Lernumgebung Radioaktivität
Ein Lernpfad für das Leistungsfach Physik zum Thema "Radioaktivität"
Tabla de Contenidos
- Einführung
- Anleitung zur Lernumgebung
- Radioaktivität messen
- Das Geiger-Müller-Zählrohr
- Messung der Nullrate
- mit Radioaktivität umgehen
- Kapiteleinführung
- A1 Nuklidkarten
- A2 Zerfallsreihen
- B1 Zerfallsgesetz - Herleitung
- B2 Zerfallsgesetz - Überprüfung
- B3 Zerfallsgesetz - C14-Methode
- C Strahlenschutz - Dosiswerte
- C Strahlenschutz - Abstandsgesetz
- C Strahlenschutz - Abschirmung
- Für Schnelle: Vertiefungen
- Radioaktivität von Lebensmitteln
- Radioaktivität in Gebäuden
- Kernenergietechnik
- Gemischte Übungen
- Gemischte Übungen zu allen Inhalten
Anleitung zur Lernumgebung
In dieser digitalen Lernumgebung könnt ihr folgende Inhalte Lernen:[br][br][list][*]Wie macht man Radioaktive Strahlung mit dem Geiger-Müller-Zählrohr messbar?[/*][*]Wie benutzt man eine Nuklidkarte und was sind die Zerfallsreihen?[/*][*]Nach welcher "Gesetzmäßigkeit" zerfallen viele Atome in einer Probe?[/*][*]Wie können wir uns gegen Radioaktive Strahlung schützen? Warum ist das so?[/*][*]Wie funktionieren die Grundlagen der Kern-Energietechnik?[/*][/list][br][b]Arbeiten Sie in kleinen Gruppen gemeinsam! Diskutieren Sie viel und fragen die Lehrkraft, wenn Sie etwas nicht verstehen! Navigieren Sie durch das Buch über das Inhaltsverzeichnis, die im Text eingebetteten Hyperlinks oder über die Pfeile am Ende jeder Buchseite.[br][br]Beginnen Sie nun beim [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/udytuwdu]Geiger-Müller-Zählrohr[/url].[br][br][/b]
Das Geiger-Müller-Zählrohr
Problem: Radioaktive Strahlung ist unsichtbar!
Zur Erinnerung: Radioaktive Strahlung ist nicht direkt sichtbar. Möchte man die Strahlung also messbar machen, brauchen wir Messgeräte, die in der Lage sind radioaktive Strahlung zu registrieren.
Versuch:
[b]Betrachten Sie folgendes Versuchsvideo[/b] (oder führen den Versuch mit ihrer Lehrkraft durch). [b]Beantworten Sie damit die Frage unter dem Video![/b]
Versuch
Deutung des Versuchs
Welche Wirkung hat radioaktive Strahlung?
Mit diesem Wissen lässt sich ein Messprinzip für radioaktive Strahlung entwickeln![br][br][b]Schauen Sie folgendes Video[/b], in dem das Messprinzip schon recht gut erklärt wird. ([i]Hinweis: Im Video wird besonders an einer Stelle nicht zu 100% die Wahrheit erzählt - das Funktions[u]prinzip[/u] des Geiger-Müller-Zählrohrs ist aber korrekt dargestellt)[/i][br]
Geiger-Müller-Zählrohr
Das Video war nicht an allen Stellen korrekt.[b] Verstehen Sie daher den Aufbau und die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohrs mit der Animation[/b] auf [url=https://www.leifiphysik.de/kern-teilchenphysik/radioaktivitaet-einfuehrung/grundwissen/geiger-mueller-zaehlrohr]GEIGER-MÜLLER-Zählrohr | LEIFIphysik[/url]. Schieben Sie dazu den [color=#ff0000]Schieberegler der Animation[/color] weiter und verstehen den Text unter der Animation. [br][br][b]Beantworten Sie dann die folgenden Verständnisfragen und bearbeiten die Learningapp unter den Fragen.[/b]
Verständnisfragen
Welche Funktion hat das Gas in der Kammer?
Welche Funktion hat die Spannung zwischen dem Zentrum und der Außenwand des Zylinders?
Was passiert mit einem ionisierten Gasatom im Zylinder?
Damit die Stromstärke durch den Widerstand groß genug ist, müssen sehr viele Ladungen erzeugt werden. Wie wird das bewerkstelligt?
Warum wird der Widerstand im Geiger-Müller-Zählrohr sehr groß gewählt?
Sie sollten nun folgendes gelernt haben:[br][list][*]Sie können den Aufbau eines GMZ beschreiben.[/*][*]Sie können die Funktionsweise eines GMZ erklären.[/*][/list][br]Fertig und alles Verstanden? Machen Sie einen Haken auf ihrem Workflow und machen dann hier weiter: [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/mhgwbgkd]Messung der Nullrate[/url]
Kapiteleinführung
Dieses zweite Kapitel lässt sich auf verschiedenen Wegen bearbeiten. Sie können entweder beim Umgang mit den [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/dtnwedk5]Nuklidkarten[/url] oder beim [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/p6tuxxgz]Zerfallsgesetz[/url] oder beim Strahlenschutz zum Thema [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/dqssumw9]Dosiswerte[/url], [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/z4gqtg7r]Abstandsgesetz[/url] oder [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/qpjjftrh]Abschirmung[/url] beginnen. (Bei den Nuklidkarten und dem Zerfallsgesetz müssen Sie der vorgegebenen Reihenfolge folgen. Das Thema Strahlenschutz lässt sich in beliebiger Reihenfolge erlernen.)[br][br]Sobald Sie mit einem dieser drei Teile fertig sind, können Sie mit den anderen beiden weiter machen. Am Ende sollten Sie aber auf jeden Fall alle 3 Teile bearbeitet haben.[br][br]Für Schnelle gibt es noch ein drittes Zusatzkapitel mit verschiedenen [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#chapter/1296794]Vertiefungen[/url]. Außerdem finden Sie in Kapitel 4 [url=https://www.geogebra.org/m/vmgsjhgn#material/jhaancm7]Übungen zu allen Inhalten[/url].[br][br][b]Starten Sie jetzt mit dem Thema, was Sie am meisten interessiert![/b]
Radioaktivität von Lebensmitteln
[b]Suchen Sie sich Schokolade (oder ein anderes Lebensmittel) und ermitteln die Zählrate direkt neben der Schokolade mit dem GMZ aus dem Radioaktivitätskasten! Vergleichen Sie den Wert mit dem Nulleffekt![br][/b](Im Radioaktivitätskasten finden Sie außerdem Kunstdünger, Glasfaser und Kaliumchlorid, welches in der Lebensmitteltechnik als Festigungsmittel und Geschmacksverstärker eingesetzt wird. Diese Alltagsgegenstände können Sie ebenfalls untersuchen.)[br][br][b]Lesen [/b]Sie dann die Sachtexte 1 und 3 auf S. 200 und 201 im Buch.
Haben Sie nun alle Inhalte bearbeitet? Dann machen Sie bei den [url=https://www.geogebra.org/m/jhaancm7]Übungen zu allen Inhalten[/url] weiter.
Gemischte Übungen zu allen Inhalten
Im folgenden finden Sie verschiedene Übungen zu den gerade gelernten Inhalten. Bei jeder Übung werden alle gelernten Inhalte "gemischt" abgefragt. [br][br]Sie sollten also insgesamt folgendes beherrschen:[br][list][*]Sie können den Aufbau eines GMZ beschreiben.[/*][*]Sie können die Funktionsweise eines GMZ erklären.[/*][*]Sie können Nullraten bzw. Nulleffekte messen.[/*][*]Sie können "bereinigte Messwerte" durch abziehen des Nulleffekts ermitteln. [/*][*]Sie können an der Nuklidkarte ablesen mit welchen Zerfallsarten ein radioaktives Isotop zerfällt und wie viel Energie dabei frei wird.[/*][*]Sie können an der Nuklidkarte alle Zerfallsprodukte eines radioaktiven Isotops ermitteln.[/*][*]Sie können an der Nuklidkarte ermitteln, aus welchem Mutterkern ein Isotop entstehen könnte.[/*][*]Sie können mit dem Zerfallsgesetz, der Halbwertszeit, der mittleren Lebensdauer und mit der Aktivität rechnen.[/*][*]Sie können das Grundprinzip der C-14-Methode (Radiocarbonmethode) erklären.[br][/*][*]Sie können mit Hilfe der Radiocarbonmethode das Alter von Gegenständen berechnen.[/*][*]Sie können Dosiswerte interpretieren und bei gegebenen Tabellen einordnen.[/*][*]Sie können physikalisch begründen, warum es sinnvoll ist Abstand von radioaktiven Quellen zu halten.[/*][*]Sie wenden N~1/r² in Anwendungen an.[/*][*]Sie können physikalisch begründen, warum es sinnvoll ist radioaktiven Quellen abzuschirmen.[/*][*]Sie können grob einordnen, ob Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung von einem Material abgeschirmt werden können oder nicht.[/*][*]Sie können angeben, dass die durchgelassene Strahlung mit der Schichtdicke exponentiell abnimmt.[/*][/list][br]Bei jeder Aufgabe können Sie sich eine Musterlösung anzeigen lassen.
Aufgabe 1
Sie werden vor eine brutale Wahl gestellt: Vor ihnen liegen drei Kekse. Einer der Kekse strahlt Alpha-Strahlung, einer strahlt Beta-Strahlung und der letzte strahlt Gamma-Strahlung ab.[br][br]Sie werden gezwungen einen der Kekse zu essen. Einen zweiten Keks müssen Sie in der Hand halten. Den letzten Keks müssen Sie in ihre Hosentasche legen. Nehmen Sie dazu Stellung, wie sich sich entscheiden!
Aufgabe 2
Die Strahlenschutzverordnung regelt in Deutschland, welche Radioaktiven Präparate in Schulen verwendet werden dürfen. Für jedes Radioaktive Präparat ist eine Aktivitätsgrenze ("Freigrenze") festgelegt. Solange sich das Präparat unter dieser Freigrenze befindet, darf es in der Schule benutzt werden. Für Am-241 beträgt sie 10 kBq. [br][br]Die Schule überlegt sich, ob Sie mit einem Gramm Am-241 arbeiten darf. [br][br]a) Ermitteln Sie mit Hilfe ihrer Formelsammlung die Anzahl der Kerne, die sich in einem Gramm Am-241 befinden.[br][br]b) Ermitteln Sie die Halbwertszeit von Am-241 mit einer Nuklidkarte und beurteilen dann mit Hilfe einer Rechnung, ob die Probe unterhalb der Freigrenze liegt.[br][br]c) Begründen Sie mit Hilfe einer Nuklidkarte, warum sich die Anschaffung von Am-236 unabhängig von seiner Aktivität nicht lohnt. [br][br]d) Das 1 Gramm schwere Am-241 Präparat wird nun von einer 80 kg schweren Person eine Stunde lang gehalten. Ermitteln Sie die Äquivalentdosis, die diese Person dadurch erhält. Verwenden Sie dazu ihre Berechnete Aktivität und eine Nuklidkarte.[br][br]e) Nehmen Sie Stellung dazu, was mit dieser Person laut ihrem Ergebnis passieren würde. Begründen Sie, warum die tatsächliche Dosis der Person aber vermutlich eigentlich 0 Sv beträgt.[br]
Aufgabe 3
Aufgabe 4
Aufgabe 5
Aufgabe 6
Auch Lebensmittel weisen natürliche Radioaktivität auf. Ist das für uns gefährlich? Schätzen Sie mit folgender Tabelle durch eine Rechnung ab, wie viel Liter Milch Sie innerhalb eines Jahres trinken müssten, um die natürliche Jahresdosis von [math]2,1mSv[/math] zu überschreiten. Gehen Sie dazu davon aus dass Sie die Gesamte Milch am Anfang des Jahres trinken und dass das dabei aufgenommene radioaktive Material in ihrem Körper bleibt. Hinweis: Kalium-40 ist ein Beta-Strahler, welcher mit einer Energie von 1,13 MeV zerfällt.
Nehmen Sie dann Stellung dazu, wie sinnvoll ihre Rechnung ist.
Aufgabe 7
Im Internet findet man folgendes Bild:
Bei der Einheit "Curie" Ci handelt es sich um eine veraltete Einheit der Aktivität. Dabei entspricht [math]1Ci=3,7\cdot10^{10}Bq[/math]. Kobalt-60 ist ein künstliches, stark radioaktives Isotop, das durch Neutronenbestrahlung von Kobalt-59 in Kernreaktoren entsteht. Es ist ein hochenergetischer Gamma-Strahler mit einer Halbwertszeit von ca. 5,27 Jahren. Kobald-60 zerfällt bei jedem Zerfall mit Beta [b]und zwei [/b]Gamma-Zerfällen. Bei dem Beta-Zerfall wird 0,31 MeV frei, bei den Gamma-Zerfällen wird 1,17 MeV bzw. 1,33 MeV frei.[br][br]a) Schätzen Sie die Gefährlichkeit dieses Präparats durch eine Rechnung ab und nehmen Sie dann zu der aufgedruckten Warnung auf dem Präparat Stellung![br][br]b) Die Angabe der Aktivität bezieht sich eigentlich auf das aufgedruckte Datum im Jahr 1963. Schätzen Sie durch eine Rechnung ab, ob sich ihr Urteil aus Aufgabe a im Jahr 2025 geändert hätte![br][br]c) Nehmen Sie dazu Stellung, ob es für die Schädlichkeit des Präparats einen wesentlichen Unterschied macht, Sie das Präparat in der Hosentasche haben oder ob Sie es z.B. verschlickt haben!
Weitere gute Übungen finden Sie hier:[br]Nuklidkarten: S.147/3,4,5,6[br]Zerfallsgesetz: S.155/1,2 und S.158/1[br]Strahlenschutz: S.165/1 und S.173/2