask of natuurkunde zit vaak een onderdeel over licht. Dit kan gaan over het gebruik van spiegels, het brandpunt, de beeldafstand en de voorwerpsafstand van lenzen, of over de kleuren van licht. Licht is een quantumverschijnsel met bijzondere eigenschappen. Licht breekt in alle kleuren van de regenboog wanneer het door een prisma geleid wordt, waardoor je kunt zien dat licht een golfkarakter heeft. Licht heeft echter ook een deeltjeskarakter – waarvan we zeggen dat licht uit fotonen bestaat – die het rechtlijnig voortplanten verklaart, zodat we mooie strakke lijnen in onze spiegeltekeningen kunnen maken. Beide verschijnselen worden in de onderbouw benoemd, maar het woord quantum komt niet voor. Het verschijnsel dat licht zowel een deeltjes- als een golfkarakter heeft, is een quantumeffect, in dit geval de golf-deeltje dualiteit. Deze toevoeging is in de onderbouw voldoende. Het zaadje voor het bestaan van een belangrijk wetenschapsveld is geplant.
Belang van quantum in de samenleving
Alle leerlingen hebben een mobiele telefoon waarin ze gebruikmaken van de quantumeffecten zonder hier weet van te hebben. ledlampjes hebben massaal hun intrede gedaan, waar juist quantum ervoor zorgt dat we wisten welke golflengte we zochten om de derde kleur (blauw) licht aan de reeds bekende groene en rode led toe te kunnen voegen. Leerlingen die later in een technische omgeving gaan werken, krijgen te maken met quantumeffecten. Denk aan de werking van supergeleiders, van isolatoren waar elektriciteit alleen via de buitenwand kan voortplanten en het maken van nanomaterialen. Deze ontwikkelingen vragen om een basiskennis van hoe de kleinste natuurkundige effecten werken.
Quantum in de les
Het Quantum Delta NL Docent Ontwikkelteam (QDot) van de TU Eindhoven ontwerpt lesbrieven die aansluiten bij standaard onderwerpen in het (Bio)NaSk-, natuurkunde-, science-of technacurriculum van de onderbouw. Een van de lessen gaat bijvoorbeeld over ledlampjes in drie kleuren, rood, groen en blauw. De leerlingen ervaren dat ze, om de lampjes te laten branden, telkens een andere spanning nodig hebben. De docent vraagt de leerlingen om na te denken en op te schrijven waarom dat is. Vervolgens mogen ze in Binas kijken naar de kleuren van de regenboog. Ze zien dat de volgorde van spanning gelijk is aan de volgorde van de kleuren. De docent komt terug op de vraag waarom ieder ledlampje een andere spanning nodig heeft. Leerlingen komen algauw met dat er dan kennelijk maar één waarde is waarbij het licht aan gaat. Licht is gequantiseerd. Quantum is geïntroduceerd.
Andere voorbeelden die uitgewerkt worden in de lesbrieven zijn het benoemen van quantumeffecten bij werken met licht en kleuren, prisma en licht, gebruik maken van spectrofotometers, de werking van zonnecellen, en een lesbrief over quantumcomputers.
de Qdot
De QDot bestaat uit Jan van der Veen, Lesley de Putter en Tim Bouchée, allen (voormalig) natuurkunde leraren en nu werkzaam aan de ESoE – TU Eindhoven samen met Stanley Delhaye, Jan van Brabant College, Helmond en Simon de Groot, IVO Deurne. Het QDot-team is nog op zoek naar docenten uit de onderbouw van bredere bètavakken en vooral vmbo om de lesbrieven ook op deze programma’s goed te kunnen laten aansluiten. Interesse? Email ons! J.T.v.d.Veen@tue.nl
Lesbrieven online en in nascholingen
De quantum lesbrieven komen alle online vrij beschikbaar. De insteek is om de lesbrieven breed inzetbaar te maken door onderwerpen te kiezen die aansluiten op de doelen van de onderbouw. Zo kunnen ze gebruikt worden in alle bètavakken van vmbo tot vwo. Voor de docent is weergegeven welke voorkennis er nodig is bij de leerlingen en hoe de lesbrief past bij de doelen van de onderbouw. Alternatieven voor apparatuur worden aangegeven om ervoor te zorgen dat ook scholen met weinig praktijkmiddelen de lessen kunnen inzetten. In de lesbrieven wordt zoveel mogelijk de koppeling met de belevingswereld van leerlingen gezocht en een link gemaakt met de ontwikkelingen van technologie in onze maatschappij. De activiteiten voor leerlingen hebben een hands-on insteek, zodat ze actief op zoek gaan naar een antwoord. Vanaf september 2025 biedt de QDot-workshops aan voor onderbouwdocenten om de materialen te leren kennen en de koppeling met het eigen programma te kunnen maken.
