Kerne und Kernteilchen Aufbau der Atomkerne

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1 Didaktische FWU-DVD Kerne und Kernteilchen Aufbau der Atomkerne Physik Chemie Klasse 9 12 Klasse 9 12 Trailer ansehen

2 Schlagwörter Atom; Atomhülle; Atomkern; Bindungsenergie; Coulombkraft; Down-Quark; Elektron; Element; Isotope; Kern; Kernkraft; Kernladungszahl; Kernphysik; Kernteilchen; Kern-Hülle-Modell; Massendefekt; Massenzahl; Neutron; Nukleonen; Ordnungszahl; Radioaktivität; Rutherford; Periodensystem; Proton; Quark; Streuversuch; Up-Quark; Wechselwirkung Systematik Physik Chemie Kernphysik Aufbau der Atomkerne Kernphysik Radioaktivität, Kernumwandlungen Kernphysik Nachweismethoden Kernphysik Technische Anwendungen Physikalische Chemie Atombau, Periodensystem Allgemeine Chemie Kernchemie, Radiochemie 2

3 Zum Inhalt Grundlagen der Kernphysik (Film 22 min) Der Film beginnt mit einem historischen Abriss, der auch aufzeigt, dass diese Disziplin der Physik noch vergleichsweise jung ist. In kleinen Schritten wird der Aufbau eines Atoms aus Kern und Hülle sowie der Aufbau des Kerns aus Protonen und Neutronen erklärt. Aus der Tatsache, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, ergibt sich die Frage danach, was die Protonen im Kern zusammenhält. Hier wird die starke Kernkraft betrachtet. Aus der Frage nach der Rolle der Neu tronen im Atomkern ergibt sich der Themenkreis der Isotopie. Da es zu jedem chemischen Element mehrere Isotope gibt, muss zur vollständigen Charakterisierung eines Atoms auch die Massenzahl angegeben werden. Eine weitere Fragestellung ist die nach der Bindungsenergie. Hier findet sich eine Modellrechnung auf der Basis des Massendefekts, deren Ergebnis mit Größen des Alltags verglichen wird. So wird eindrucksvoll verdeutlicht, welche enormen Energiemengen sich durch Kernprozesse freisetzen lassen. Der Film schließt mit einer kurzen Beschreibung von Quarks und dem Aufbau von Protonen und Neutronen aus Quarks. Dabei zeigt sich auch der Unterschied zwischen der starken Wechselwirkung und der starken Kernkraft. So wird ein Ausblick auf weiterführende moderne Forschung gegeben. Atome die kleinsten unteilbaren Teilchen? (Filmsequenz 1:30 min) In dieser einführenden Sequenz erhalten die Schülerinnen und Schüler einen ersten Einblick in den Aufbau der Materie. 3

4 Die antike Vorstellung von unteilbaren kleinsten Teilchen und ihre moderne Umsetzung durch Dalton führt zu dem modernen Atombegriff und dem Konzept des chemischen Elementes. Bestandteile eines Atoms (Filmsequenz 4:40 min) Auch diese Sequenz zeigt noch die historische Entwicklung, nun hinführend zum modernen Bild vom Aufbau eines Atoms. Die Vorstellung über den Atomaufbau wird zunächst durch den Streuversuch von Rutherford entscheidend beeinflusst. Nachdem das Kern-Hülle- Modell in seinen Grundzügen eingeführt ist, fehlt nur noch der letzte Schritt zum heutigen Atommodell mit Neutronen und Protonen im Kern und Elektronen in der Hülle. Starke Kernkraft (Filmsequenz 3:00 min) Es wird schnell klar, dass sich positive Ladungsträger im Atomkern gegenseitig abstoßen. Daher muss eine weitere Kraft wirken, die die Protonen und Neutronen dennoch als Atomkern zusammenhält die Kernkraft. Aus dem Wechselspiel der kurzreichweitigen Kernkraft und der langreichweitigen Coulombkraft folgt auch die begrenzte Anzahl stabiler chemischer Elemente. Isotope (Filmsequenz 3:30 min) Während die Zahl der Protonen für ein chemisches Element eindeutig festgelegt ist, besteht bei der Zahl der Neutronen ein gewisser Spielraum. Diese Tatsache erfordert die Einführung des Begriffs der Isotopie und einer erweiterten Schreib- 4

5 weise. Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Isotopen eines Elementes und deren Stabilität werden genauer betrachtet. Bindungsenergie (Filmsequenz 4:00 min) Die Bindungsenergie wird zu Beginn der Sequenz definiert. Der Massendefekt und die Äquivalenz von Masse und Energie gemäß der berühmten Formel von Einstein erlauben ihre Berechnung, wie an dem Beispiel eines Kohlenstoffkerns gezeigt wird. Auf sehr eindrucksvolle Weise wird darauf aufbauend demonstriert, wie viel Energie bei Kernprozessen umgesetzt wird. Quarks (Filmsequenz 4:20 min) Eine Betrachtung der modernen Erkenntnisse über den Aufbau der Materie verlangt zwingend auch die Betrachtung von Quarks und die Erwähnung der starken Wechselwirkung. In dieser letzten Sequenz wird daher der Aufbau der Nukleonen aus Up- und Down-Quarks anhand deren Ladung hergeleitet. en Rutherford sches Streuexperiment () Rutherford beschoss eine dünne Goldfolie mit, zweifach positiv geladenen Alpha-Teilchen und beobachtete, wie diese sich auf einem Fotostreifen um die Goldfolie herum verteilten. Dabei stellte er fest, dass einige der Teilchen abgelenkt wurden. 5

6 Aufbau von Atomen () Ein Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen den Nukleonen. In der Atomhülle befinden sich die negativ geladenen Elektronen. Die chemischen Elemente unterscheiden sich in der Zahl ihrer Protonen und damit auch in der Zahl der Elektronen in der Hülle. Kohlenstoffisotope () Kerne, die bei gleicher Ordnungszahl unterschiedliche Anzahlen von Neutronen haben, bezeichnet man als Isotope des jeweiligen Elementes. Exemplarisch sind hier Kohlenstoffisotope dargestellt. Starke Kernkraft () Die anziehende Kraft zwischen den Quarks ist die starke Wechselwirkung. Sie hält die Protonen und die Neutronen in ihrem Inneren zusammen. Zwischen den Nukleonen merkt man nur die Reste ihrer Wirkung. Dann nennt man sie die starke Kernkraft. Quarks () Protonen und Neutronen sind nicht elementar und unteilbar. Sie bestehen aus kleineren Teilchen, die man Quarks nennt. Derzeit sind sechs unterschiedliche Quarks bekannt. Proton () Hier wird schematisch ein Proton mit seinen drei Quarks gezeigt. Berechnung der Ladung: Proton () Ein Proton ist einfach positiv geladen. Zwei Up-Quarks haben zusammen die 6

7 Ladung Plus vier Drittel. Mit einem Down-Quark kombiniert, ergibt sich eine Ladung von 1. Ein Proton besitzt also zwei Up-Quarks und ein Down-Quark. Neutron () Hier wird schematisch ein Neutron mit seinen drei Quarks gezeigt. Berechnung der Ladung: Neutron () Ein Neutron hat eine Ladung von null. Kombiniert man ein Up-Quark mit zwei Down-Quarks, dann ergibt sich so eine Ladung von 0. Ein Neutron besitzt also zwei Down-Quarks und ein Up-Quark. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler können den Aufbau eines Atoms beschreiben; erkennen, dass die Zahl der Protonen und der Elektronen gleich sein muss; erkennen, dass im Kern aus Stabilitätsgründen auch Neutronen sein müssen; kennen den Zusammenhang zwischen Ladungszahl und Ordnungszahl im Periodensystem; erkennen die Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen des Streuversuchs von Rutherford und dem Aufbau eines Atoms; können den Begriff der Isotopie erklären und können begründen, warum es in der Regel mehrere Isotope eines Elementes gibt; können erklären, warum es nicht beliebig viele verschiedene chemische Elemente gibt; kennen den Unterschied zwischen starker Kernkraft und starker Wechselwirkung; kennen den Begriff der Bindungsenergie und können Bindungsenergien aus dem Massendefekt berechnen; erkennen, dass bei der Bildung von Atomkernen sehr große Energiemengen frei werden; kennen den Aufbau von Protonen und Neutronen aus Quarks; können technische und medizinische Anwendungen von instabilen Isotopen nennen. 7

8 Didaktische Hinweise Im Film werden erste wichtige Sachverhalte vorgestellt, die die Grundlage des modernen Verständnisses über den Aufbau der Materie betreffen. Er kann sowohl zu verschiedenen Zeitpunkten während der erstmaligen Behandlung des Themas in der Sekundarstufe I, als auch zur Auffrischung des bereits Erlernten, beispielsweise zu Beginn der erneuten Behandlung der Kernphysik in der Sekundarstufe II verwendet werden. In der Kernphysik gibt es zwar einige Experimente, die im Unterricht durchgeführt werden können, aber die Interpretation und die erforderliche Modellbildung sind auf dem Niveau der Sekundarstufe I nur schwer zu leisten und es gibt in der Regel nur wenige bildliche Darstellungen. Die Animation ergänzt hier die Beschreibungen der atomphysikalischen und vor allem der kernphysikalischen Ansätze, wie sie in den Schulbüchern zu finden sind oder von einer Lehrkraft präsentiert werden. Die Produktion kann so den Zugang zu dieser abstrakten Materie auch für schwächere Schülerinnen und Schüler vereinfachen oder kann Schülerinnen und Schülern beim eigenverantwortlichen Arbeiten unterstützen. Darüber hinaus erlauben leicht nachvollziehbare Modellrechnungen und Vergleiche ein besseres Verständnis der Größenordnungen. Arbeitsblätter und en ergänzen die Produktion. Sie können je nach Auswahl sowohl zur Sicherung der Ergebnisse dienen als auch zur Vertiefung mancher Gesichtspunkte. Insbesondere erlauben sie, die Rechnungen nachzuvollziehen und sich mit den Größenordnungen vertraut zu machen, sowie die Fachbegriffe sinnvoll zu verwenden. Die Produktion kann im Rahmen der folgenden Themenschwerpunkte eingesetzt werden: Atom- und Atomkernmodelle und ihre Erforschung Atomaufbau Isotope Aufbau der Kernteilchen Bindungsenergie Starke Kernkraft Quarks 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen im ROM- Teil ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können am PC direkt ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen) en Filmtext Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz des Films, der Filmsequenzen, den en und den ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Lückentext (differenziert) 2) Kerne und Isotope 3) Coulombkraft vs. Kernkraft 4) Massendefekt und Bindungsenergie 5) Kennst du dich aus? Rutherford sches Streuexperiment Aufbau von Atomen Kohlenstoffisotope Starke Kernkraft Quarks Proton Berechnung der Ladung: Proton Neutron Berechnung der Ladung: Neutron Filmtext zum Film als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Programmstruktur Hauptmenü Grundlagen der Kernphysik Grundlagen der Kernphysik Kerne und Kernteilchen Aufbau der Atomkerne 22 min Sequenzen Untermenü Grundlagen der Kernphysik Atome die kleinsten unteilbaren Teilchen? 1:30 min Rutherfordsches Streuexperiment Bestandteile eines Atoms 4:40 min Aufbau von Atomen Starke Kernkraft 3:00 min Kohlenstoffisotope Isotope 3:30 min Quarks en Bindungsenergie 4:00 min Starke Kernkraft Quarks 4:20 min Arbeitsmaterial Quarks Quarks Quarks im Proton Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 5 Arbeitsblätter Berechnung der Ladung: Proton Quarks im Neutron 11 en Filmtext Berechnung der Ladung: Neutron Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben Kerne und Kernteilchen: Aufbau der Atomkerne (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2016 DVD-Authoring und Design TV Werk München im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016 Coverbild istock / koya79 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Fotos Quelle Wikicommons istockphoto/simarik Sound-Design Sven Lütgen Tonstudio Marko Peter Bachmann Sprecher Mark Bremer Fachberatung Dr. Sylvia Becker Redaktion Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referentin im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Grundlagen der Kernphysik Produktion Weglowinthedark. im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2016 Animation und Gestaltung Antonia Kühn Dominic Bünning Drehbuch Dr. Maike Schuchmann Dr. Sylvia Becker Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2016 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Kerne und Kernteilchen: Aufbau der Atomkerne Was lange umstritten war, ist heute wissenschaftlich anerkannt: Alles besteht aus Atomen. Doch Atome sind nicht mehr wie einst die kleinsten bisher bekannten Teilchen, sondern bestehen wiederum aus vielen weiteren winzigen Bausteinen. Wie aber sind Atomkerne aufgebaut? Welche Kraft hält sie zusammen? Und was sind Isotope? Mithilfe anschaulicher Animationen und Experimente geht die Produktion diesen und anderen Fragen der Atomphysik auf den Grund. Laufzeit 22 min Klasse 9 12 Sprache Film 1 Filmsequenzen 6 Arbeitsblätter 5 DE en 11 Kompetenzerwerb: Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass ein Atom einen kleinen, massereichen Kern und eine weitgehend leere Hülle haben muss; kennen die Bestandteile von Atomkernen; erkennen, dass es eine weitere Kraft geben muss, die den Atomkern zusammenhält; können erklären, warum die meisten Isotope eines Elementes nicht stabil sind; erkennen, dass bei der Bildung von Atomkernen sehr große Energiemengen frei werden; kennen den Aufbau von Protonen und Neutronen aus Quarks. Ausführliche didaktische Hinweise finden Sie im Arbeitsmaterial. Themen Klasse 9 12 Aufbau eines Atoms Kernkraft Isotope Bindungsenergie und Massendefekt Quarks Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht ggmbh Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de