Das Experiment im Chemie-Unterricht:fdchemie.pbworks.com/w/file/fetch/122577327... · Web viewRadioaktivität Radioaktivität, ein Thema für die Chemie? Gründe das Thema Radioaktivität

Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S.

RadioaktivitätRadioaktivität, ein Thema für die Chemie?Gründe das Thema Radioaktivität im Grundlagenfach Chemie zu unterrichten Viele Schüler interessieren sich für Radioaktivität Sie zeigen, dass der Atombau einen Bezug zum Alltag hat Mit wenig Aufwand lassen sich wichtige Erkenntnisse gewinnen

Gründe Radioaktivität nicht zu thematisieren Radioaktivität gehört in die Physik Die Zeit für das Grundlagenfach ist knapp

Fragen 1 Was versteht man unter dem Begriff Radioaktivität? Was ist ein Isotop, Nuklid? Was beeinflusst die Stabilität von Atomkernen? Was passiert bei einem radioaktiven Zerfall? Welche Arten von radioaktiver Strahlung gibt es? Wie kann man radioaktive Strahlung sichtbar machen?

Diese Fragen entstehen erst, wenn man das Gebiet kennt. Es sind typische Lehrerfragen, die sich an einem Lehrbuch orientieren und der wissenschaftlichen Erklärung folgen.

Fragen 2 Was passiert bei einem Atomunfall? Z. Bsp. in Fukushima Wie funktioniert eine Atombombe oder ein Atomkraftwerk? Warum ist Radioaktivität gefährlich? Was geschieht mit radioaktiven Abfällen? Gibt es Fische mit 3 Augen wie in der Zeichentrickserie „Die Simpsons“?

Das sind Fragen, die die Schülerinnen und Schüler beschäftigen. Sie kommen in den Medien mit dem Thema in Kontakt und finden Fragen von gesellschaftlichem Interesse viel wichtiger als Fragen zu den physikalischen Grundlagen der Radioaktivität.

Es ist von Vorteil, wenn Sie diese Fragen aufnehmen und den Unterricht von der Seite der Schüler und nicht gemäss der Struktur eines Lehrbuchs planen. So werden Sie mehr Interesse wecken und lebendige Lektionen erleben. Selbstverständlich müssen die Schülerinnen am Ende die physikalischen Konzepte zur Radioaktivität kennen. Sie sollten aber auch die gesellschaftlichen Fragen mit Hilfe der erworbenen Kenntnisse beantworten können.

Welche Fragen sollten im Unterricht beantwortet werden?Im folgenden Vorschlag sind die wichtigsten Themen der Radioaktivität in Frageform formuliert. Sie geben das Gerüst meines Unterrichts. Es handelt sich um eine Mischung von Schüler- und Lehrerfragen, die stellen den Versuch dar, das Interesse der Schülerinnen zu wecken und den Unterricht doch in einer wissenschaftlich sinnvollen Art zu entwickeln: Von den Strahlenarten geht es zur biologische Wirkung, zu Kernspaltung, Kernkraftwerken und radioaktivem Abfall.

Was heisst radioaktiv? Warum sind radioaktive Strahlen gefährlich? Wie baut man eine Atombombe?

Amadeus Bärtsch 22. Dez. 2017

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Warum haben Atombomben eine verheerende Wirkung? Wie kann aus Atomen Strom erzeugt werden? Warum geht dabei 60 % der Energie verloren? Was entweicht aus dem Kühlturm? Was passiert bei einem Atomunfall? Z. Bsp. in Fukushima Warum kann ein Kernkraftwerk nie so explodieren wie eine Bombe? Was geschieht mit dem radioaktiven Abfall?

Welche Fachbegriffe sollten erklärt werden?Radioaktiver Zerfall: -, - und -Strahlen, Halbwertszeit, Zerfallsreihe, Radon, Sievert

Kernspaltung: Spaltbares Uran, Anreicherung, Gaszentrifugen, Kettenreaktion, kritische Masse, langsame Neutronen, Moderator, Massendefekt

Persönliche Erfahrung: Die Radiocarbonmethode ist schwierig zu erklären. Zudem kennen die Schülerinnen und Schüler die Exponentialfunktion selten und interessieren sich kaum für die Altersbestimmung. Ich behandle dieses Thema deshalb nicht mehr.

Unterrichtsvorschlag

Was ist Radioaktivität?Einstieg vor dem Periodensystem, das die radioaktiven Elemente deutlich zeigt:

Einige Atome sind radioaktiv, d.h. sie senden ionisierende Strahlen aus dem Atomkern. Beispiele: Ra, U, Pu, Rn. Aber auch die stabilen Elemente haben radioaktive Isotope. Beispielsweise Kohlenstoff: 12C und 13C sind stabil, 14C dagegen radioaktiv.

Einführung der Strahlenarten an der Wandtafel


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Aufgabe: Uran-Radium-Zerfallsreihe Lösung

Lösung

Entstehung des Rn-222 und seiner Folgeprodukte in bodennaher Luft.aus: Martin Volkmer, Radioaktivität und Strahlenschutz, Informationskreis KernEnergie, Berlin, Abb. 8.4 (2007).

Die Halbwertszeit Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte der Atomkerne zerfallen und ein α- oder β-Teilchen abgeben.

Bsp. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren


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Demonstration GeigerzählerDie Zerfälle in 10 Sekunden messen. Wichtig ist, dass der Geigerzähler knattert.

1. Hintergrund. Erkenntnis: Radioaktivität ist überall. Die Atomkerne zerfallen zufällig.

2. Steine mit unterschiedlicher Aktivität messen. Erkenntnisse: Terrestrische Strahlung geht von Boden und Baumaterialien aus. Der Gehalt an radioaktiven Substanzen ist unterschiedlich.

3. Meine Hand ist nach Bestrahlung nicht aktiv aber geschädigt.

4. Uhren prüfen. Zuerst eine alte, deutlich radioaktive Uhr, dann die Uhren und Natels der Schüler. Ein Natel wird auch beim Telefonieren ans Zählrohr gehalten.Erkenntnisse: Früher enthielten Leuchtziffern Radium, heute dagegen phosphoreszierende Substanzen

5. 10 Ci Strontium-90 ist sehr aktiv, lässt sich als -Strahler gut abschirmen

6. 10 Ci Radium ist sehr aktiv, lässt sich nur mit Blei abschirmen da-und-Strahler


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Wie gefährlich sind radioaktive Strahlen?

Die Radiation Dose Chart gibt eine eindrückliche graphische Darstellung: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ARadiation_Dose_Chart_by_Xkcd.png

Biologische Wirkung hoher Dosen

100 mSv tiefste Jahresdosis, bei der eine erhöhte Krebsrate festgestellt wurde

400 mSv in kurzer Zeit erzeigt Symptome der Strahlenkrankheit

2000 mSv starke Strahlenkrankheit, die in einigen Fällen zum Tod führt

8000 mSv Strahlenkrankheit ohne Überlebenschance

(Angaben aus der Radiation Dose Chart)

M. Volkmer, Kernenergie Basiswissen, S. 82 (2013)http://www.kernenergie.de/kernenergie/publikationen/

Quelle: http://www.ffe.ch/fileadmin/DATA_Autoren/Dokumente/infoblatt_juni2002.pdfZugriff am 19.10.2008 oder http://www.win-swiss.ch/de/radioaktivitaet.htm am 19.10.2011


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Die gesamte Jahresbelastung in der Schweiz beträgt ungefähr 4 mSv. Die Dosen durch Radon und medizinische Anwendungen variieren stark. In den medizinischen Anwendungen von 1 mSv wurde lediglich die Röntgendiagnostik, nicht aber die Bestrahlung bei Krebs berücksichtigt.

Computertomographie: Röntgen-Aufnahmeund Durchleuchtung:

Röntgen-Aufnahme:

Bauchraum (13 mSv)Kopf (2 mSv)Lendenwirbelsäule (7 mSv)

Darm (9 mSv)Harntrakt (3 mSv)Magen (6 mSv)

Brustkorb (0,03 mSv)Gliedmaßen (0,05 mSv)Mammographie (0,3 mSv)Zahn (0,01 mSv)

Angaben aus http://www.kernenergie.de/kernenergie/Service/Dosisrechner/index.php

Erkenntnisse Geringe radioaktive Dosen sind unvermeidlich und harmlos. Es gibt keinen Unterschied zwischen natürlicher und künstlicher Strahlung


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KernspaltungPräsentationen: Kernspaltung, Kettenreaktion, kritische Masse von www.fdchemie.pbworks.com

Animation mit Arbeitsblatt http://phet.colorado.edu/en/simulation/nuclear-fissionMit dieser Animation kann Kernspaltung, Kettenreaktion, kritische Masse und Anreicherung demonstriert oder von der Schülerinnen selbständig erarbeitet werden.

Skript für die Schüler: Kernspaltung

graphisch in Worten

n + 235U 90Kr + 143Ba + 3 n

1,0087u 235,0439u 89,9252u 142,9267u 1,0087u

Massendefekt: Weshalb können Atombomben ganze Städte zerstören?Bei der Kernspaltung wird Masse in Energie umgewandelt: E = m·c2

E ist die Energie, m ist der Massenunterschied (der auch als Massendefekt bezeichnet wird) und c ist die Lichtgeschwindigkeit

Ein Beispiel: Wie viel Energie wird bei der Spaltung von 1 kg Uran frei?

n + 235U 90Kr + 143Ba + 3 n

1,0087u 235,0439u 89,9252u 142,9267u 1,0087u

Der Massenunterschied ist die Differenz von Ausgangs- und Endstoffen 236,0526 u - 235,8780 u = 0,1746 u

Wird 1 kg Uran gespalten, so wird 1 kg · = 0,00074 kg in Energie umgewandelt

E = m·c2 E = 0,00074 kg·(3·108 m/s)2 = 6,66·1013 J

Zum Vergleich: 1 kg TNT erzeugt 4520 kJ

Die Spaltung von 1 kg Uran entspricht demnach 14'700'000 kg TNT = 14,7 Kilotonnen TNT


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http://phet.colorado.edu/en/simulation/nuclear-fission


Skript für die Schüler: Kettenreaktion

graphisch in Worten

Die Lehrperson erklärt mit der oben erwähnten Präsentation die Begriffe Kettenreaktion und kritische Masse. Die Schülerinnen halten die Erklärung anschliessend in eignen Worten fest.

Modellversuch zur Kettenreaktion

Metallblech mit Löchern versehen, so dass Zündhölzer – wie rechts abgebildet – hineingesteckt werden können.

Wie bei einer nuklearen Kettenreaktion, in der die Spaltungen lawinenartig zunehmen, brennen auch hier immer mehr Streichhölzer und setzen viel Energie frei.


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Rezept für den Bau einer Atombombe

Für den Bau einer Atombombe benötigt man

1. Viel 235UranIn Hiroshima 64 kg Uran mit 80 % 235U

2. Sprengstoff bringt die unterkritischen Massen zusammen

3. Der Tamper reflektiert Neutronen

4. Starke Hülle hält das Material möglichst lange zusammen. Die Hülle enthält mit Vorteil abgereichertes Uran.

Bemerkung: In einer Bombe werden die 235Uran-Kerne von schnellen Neutronen gespalten. Nur so wird in kürzester Zeit sehr viel Energie frei. Allerdings braucht man eine starke Anreicherung damit es zu einer Kettenreaktion mit schnellen Neutronen kommt.

Die Anreicherung ist schwierig

Wenn Uran abgebaut wird, erhält man 99,3 % 238U und nur 0,7 % spaltbares 235U. Der geringfügige Unterschied in der Atommasse muss für die Anreicherung ausgenützt werden. Einfache Trennmethoden können nicht eingesetzt werden.

Bild aus http://de.wikipedia.org/wiki/Uran-AnreicherungCascade of gas centrifuges used to produce enriched uranium. This photograph is of a the U.S. gas centrifuge plant in Piketon, Ohio from 1984.


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Atombomben im 2. WeltkriegIn den USA wurden 3 Atombomben gebaut. Die erste diente als Test. Die beiden andern wurden über Hiroshima und Nagasaki abgeworfen, obwohl Japan bereits signalisiert hatte, dass es kapitulieren wollte. Vgl. F. Coulmas, Hiroshima und Nagasaki, NZZ, 8.8.2005, S. 23.

Sehr eindrücklich ist der Dokumentarfilm von Hans-Dieter Grabe: "Hiroshima, Nagasaki – Atombombenopfer sagen aus", der auch den geschichtlichen Hintergrund beleuchtet. https://www.youtube.com/watch?v=a4QA19Ufxg0. Im Unterricht können zum Beispiel die ersten 7 Minuten gezeigt werden; allenfalls mit einer Verlängerung bis Minute 12. Persönliche Empfehlung: Filme in Ausschnitten von maximal 10 Minuten zeigen.

Atombombe und KrebsÜberlebende von Hiroshima und Nagasaki wurden medizinisch betreut. Bis 1990 wurden 38 100 Todesfälle registriert.

Bei einer Vergleichsbevölkerung ohne radioaktive Belastung sterben 7 406 von 38 100 an Krebs.Bei den Überlebenden der Atombomben in Japan wurden 7828 Krebstote auf 38 100 Todesfälle registriert. Das sind 422 zusätzliche Krebsfälle. Die Atombombe erhöhte die Krebsrate also um 5,7 %. Leukämie ist selten. Wenn nur diese Krebsart betrachtet wird, nahm die Häufigkeit um 54 % zu.

(Angaben von H.-J. Pfeiffer, Paul-Scherrer-Institut aufgrund von Pierce, Rad. Res. 146, 1-27, 1996)


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KernkraftwerkWie kann die Bombe gezähmt und die Kernspaltung in einem Kernkraftwerk genutzt werden?

1. Kettenreaktion kontrollieren2. Energie abführen und nutzen3. Gamma-Strahlen abschirmen, die bei der Kernspaltung entstehen4. Spaltprodukte sind radioaktiv und dürfen nicht in die Biosphäre gelangen

Empfehlung: Zuerst die Übersicht, dann die Details.

Erkenntnisse

Die Kernspaltung findet in den Brennstäben statt. Die radioaktiven Spaltprodukte sind in den Brennstäben eingeschlossen

Aus dem Kühlturm entweicht harmloser Wasserdampf

Wie in einem Gaskraftwerk wird Wärme erzeugt und in Strom umgewandelt. Es wird nicht Radioaktivität zu Strom gemacht.

Keine Turbine und kein Motor kann mehr als 40 % der Wärmeenergie in mechanische Energie umwandeln. Die Turbine treibt einen Generator, der Bewegung in elektrische Energie umwandelt. Mindestens 60 % der Wärme kann nicht genutzt werden und gelangt über den Kühlturm in die Luft.


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Wie die Kettenreaktion kontrolliert werden kannDie folgenden Abbildungen aus "Kernenergie Basiswissen" von Martin Volkmer zeigen die Prozesse im Kernreaktor ausgezeichnet (Kernenergie Basiswissen, S.41 und 44 (2013) http://www.kernenergie.de/kernenergie/publikationen/ am 27.12.2017)

Reaktor hochfahren Reaktor abstellen

Die Steuerstäbe werden heraus-gezogen. Die Zahl der Spaltungen nimmt zu.

Die Steuerstäbe sind eingefahren und absorbieren die Neutronen, d.h. die Neutronen bleiben in den Steuerstäben stecken und können keine Urankerne mehr spalten


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Tendenziöse InformationDer Brennstoffkreislauf

Quelle: Kernkraftwerk Gösgen, Informationen für Schulen, www.kkg.ch (19.10.2008)

In der Broschüre wird das Bild folgendermassen kommentiert:

"Das Uran stammt aus der Erde und die Abfälle bringt man ebenfalls wieder zurück in die Erde. Der Kreislauf ist geschlossen.Ein Kernkraftwerk „entzieht“ dem Uran gewissermassen die Energie"

Was halten Sie von dieser Beschreibung?

Werbung: Radioaktive Abfälle


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LiteraturMartin Volkmer, Kernenergie Basiswissen, Deutsches Atomforum, Berlin (2013). Mit

hervorragenden Abbildungen und in einfachen Worten erklärt das Heft alles, was zu Radioaktivität und Kernenergie am Gymnasium von Bedeutung ist.Das Dokument kann unter http://www.kernenergie.de/kernenergie/publikationen/ heruntergeladen und für Unterrichtszwecke vervielfältigt werden (23.12.2017).

D. Schuphan et al., Chemie-Buch, Diesterweg Frankfurt und Sauerländer Aarau, 3. Auflage, S. 150 & 151 (1993). Hier finden Sie eine ausgezeichnete Zusammenfassung von Radioaktivität und Kernspaltung mit Abbildungen für den Unterricht.


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