Radioaktivität im Unterricht

Transkript

1 Radioaktivität - Bedrohung oder harmloses Naturphänomen 14. Weiterbildungsseminar des Forum Vera 24./25. September 2010 in Konolfingen Radioaktivität im Unterricht Das Philion-Experimentier-Set Henning von Philipsborn, Universität Regensburg Rudolf Geipel, Regenstauf

2 Radioaktivität zum Anfassen Wie behandelt man Radioaktivität im Unterricht? Das Philion-Experimentier-Set

3 Warum Radioaktivität im Physik-Schulunterricht? Ziel der Physik ist, Naturerscheinungen zu beobachten, Beziehungen zwischen Größen messend und mathematisch zu erfassen und verständlich zu machen. Die Radioaktivität eignet sich hierfür im Schulunterricht ganz besonders aus mehreren Gründen. 1. Radioaktivität ist allgegenwärtig und lässt sich einfach beobachten und messend studieren - mit dem Philion-Set und dem passenden Messinstrument. 2. Bei der Radioaktivität sind die Zusammenhänge zwischen Messprobe, Messgerät, Messbedingungen und Messergebnis besonders deutlich und lehrreich. Die Bewertung von Messungen ist kontextbezogen und diskussionsfähig. 3. Radioaktivität ist von größter Bedeutung in Forschung, Medizin und Technik. 4. Die Entdeckung der Radioaktivität und ihre rasche Erforschung in den Jahren markiert mit neuen Erkenntnissen die vier physikalischen Grundbegriffe Raum und Zeit, Materie und Energie den Beginn der Modernen Physik.

4 Die Problematik bisher Experimente im Unterricht waren bisher nur mit künstlichen Radionukliden möglich. Genehmigungen und Nachweis der Fachkunde sind erforderlich. Sie sind nicht für die Hände von Schülern zugelassen damit sind keine eigenverantwortlichen Schülerexperimente möglich. Von Eltern, Lehrern und Schülern werden sie als gefährlich eingestuft. Sie sind sehr teuer in der Anschaffung und im Nachweis und in der Erneuerung der Fachkunde).

5 Präsentation des Philion-Experimentier-Sets Die im Philion-Set verwendeten radioaktiven Präparate sind alle ungefährlich. Es sind natürliche Radionuklide von geringer Aktivität, sicher verpackt und alle weit unterhalb der Freigrenzen der Strahlenschutzverordnung. Das Philion-Set vermittelt für Lehrer und Schüler die Kunst des eigenen Experimentierens mit einfachsten Mitteln/Anordnungen und mit großer Variation von Messbedingungen.

6 Anleitung zum Experimentieren und Messen 1. Messgerät: Zählstatistik, Signifikanz, Kalibrierung, 2. Knopfstrahler: Abstands- und Absorptionsmessungen, 3. Radon-Zerfallsprodukte (Rn-ZP) aus der Luft: elektrostatisch auf Philion-Platte, 4. Radon aus Hundsbühler(HB)-Erde: Adsorption an Aktivkohle, 5. Rn-ZP aus Wasser: Adsorption an Glasfaserfilter.

7 Warum Radon und Radonzerfallsprodukte? Sie sind allgegenwärtig und kurzlebig. Sie sind Alpha-, Beta- und Gammastrahler. Sie werden mit Philion-Platte, Aktivkohle und Glasfaserfilter konzentriert und messbar. Sie sind biologisch und dosimetrisch bedeutsam.

8 Zur Entwicklung Ende der 90er Jahre wurde der Philion-Koffer ( rotes Köfferli ) entwickelt, Beschreibung u.a. in den Physikalischen Blättern in Nr. 9/1999. Der Koffer wurde zum Philion-Experimentier-Set verbessert, die Vorstellung erfolgte auf dem 100. Bundeskongress der MNU (mathematischnaturwissenschaftlicher Unterricht) im Jahr 2009.

9 Die theoretischen Grundlagen Erforderlich sind Kenntnisse im Grundwissen über die Radioaktivität, Sammeln von Radioaktivität, Messen von Radioaktivität und Beurteilen der Messergebnisse, dargestellt in der Schrift Radioaktivität und Strahlungsmessung der beiden Autoren.

10 Das Messgerät Inspector Empfindlich für -, - und -Strahlung Großes Pancake- Endfenster (Ø 45 mm) für empfindliche Messungen Feste Zeit-Einstellungen für integrierende Messungen Anschluss für Computer

11 Kalibrieren des Messgeräts mit KCl In die Öffnung eines Probenhalters wird Kaliumchlorid zwischen Klebfolien eingebettet. Aus der Kenntnis der Aktivität A [Bq K-40] einer abgewogenen Menge KCl und der Impulsrate n [s -1 ] ergibt sich der Kalibrierfaktor k = A n -1.

12 Der Inhalt des Sets

13 Der Uranglasknopf Uranglas ist unbedenklich. Es enthält nur U-238, Th-234 und Pa-234, kein Ra-226 und dessen Folgeprodukte. Durch das harte Glas ist keine Berührungskontamination möglich. Der Knopf ist gegen Verschlucken gesichert. Die Dosis beträgt 0,10 Sv/h direkt auf der Oberfläche, gemessen mit Szintillationsmessgerät Radeye- PRD von Thermo-Fischer.

14 Zertifikat für den Uranglasknopf

15 Abschätzen des Risikos beim Arbeiten mit dem Uranglasknopf Die Dosisleistung beim Arbeiten mit dem Knopf und den dabei auftretenden Abständen beträgt durchschnittlich max. 0,07 Sv/h. Selbst bei sehr vielen Versuchen beträgt die Gesamtdauer nicht mehr als 48 Stunden im Jahr. Damit ergibt sich im Jahr eine maximale Mehrbelastung von 3,36 Sv, das ist eine Erhöhung der Jahresdosis um max. 0,14 %.

16 Experimente mit dem Uranglasknopf Die höhere Impulsrate gegenüber der normalen Umgebung kann bestimmt werden. Mit dem Uranglasknopf kann die Reichweite seiner Strahlung bestimmt werden. Durch Einlegen in Abstandshalter und Auflegen von Abschirmplatten kann die Abschirmung von Strahlung untersucht werden.

17 Radioaktivität aus der Umgebungsluft: Die Philion-Platte

18 Eine kleine Wissenschaft für sich: Das Reiben Die Platte wird an einem Ende zwischen Daumen und Zeigefinger gehalten und auf eine Tischplatte gelegt. Mit der anderen Hand wird unter möglichst hohem Druck der Bereich des Inspector- Messfensters auf der Platte gerieben. Die geriebene Platte wird auf die Stäbe gelegt und der Luft exponiert (5 10 Minuten). Die Platte wird nach dieser Zeit heruntergenommen und mit dem Inspector gemessen.

19 Grundlage für die Versuche: Die Uran- Zerfallsreihe

20 Die physikalisch-chemischen Abläufe: Exposition und Zerfallsprodukte Vorteile gegenüber dem klassischen Experiment mit dem Hochspannungsdraht nach Rutherford: Größere Fläche höhere Feldstärke optimale Messgeometrie völlige Ungefährlichkeit

21 Die Transmutation der Materie

22 Hundsbühler Erde Adsorption von Radon an körnige Aktivkohle oder an Kohlekompretten

23 Zertifikat für Hundsbühler Erde

24 Bestimmung der Halbwertszeit von Radon Adsorption von Radon an Aktivkohle (1 h 3 w) durch Hundsbühler Erde Einschließen in radongas-dichte Folie in der Probenhalterung Messen der Impulsraten für jeweils 10 Minuten zweimal am Tag über 10 Tage lang Auswertung über Excel

25 Auswertung Halbwertszeit Radon

26 Radioaktivität im Trinkwasser, Regenwasser und Schnee Adsorption an Glasfaserfiltern

27 Glasfaserfilter

28 Abklingkurve des Glasfaserfilters

29 Herstellung radioaktiver Flüssigkeiten Adsorption von Radon an eine Kohlecomprette (1 Woche) durch Hundsbühler Erde Kohlecomprette in Wasser oder in Spülalkohol geben, Desorption von Radon Filtrieren der Flüssigkeit über den Büchner-Trichter oder Wischtests mit den Wischtest-Läppchen

30 Synopse des Kreislaufs von Radon: Weitere Quellen für weitere Versuche

31 Viele weitere Versuche Rückstreuung von Betastrahlung an Wolframblech Trennung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung Aufbaukurven bis zum radioaktiven Gleichgewicht Statistischer Charakter der Strahlung und Verteilungskurve und viele weitere

32 Zusammenfassung Alle wesentlichen Grundversuche vorhanden Genehmigungsfrei Keine Fachkunde erforderlich Ungefährlich und für Schülerversuche geeignet Leicht beschaffbare Verbrauchsgegenstände Regt zu eigenen Versuchen an