Angewandte Fachdidaktik II WS05/05. Seminarvortrag zum Thema. Radioaktivität. Sebastian Lippert

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1 Angewandte Fachdidaktik II WS05/05 Seminarvortrag zum Thema Radioaktivität Sebastian Lippert a) Erläutern Sie die didaktische Bedeutung von Modellen im Physikunterricht! Um komplexe physikalische Systeme zu beschreiben, bedarf es einer Reduktion in Form eines Modells. Modelle sind folgerndermaßen definiert: Ein Modell M ist ein von einem Subjekt für bestimmte Zwecke benutzter oder geschaffener Gegenstand oder ein theoretisches Konstrukt M der Art, dass bestimmte Elemente von M Entsprechungen in dem zu erklärenden (beschreibenden) Objekt O besitzen. Im Physikunterricht haben Modelle verschiedene Funktionen: Funktion der Erkenntnisgewinnung (durch Erklärung eines Modells) Funktion der Prognose (durch Kenntnis des Modellverhaltens) Funktion der Lernökonomie (durch Auswahl einer geeigneten Elementarisierungsstufe bei der Modellbildung Die Natur wird sozusagen durch das Modell erklärt, es können damit auch Vorraussagen über die Änderungen des Modellobjekts getroffen werden. Begrenzt ist diese Möglichkeit jedoch dadurch, dass diese Vorraussagen nur für einen bestimmte Bereich unter Vernachlässigung bestimmter Eigenschaften des Modellobjekts gelten. Modelle sind somit in gewisser Hinsicht ungenau. Diese Grenzen der Erkenntnisgewinnung sollten aber im Unterricht ebenso thematisiert werden. In ein Modell können viele einzelne Sachverhalte integriert und für den Schüler verständlich miteinander verknüpft werden, das Vorstellungsvermögen trägt also dazu bei, die Informationen besser aufzunehmen. Um die Schüler aber nicht mit dem Modell zu überfordern, ist auf die Vorkenntnisse und Vorerfahrungen (z.b. Im Alltag) zu achten. Speziell in der Atom- und Kernphysik ist man auf Modellvorstellungen angewiesen, da Atome jenseits der direkten sinnlichen Wahrnehmung existieren 1b) Wie erklären Sie in einer zehnten Jahrgangsstufe mit einem einfachen Modell die Stabilität von Atomkernen? Das ideale Modell wäre der Potentialtopf. Da dies allerdings ein größeres Vorwissen der Schüler vorraussetzen würde, muss man das Modell etwas vereinfachen. Nähert sich ein Nukleon (hier von links) einem Atomkern, so erfährt es in einigem Abstand aufgrund seiner Neutralität keine Anziehungskraft, das Potential ist waagrecht.gelangt es an den scharf begrenzten Kernrand, wird schlagartig die starke anziehende Kernkraft wirksam und das

2 Potential fällt schlagartig ab. Im Kerninneren wirkt auf das Nukleon von jeder Seite die gleiche Kraft, das Potential verläuft also wieder waagrecht. Bei der Annäherung eines Protons an den Kern verspürt dies die langreichweitige, abstoßende Kraft der Kernprotonen. Erst in Kernnähe wird die abstoßende Coulombkraft (~ 1/r) von der Kernkraft überwogen. Um es zu vereinfachen sollte man dem Schüler nur erklären, dass sich die Protonen zwar wegen der Coulombkraft abstoßen würden, auf kurze Entfernungen (2, m) aber die starke Kernkraft überwiegt. 2) Nehmen Sie Stellung zur Frage: Warum soll der radioaktive Zerfall im Unterricht thematisiert werden? Auch wenn sich Radioaktivität der direkten Wahrnehmung entzieht, ist sie jedoch im Alltag der Schüler stets präsent. In letzter Zeit findet man in populärwissenschaftliche Magazinen immer wieder Diskussionen über das Alter von Ötzi, einer Gletschermumie der ausgehenden Jungsteinzeit. Dessen Alter wurde wiederholt mit der Radiokarbon- oder 'C14'-Methode bestimmt. 14 C ist ein radioaktives, ionisiertes Kohlenstoffisotop, das in der Atmosphäre und somit in jedem Körper im Verhältnis von 1:10 12 zum normalen Kohlenstoff 12 C existiert. Es entsteht durch Ionisierung durch Höhenstrahlung von 14 N. Nach dem Tod zerfällt es mit der Halbwertszeit von 5730 Jahren wieder zu 14 N. Durch das Verhältnis 14 C : 12 C lässt sich das Alter von bis zu Jahren alten Proben realtiv genau bestimmen (sofern sie nicht verunreinigt sind). Die Radiokarbonmethode findet auch in der Anthropologie und der Kunstgeschichte Anwendung zur Altersbestimmung. Sogar in unserem Grund- bzw Trinkwasser finden sich radioaktive Isotope. Zu nennen sind hier Tritium, Kalium-40 und Radon (das aus Gestein entweicht und sich im Wasser löst). Die

3 Konzentrationen bzw. Aktivitäten sind hier aber als vernachläsigbar anzusehen, Radonwerte unter 100 Bq/l gelten bei Ingestion (Aufnahme über Nahrung) als unbedenklich. Radium kann ausgewaschen werden, wenn das Grundwasser in direktem Kontakt zu radioaktiven Lagerstätten bzw. Uran- oder Thorium-haltigem Gestein steht. Radium-226 ist ein Alpha-Strahler und wird in die Knochensubstanz eingebaut. Die Konzentration von Radium-226 in Trinkwasser sollte deshalb 0,04 Bq/l nicht überschreiten. Eine vom Bundesamt für Strahlenschutz in den vergangenen Jahren veranlasste Untersuchung von 2100 Trinkwasserproben auf den Gehalt von Radon-222 führte zu folgendem Ergebnis: Im Durchschnitt liegt die Belastung mit dem natürlich vorkommenden radioaktiven Edelgas bei 6 Bq/l. Rund 7 % des deutschen Trinkwassers weist eine Radon-Belastung von mehr als 100 Bq/l auf. Eine Probe aus einem Brunnen im Fichtelgebirge lag über 1000 Bq/l. Einen gesetzlich verbindlichen Grenzwert für Radon im Trinkwasser gibt es nicht. Die aktuelle Empfehlung der Strahlenschutzkommission (SSK) vom Dezember 2003 sieht einen Wert von 100 Bq/l für Radon im Trinkwasser vor, bei dessen Überschreitung die Durchführung von Gegenmaßnahmen geprüft werden soll. Auch fast 20 Jahre nach dem GAU von Tschnobyl sind heimische Wildpilze und -tiere noch mit Cs-137 belastet, genauere Erläuterungen dazu in Aufgabe 4c). 3) Skizzieren Sie eine Unterrichtseinheit zum Thema "Radioaktiver Zerfall", bei der für Experimente keine radioaktiven Präparate zur Verfügung stehen! Gehen Sie insbesondere auf Lernvoraussetzungen und Feinziele ein! Lernvorraussetzungen: Die Schüler sollten: den Aufbau von Atomen und Atomkernen aus Neutronen, Protonen und Elektronen kennen grundlegende Kenntnisse der Chemie bezüglich der Elemente und des Periodensystems haben die Exponentialfunktion kennen Grobziel: Die Schüler sollen den radioaktiven Zerfall kennen. Dazu gehören die Begriffe Halbwertszeit und die Aktivität. Ferner sollte ihnen das Zerfallsgesetz bekannt sein. Feinziele: Die Schüler sollen: FZ1: die verschiedenen Arten von Radioaktivität kennen FZ2: wissen woraus die einzelnen Strahlungsarten bestehen FZ3: den Begriff Aktivität zur Beschreibung der Stärke einer Quelle kennen FZ4: das Geiger-Müller-Zählrohr und seine Funktion kennen FZ4: den Begriff Halbwertszeit kennen und wissen was er bedeutet FZ5: Halbwertszeiten von einigen Stoffen kennen

4 Artikulation UR-Verhalten Lehrform Sozialform Medien Motivation Problemfrage Erarbeitung, FZ1+FZ2 Erarbeitung, Sicherung FZ1+2 Erarbeitung FZ3+4 Sicherung FZ3+4 Versuchsplan ung, Durchführung Erarbeitung, Sicherung FZ4 Versuchsaus wertung Sicherungg FZ5 L bringt Zeitungsartikel über Demo gegen Castortransport mit L: Warum demonstrieren die Menschen dagegen? S: Weil das radioaktiver Atommüll ist L: Was bedeutet Radioaktivität? S: Das Material sendet Strahlung aus L: Was ist diese Strahlung und wo kommt sie her? L teilt AB1 aus und bearbeitet es mit der Klasse mithilfe des Wissens aus der Chemie L: Wir haben also gesehen dass Atome eines Stoffes zerfallen können und ein anderes Element entsteht. Wie könnte man also die Stärke der Radioaktivität bestimmen? S diskutieren S: Man könnte messen wie schnell er zerfällt L zeigt Geiger-Müller-Zählrohr und erklärt kurz die Funktion, dass es beim Auftreffen eines α- oder β-teilchens kurz knackt HE1 L: Den Zerfall kann man auch simulieren L teilt Klasse in 10 Gruppen ein, jede bekommt 10 Würfel (idealerweise von zu Hause mitgebracht) TA1/HE2 L sammelt Ergebnisse der Gruppen und addiert die Anzahl der verbliebenen Würfel in Tabelle an der Tafel, trägt Ergebnis in ein T-N-Diagramm ein, dies wird ins Heft übertragen. L: In dieser Kurve kann man nun sehen nach welcher Zeit die Hälfte der Würfel bzw Atome zerfallen ist. Diese Zeit nennt man Halbwertszeit. HE3 erarbeitend UR- Gespräch fragend fragend UR- Gespräch UR- Gespräch erarbeitend S-Versuch Gruppenarbe it Folie AB He1 TA1 HE2 Tafel HE3 HE1: Trifft ein α- oder β-teilchen auf den Detektor des Geiger-Müller-Zählers, so gibt er ein Knacken von sich und zeigt auf einer Skala die Treffer (Impulse) pro Sekunde an. Diese Messgröße heißt Aktivität des radioaktiven Materials und gibt an, wie viele Zerfälle pro Sekunde stattfinden. Wenn pro Sekunde Atome in der Probe radioaktiv zerfallen, so hat man eine Aktivität von 1 Curie (1 C).

5 TA1/HE2 Simulation des radioaktiven Zerfalls mit dem Würfelmodell Alle 10 Würfel werden geworfen. Die Sechsen stellen die zerfallenen Atome dar und werden zur Seite gelegt, die Anzahl der restlichen Würfel notiert. Dies wird so lange wiederholt, bis alle Würfel zerfallen sind. Anzahl der Würfe: T Anzahl der verbliebenen ( radioaktiven ) Würfel: N HE3 Die Halbwertszeit ist ist ein Maß für die Dauer der radioaktiven Strahlung. Sie ist für jeden radioaktiven Stoff eine charakteristische Größe und gibt an, wieviel Zeit vergeht, bis die Hälfte der Substanz zerfallen ist. Hat man eine bestimmte Menge eines radioaktiven Stoffes, so klingt seine Aktivität im laufe der Zeit ab. Bei Stoffen mit sehr kleiner Halbwertszeit geht das sehr schnell, bei sehr großer Halbwertszeit sehr langsam. Innerhalb einer Halbwertszeit sinkt die Aktivität auf die Hälfte. einige Halbwertszeiten: Uran ( 238 U): 4,5. Mrd. Jahre Kohlenstoff ( 14 C): 5730 Jahre Thorium ( 223 Th): 0,9 Sekunden 4a) Erläutern Sie die Begriffe"physikalische" und"biologische" Halbwertszeit! Die physikalische Halbwertszeit ist in der Kernphysik diejenige Zeitspanne, die statistisch gesehen verstreicht, bis die Menge eines bestimmten radioaktiven Nuklids auf die Hälfte gesunken ist, das heißt sich in andere Atome umgewandelt hat. Für jedes Nuklid ist die Halbwertszeit eine Konstante. Es sei ein radioaktives Präparat mit N 0 Kernen; zum Zeitpunkt t=0 ist noch keiner der Kerne zerfallen. Hierbei ist die Geschwindigkeit der Abnahme durch die Zerfallskonstante λ bestimmt. Sie ist das Reziproke der Lebensdauer τ = 1 / λ. Beim radioaktiven Zerfall sind also nach der Zeit t von N 0 Ausgangskernen noch N übrig.

6 Halbwertszeiten einiger radioaktive Nuklide: Uran ( 238 U): 4,5. Mrd. Jahre Plutonium ( 239 Pu): Jahre Kohlenstoff ( 14 C): 5730 Jahre Tritium ( 3 H): 12,36 Jahre Radium ( 236 Ra): 1622 Jahre Radon ( 222 Rn): 3,8 Tage Anwendung bei der Radiokarbonmethode: Der Balken eines historischen Gebäudes habe noch 90% des ursprünglichen Gleichgewichtsanteils an 14 C in frischer Pflanzenmasse. Dann gilt für die verstrichene Zerfallszeit: Das bedeutet, dass der Baum, aus dem der Balken gemacht wurde, vor etwa 871 Jahren geschlagen worden ist. Die biologische Halbwertszeit bezeichnet im speziellen die Zeitspanne t 1/2, in welcher in einem biologischen Organismus (Mensch, Tier, Pflanze, Einzeller) der Gehalt einer inkorporierten radioaktiven, toxischen oder pharmazeutischen Substanz durch biologische oder physikalische Prozesse (Stoffwechsel, Ausscheidung, radioaktiver Zerfall, etc.) auf die Hälfte abgesunken ist. In der Pharmakokinetik bezeichnet man als Halbwertszeit die Zeit, in der die Hälfte des aufgenommenen Arzneimittels verstoffwechselt und/oder ausgeschieden ist. Da sich die biologische Halbwertzeit aus verschiedenen Prozessen zusammensetz, die teilweise unterschiedliche Konzentrationsabhängigkeiten besitzen, ist sie nicht immer unabhängig von der Ausgangskonzentration des untersuchten Stoffes. Diese Halbwertszeit muss auch bei der Verabreichung von Narkotika in der Anästhesie beachtet werden. b) Erklären Sie die Quellen der natürlichen Radioaktivität! Bei den natürlichen Quellen ionisierender Strahlung unterscheidet man zwischen kosmischen und terrestrischen Strahlungsanteilen. Die kosmische Strahlung, die aus dem Weltall auf die Lufthülle der Erde trifft, besteht zunächst überwiegend aus Protonen sowie aus Heliumkernen. Beim Zusammenprall mit Luft-Molekülen entsteht eine Reihe weiterer Komponenten, die als kosmische Sekundärstrahlung die Erdoberfläche erreichen. Ihre Intensität hängt überwiegend von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Die kosmische Strahlung ist vor allem durch die bemannte Raumfahrt zu einem Begriff geworden, spielt aber auch im Flugverkehr eine Rolle. In 12000m Höhe (Flugverkehr) ist man einer Dosis von ca. 5 msv/h ausgesetzt.

7 Den bedeutenderen Beitrag zur natürlichen Strahlenexposition liefert die terrestrische Komponente. Sie geht von natürlichen radioaktiven Substanzen aus, die in der Erdrinde vorhanden sind. Diese Elemente der Uran-Radium-Reihe sowie der Thorium-Reihe und Kalium 40 kommen in unterschiedlichen Konzentrationen in der geologischen Formation der Erde vor. Ihr Gehalt hängt stark von der Bodenart ab und verringert sich von Granit über Lehm nach Kalksandstein und Basalt. Während im Bayerischen Wald, im Schwarzwald und im Erzgebirge auf Urgesteinsböden mit hohem Anteil an Uran und Radium die terrestrische Komponente der jährlichen natürlichen Strahlenexposition im Mittel bei etwa 1,4 Millisievert liegt, beträgt sie beispielsweise auf der Münchner Schotterebene oder im Alpenvorland nur etwa 0,3 Millisievert. Ein früher oft unterschätzter Beitrag der natürlichen Strahlenexposition ist auf die Einatmung der radioaktiven Zerfallsprodukte der Edelgase Radon 222 und Radon 220 zurückzuführen. Je nach Untergrund, Raumbelüftung und Baumaterialien kann die Strahlenbelastung in Gebäuden erheblich höhere Werte erreichen als im Freien. Im Schnitt beträgt die effektive Dosis der erwachsenen Bevölkerung aus natürlichen Quellen etwa 2-2,5 Millisievert. Anmerkung zur Dosis: Mit der Einführung der Äquivalentdosis wird versucht, die biologisch relevanten Vorgänge der Strahleneinwirkung zu berücksichtigen. So verursacht Alphastrahlung wegen ihrer dichteren Energiedeposition eine wesentlich höhere biologische Wirkung bei gleicher Energiedosis, zum Beispiel eine höhere Zahl von Doppelstrangbrüchen an der DNS, als die Beta- und die Gammastrahlung mit ihren relativ weit auseinanderliegenden Wechselwirkungsakten. Für Gammastrahlung gilt im Strahlenschutz folgende Beziehung: 1 Röntgen entspricht ungefähr 1 Rad und das ist gleich 1 Rem bzw. 0,01 Sv. c) Mehr als 10 Jahre nach dem Reaktorunfall von Tschernobyl sind Waldpilze oder Wildfleisch noch immer mit Cs- 137 belastet. Wie erklären Sie dieses Phänomen? Bei dem Unfall in Tschernobyl in der Nacht vom 25. zum 26. April 1986 trat Cs-137 aus und wurde durch den Wind nach Westeuropa getragen. Cäsium-137 ist ein Radionuklid, das bei der Kernspaltung im Atomkraftwerk entsteht und unter Aussendung von Strahlung mit einer physikalischen Halbwertszeit von 30 Jahren zerfällt. Bedingt durch heftige lokale Niederschläge wurde der Süden Deutschlands deutlich höher kontaminiert als der Norden. Lokal wurden im Bayerischen Wald und südlich der Donau bis zu Bq/m 2 Cäsium 137 abgelagert. In der norddeutschen Tiefebene betrug die Aktivitätsablagerung dagegen selten mehr als 4000 Bq/m 2.

8 Aber nicht nur die hohe Halbwertszeit ist für die Anreicherung verantwortlich. Waldböden zeichnen sich durch organische Auflageschichten (Humus) auf den Mineralböden aus. Cäsium ist in diesen Schichten, die reich an Bodenorganismen und Nährstoffen sind, sehr mobil. Es wird schnell durch Bodenorganismen, Pilze und Pflanzen aufgenommen und, wenn Blätter und Nadeln fallen, wieder dem Boden zugeführt. Cäsium bleibt also in einen sehr wirkungsvollen Nährstoffkreislauf eingebunden und kann deshalb kaum in die mineralischen Bodenschichten abwandern, wo es, ähnlich wie auf landwirtschaftlichen Böden, durch Tonminerale fixiert werden könnte. Spezifische Aktivität von Cs-137 in Bq/kg Frischmasse Probenzahl Mittelwert Minimalwert Maximalwert Leisten- und Trompetenpilze ,9 473 Wildblätterpilze Maronenröhrlinge , Steinpilze ,0 382 Heidelbeeren , Preiselbeeren ,1 44 Die Kontamination von Wildbret ist, ähnlich wie bei wild wachsenden Pilzen und Beeren, im Vergleich zu landwirtschaftlichen Produkten noch deutlich erhöht. In einzelnen Gebieten Deutschlands sind Aktivitätskonzentrationen von über 1000 Bq/kg Cs-137 zu beobachten. Sowohl die Höhe der Kontamination als auch deren jahreszeitlicher Verlauf hängen eng mit dem Ernährungsverhalten des Wildes zusammen. Höhere Kontaminationen sind insbesondere dann zu erwarten, wenn die Tiere ihr Futter vornehmlich im Wald suchen und nicht auf landwirtschaftlichen Flächen äsen. Im Wald bestimmen aus dem Boden gewonnene Futteranteile wesentlich die Kontamination des Muskelfleisches von Schwarzwild. Spezifische Aktivität von Cs-137 in Bq/kg Frischmasse Probenzahl Mittelwert Minimalwert Maximalwert Hirsch , Reh ,2 692 Wildschwein , Wichtig für die Beurteilung möglicher gesundheitlicher Folgen ist die Strahlenexposition, die sich aus dem Verzehr kontaminierter Lebensmittel ergibt. Als Faustregel gilt, dass die Aufnahme von etwa Bq Cs-137 einer Strahlenexposition von etwa 1 msv entspricht. Eine Pilzmahlzeit mit 200 g höher kontaminierten Maronenröhrlingen aus Südbayern mit etwa 4000 Bq/kg Cs-137 hätte beispielsweise eine Exposition von 0,01 msv zur Folge. Die in der Verordnung (EWG) Nr. 737/90 in der heute geltenden Fassung festgelegten Grenzwerte an Radiocäsium liegen bei 370 Bq/l bzw. Bq/kg für Milch, Milcherzeugnisse und Kindernahrung, sowie 600 Bq/l bzw. Bq/kg für alle anderen Lebensmittel.

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