Inhalt und Einsatz im Unterricht "Radioaktivität" (Physik Sek. I, Kl. 7-9) Dieses Film-Lernpaket behandelt das Unterrichtsthema Radioaktivität für die Klassen 7-9 der Sekundarstufe I. Im Hauptmenü finden Sie insgesamt 4 Filme: Aufbau eines Atoms Strahlungsarten Kernzerfall Kernspaltung (+ Grafikmenü mit 10 Farbgrafiken) 9:05 min 9:30 min 7:30 min 6:10 min Die Filme vermitteln mithilfe aufwändiger und impressiver 3D-Computeranimationen alle wesentlichen Informationen rund um das Thema Radioaktivität. Der erste Film stellt den Aufbau eines Atoms vor und schlägt dabei einen weiten Bogen von den ersten Naturtheorien des griechischen Philosophen Demokrit bis zum Orbitalmodell der Neuzeit. Die Struktur von Elektronenhülle und Neutronen- Protonen-Kern wird vorgestellt und damit die Basis für das Verständnis der weiteren Filme gelegt. Der zweite Film stellt die Alpha-, Beta- und Gammastrahlung in allen wesentlichen Details vor: Alpha- bzw. Beta-Zerfall, die nachfolgenden Strahlungsemissionen und den Charakter der abgestrahlten Teilchen inkl. ihrer biologischen Wirksamkeit. Der dritte Film schildert u.a. am Beispiel des Uran 235 den natürlichen Zerfall eines Atomkerns in einer Zerfallsreihe. Auch die Halbwertszeit und die Radiokarbonmethode zur Altersbestimmung werden erläutert. - Schließlich zeigt der vierte Film die von außen initiierte Kernspaltung, wieder am Beispiel des radioaktiven Uran 235. Die Inhalte der Filme sind stets altersstufen- und lehrplangerecht aufbereitet. Die Filme bieten z.t. Querbezüge, bauen aber inhaltlich nicht streng aufeinander auf. Sie sind daher in beliebiger Reihenfolge einsetzbar. Der Einstieg ins Thema mithilfe der Filme 1 und 2 ist aber ratsam. Ergänzend zu den o.g. 4 Filmen stehen Ihnen zur Verfügung: - 10 Farbgrafiken, die das Unterrichtsgespräch illustrieren (in den Grafik-Menüs) - 10 ausdruckbare PDF-Arbeitsblätter, jeweils in Schüler- und Lehrerfassung Im GIDA-Testcenter (auf www.gida.de) finden Sie auch zu diesem Film-Lernpaket interaktive und selbstauswertende Tests zur Bearbeitung am PC. Diese Tests können Sie online bearbeiten oder auch lokal auf Ihren Rechner downloaden, abspeichern und offline bearbeiten, ausdrucken etc. 2
Begleitmaterial (PDF) auf DVD Über den Windows-Explorer Ihres Windows-Betriebssystems können Sie die Dateistruktur einsehen. Sie finden dort u.a. den Ordner DVD-ROM. In diesem Ordner befindet sich u.a. die Datei index.html Wenn Sie diese Datei doppelklicken, öffnet Ihr Standard-Browser mit einem Menü, das Ihnen noch einmal alle Filme und auch das gesamte Begleitmaterial zur Auswahl anbietet (PDF-Dateien von Arbeitsblättern, Grafiken und Begleitheft, Internetlink zum GIDA-TEST-CENTER etc.). Durch einfaches Anklicken der gewünschten Begleitmaterial-Datei öffnet sich automatisch der Adobe Reader mit dem entsprechenden Inhalt (sofern Sie den Adobe Reader auf Ihrem Rechner installiert haben). Die Arbeitsblätter ermöglichen Lernerfolgskontrollen bezüglich der Kerninhalte der Filme. Einige Arbeitsblätter sind am PC elektronisch ausfüllbar, soweit die Arbeitsblattstruktur und die Aufgabenstellung dies erlauben. Über die Druckfunktion des Adobe Reader können Sie auch einzelne oder alle Arbeitsblätter für Ihren Unterricht vervielfältigen. Fachberatung bei der inhaltlichen Konzeption und Gestaltung: Herr Uwe Fischer, Studiendirektor (Physik und Mathematik, Lehrbefähigung Sek. I + II) Unser Dank für die Unterstützung unserer Produktion geht an: Pond5 Inhaltsverzeichnis Seite: Inhalt Strukturdiagramm 4 Die Filme Aufbau eines Atoms 5 Strahlungsarten 8 Kernzerfall 10 Kernspaltung 12 3
Inhalt Strukturdiagramm Hauptmenü Filme Aufbau eines Atoms Strahlungsarten Kernzerfall Kernspaltung Menü Grafiken Grafiken Atommodelle Atomkern Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Gamma-Strahlung 5 A s des Strahlenschutzes Natürliche Zerfallsreihen Radiokarbon-Methode Uran-235-Kernspaltung Kernenergie 4
Aufbau eines Atoms Laufzeit: 9:05 min, 2018 Lernziele: - Die Vorstellung des antiken Philosophen und Naturgelehrten Demokrit vom Aufbau der Materie kennenlernen; - Die spätere Weiterentwicklung des klassischen Atommodells hin zum Kern- Hülle-Modell Rutherfords nachvollziehen können. - Elektronen als Bestandteile der Atomhülle, Protonen und Neutronen als Bestandteile des Atomkerns und den Begriff Isotop kennenlernen; - Die Begriffe Kernladungszahl (Ordnungszahl) und Massenzahl auch in Bezug auf das Periodensystem der Elemente (PSE) einordnen können. Inhalt: Der Film schlägt einen weiten Bogen vom griechischen Naturgelehrten Demokrit (430 v. Chr.) bis zu den Wissenschaftlern des 19. und 20. Jahrhunderts: Dalton, Thomson, Bohr und Rutherford. Die wesentlichen Grundzüge ihrer Atommodelle werden skizziert. Auch John Dalton war um 1808 immer noch prinzipiell der gleichen Ansicht wie Demokrit gut 2.200 Jahre vor ihm: Atome sind unteilbare, kleinste Einheiten der Materie. Er entwickelte aber die Definition der Elementeigenschaften weiter. 5
Erst im Jahr 1897 gelang J.J. Thomson der experimentelle Nachweis des Elektrons, was die Unteilbarkeit des Atoms widerlegte. Daraufhin entwarf er sein Atommodell, das etwas spöttisch Rosinenkuchenmodell genannt wurde: In einem insgesamt positiv geladenen Atomrumpf lägen die negativ geladenen Elektronen zufällig verteilt wie die Rosinen in einem Kuchenteig. Im Jahr 1909 führte der spätere Nobelpreisträger Ernest Rutherford seinen berühmt gewordenen Streuversuch durch. Auf Basis seiner Versuchsergebnisse entwarf Rutherford sein Kern-Hülle-Atommodell: Jedes Atom hat einen winzigen, positiven Atomkern, der fast die gesamte Atommasse trägt. Der Kern ist von einer riesigen Hülle (1:10.000) umgeben, in der die fast masselosen, negativ geladenen Elektronen kreisen. Alle jüngeren Atommodelle, die in den weiteren Filmen behandelt werden, basieren letztlich auf dieser Kern-Hülle-Theorie. Insofern kann man Rutherford wohl mit Fug und Recht als den Vater aller modernen Atommodelle bezeichnen. 6
Der Film spannt den Bogen der Atommodelle weiter bis in die Neuzeit: Niels Bohrs Schalenmodell ebenso wie George Kimballs Kugelwolkenmodell und das Orbitalmodell mit seinen verschiedenen Energieniveaus in Kugel- und Hantelorbitalen werden kurz skizziert. Fazit: Mit seinen Elektronen kann ein Atom Bindungen eingehen und dadurch seine chemischen Eigenschaften verändern. Im letzten Drittel gibt der Film einen ersten Einblick in die Struktur des Atomkerns: Die Kernbestandteile Neutronen und Protonen definieren die physikalischen Eigenschaften eines Atoms und ggfs. seiner Isotope. An einigen Beispielen, insbesondere des Kohlenstoffatoms, werden die Begriffe Massenzahl und Ordnungszahl eingeführt. Am Beispiel des langsam und natürlich zerfallenden Kohlenstoff- Isotops 14 C wird schließlich der Begriff der Radioaktivität eingeführt. * * * 7
Strahlungsarten Laufzeit: 9:30 min, 2018 Lernziele: - Henri Becquerel (zusammen mit Marie & Pierre Curie) als Entdecker der Radioaktivität kennenlernen; - Alpha-, Beta- und Gammastrahlung als Produkte des natürlichen Zerfalls von Atomen und ihre wesentlichen Eigenschaften kennenlernen; - Alpha- bzw. Beta-Zerfall und die Eigenschaften der abgestrahlten α- und β- Teilchen ausführlich kennenlernen. Inhalt: Der Film startet mit der fast zufälligen Entdeckung des Phänomens Radioaktivität durch Henri Becquerel im Jahre 1896. Er erhielt dafür 1903 den Nobelpreis für Physik (gemeinsam mit Marie und Pierre Curie). Dann geht der Film über auf die nähere Erforschung der Alpha-Strahlung u.a. durch Ernest Rutherford und schildert diese am Beispiel des natürlichen Zerfalls von Radium zu Radon. Der Alpha-Zerfall und die Alphastrahlung werden detailliert beschrieben: Reichweite, Geschwindigkeit, Eindringtiefe, Abschirmbarkeit und biologische Wirksamkeit der Alphateilchen. 8
Danach wird der Beta-Zerfall bzw. die Emission von Beta-Teilchen ebenso detailliert geschildert. Der Film bringt auch kurz die Unterscheidung in Beta-minus- Zerfall (Freisetzung von Elektronen) und Beta-plus-Zerfall (Freisetzung von Positronen. Zu guter Letzt beschreibt der Film die Eigenschaften der (masselosen) Gamma- Strahlung und fasst abschließend die ionisierende Wirkung aller drei Strahlungsarten zusammen. Die 5 A s des Strahlenschutzes bilden den Schlussakkord des Films. * * * 9
Kernzerfall Laufzeit: 7:30 min, 2018 Lernziele: - Stabile bzw. instabile Kernstrukturen und die starke Kernkraft resp. die starke Wechselwirkung kennenlernen; - Bedingungen und Ablauf eines natürlichen Kernzerfalls verstehen; die vier natürlichen Zerfallsreihen am Beispiel der Uran-Actinium-Reihe kennenlernen; - Den Begriff Halbwertszeit und ihre praktische Nutzung in der Radiokarbon- Altersbestimmung verstehen. Inhalt: Dieser Film leitet ein mit der Überlegung, was einen Atomkern zusammenhält: Eigentlich müssten doch die vielen, positiv geladenen Protonen stark auseinanderstreben?! - Des Rätsels Lösung: Die Neutronen puffern diese elektrostatische Abstoßung der Protonen untereinander etwas ab. Vor allem aber bewirkt zwischen direkt beieinander liegenden Nukleonen (Neutronen wie Protonen) die starke Kernkraft bzw. starke Wechselwirkung den Zusammenhalt des Atomkerns, - allerdings nur bis zu einer Nukleonenanzahl (Massenzahl) > 208. Oberhalb dieser Kernmasse kommt es zum natürlichen, radioaktiven Zerfall des Atomkerns. Die Nuklidkarte wird eingeführt, auf der man genau nachschauen kann, ob und wie ein chemisches Element zerfällt. 10
Der Film entwickelt nun zum besseren Verständnis sehr ausführlich die Zerfallsreihe von Uran 235 (Uran-Actinium- Reihe). Der Wechsel zwischen Alpha- und Beta-Zerfallsprozessen wird dabei komplett durchdekliniert. Abschließend werden auch noch die Seitenpfade der Zerfallsreihe und die 3 weiteren, natürlichen Zerfallsreihen aufgezeigt. Der Begriff der Halbwertszeit wird eingeführt und erläutert. Am Beispiel der Radiokarbon-Methode zeigt der Film eine praktische Nutzung des natürlichen, radioaktiven Zerfalls von Kohlenstoff 14 C zur Altersbestimmung fossiler, organischer Materie. * * * 11
Kernspaltung Laufzeit: 6:10 min, 2018 Lernziele: - Die künstliche, von außen induzierte Kernspaltung am Beispiel von U 235 kennenlernen; - Die wissenschaftlichen Leistungen von Otto Hahn und Lise Meitner einordnen können; - Den schematischen Ablauf einer Kernspaltungskettenreaktion (Atombombe) erkennen, - den Begriff Kernenergie einordnen können. Inhalt: Der Film nutzt wiederum das radioaktive Element Uran 235, um das Phänomen der Kernspaltung zu erklären. Anders als der spontane, natürliche Kernzerfall wird die Kernspaltung künstlich von außen induziert. Der Film zeigt den Ablauf einer U-235-Kernspaltung mithilfe eines langsamen Neutrons. Eine kurze, historische Sequenz schildert die Entdeckung (Otto Hahn) und Deutung (Lise Meitner) der Kernspaltung im Jahr 1938. 12
Die U-235-Spaltprodukte: 1 Bariumkern, 1 Kryptonkern + 3 schnelle Neutronen - und eine enorme Energie wird frei. Der Film erläutert im Detail, woher diese Kernenergie stammt bzw. warum sie freigesetzt wird: Der Begriff Massendefekt wird eingeführt. Ein Vergleich der Brennwerte von Braunkohle und Uran 235 verdeutlicht die ungeheure Energiemenge, die im Atomkern schlummert und bei seiner Spaltung freigesetzt wird. 13
Abschließend zeigt der Film das Prinzip der atomaren Kettenreaktion, bei der in Sekundenbruchteilen unzählige Atomkerne gespalten werden und ihre ungeheuer große Kernenergie schlagartig freigesetzt wird. Bilder des Atombombeneinsatzes von Hiroshima (Ende des 2. Weltkriegs) machen diese ungeheure Energie noch einmal sehr plastisch nachvollziehbar. Der Film erwähnt zum Schluss auch noch die Möglichkeit der friedlichen Nutzung der Kernenergie in Atomkraftwerken, erklärt diese aber nicht mehr. * * * 14