Worum geht es? Der Experimentiertag Radioaktivität bietet genau die richtige Dosis Information für das wichtige Inhaltsfeld Radioaktivität! An elf Stationen führen die Schüler:innen vielfältige Experimente durch und erarbeiten sich zentrale Grundlagen zu den Arten ionisierender Strahlung oder die Wirkung auf den Organismus. Ziel ist es unter anderem, dass sich die Teilnehmenden am Ende des Tages eine sachlich fundierte Meinung bilden können. Der Experimentiertag ist nicht nur eine Ergänzung für den Unterricht, sondern deckt die meisten Kompetenzbereiche der Mittelstufe ab. Für Schüler:innen aus Grund- und Leistungskursen der Sekundarstufe II bietet dieser Tag nicht nur einen sehr guten Einblick sondern zusätzliche die Möglichkeit zur Vertiefung des Themenfeldes. Darüber hinaus werden sie erfahren, zu welchem Zweck radioaktive Strahlung im Forschungszentrum eingesetzt wird und welche Gefahren aber auch welcher Nutzen damit verbunden sind.
Bezug zur FZJ-Forschung Radioaktivität ist ein Thema, welches immer wieder - sowohl am FZJ als auch in der Öffentlichkeit - unter verschiedenen Gesichtspunkten thematisiert und diskutiert wird. Das Themenspektrum reicht dabei vom Einsatz radioaktiver Materialien in der Medizin und Gesundheitsforschung über die Energieversorgung hin zur fachgerechten Entsorgung und Lagerung.
Vorgesehene Experimente
- Nulleffekt - Radioaktivität im Alltag - Wirkung ionisierender Strahlung auf den Menschen - Reichweite von ß-Strahlung - Abschirmung von ß-Strahlung - Magnetische Ablenkung von Strahlung - Zerfallsreihen - Halbwertszeit und Zerfallsgesetz - Kernreaktor und Kernspaltung - Kernfusion
Lernvoraussetzungen
Sek-I Die Schüler:innen sollen… - Atombau und Isotope eines Elements kennen - das Konzept Halbwertzeit verstehen - die schädliche Wirkung ionisierender Strahlung einschätzen können
Sek-II Die Schüler:innen sollen… - α-, β-, γ-Strahlung, Röntgenstrahlung und Schwerionenstrahlung und deren Quellen kennen - den Atombau sicher beherrschen - die Isotope eines Elements und Halbwertzeiten verstehen - Zerfallsprozesse und Kernumwandlungen kennen - die schädliche Wirkung ionisierender Strahlung einschätzen können
Vorteilhafte, aber nicht zwingende Lernvoraussetzungen: - Zerfallsreihen kennen - Kernfusion als Perspektive der Energieversorgung kennen - die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohrs verstehen
Anbindung an den Lehrplan
Mittelstufe (Gymnasium)
Inhaltsfeld Ionisierende Strahlung und Kernenergie Inhaltliche Schwerpunkte: - Atomaufbau und ionisierende Strahlung: Alpha-, Beta-, Gamma- Strahlung, radioaktiver Zerfall, Halbwertszeit, Röntgenstrahlung - Wechselwirkung von Strahlung mit Materie: Nachweismethoden, Absorption, biologische Wirkungen, medizinische Anwendung, Schutzmaßnahmen - Kernenergie: Kernspaltung, Kernfusion, Kernkraftwerke Umgang mit Fachwissen: Die Sus können - Eigenschaften verschiedener Arten ionisierender Strahlung (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung sowie Röntgenstrahlung) beschreiben (UF1, E4) - (mit Wirkungen der Lorentzkraft) Bewegungen geladener Teilchen in einem Magnetfeld qualitativ beschreiben (UF1) - verschiedene Nachweismöglichkeiten ionisierender Strahlung beschreiben und erläutern (UF1, UF4, K2, K3) - Quellen und die Entstehung von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung beschreiben (UF1) - die Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie erläutern sowie Gefährdungen und Schutzmaßnahmen erklären (UF1, UF2, E1) - die kontrollierte Kettenreaktion in einem Kernreaktor erläutern sowie den Aufbau und die Sicherheitseinrichtungen von Reaktoren erklären (UF1, UF4, E1, K4) - medizinische und technische Anwendungen ionisierender Strahlung sowie zugehörige Berufsfelder darstellen (UF4, E1, K2, K3) Erkenntnisgewinnung: Die SuS können - die Aktivität radioaktiver Stoffe messen (Einheit Bq) und dabei den Einfluss der natürlichen Radioaktivität berücksichtigen (E4) - den Aufbau von Atomen, Atomkernen und Isotopen sowie die Kernspaltung und Kernfusion mit einem passenden Modell beschreiben (E6, UF1) - mit dem zufälligen Prozess des radioaktiven Zerfalls von Atomkernen das Zerfallsgesetz und die Bedeutung von Halbwertszeiten erklären (E5, E4, E6) Bewertung: Die SuS können - Daten zu Gefährdungen durch Radioaktivität anhand der effektiven Dosis (Einheit Sv) unter Berücksichtigung der Aussagekraft von Grenzwerten beurteilen (B2, B3, B4, E1, K2, K3) - Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Röntgenstrahlung auf der Grundlage physikalischer und biologischer Erkenntnisse begründet abwägen (K4, B1, B2, B3) - Maßnahmen zum persönlichen Strahlenschutz begründen (B1, B4) Beiträge zu den Basiskonzepten Energie: Durch Kernspaltung und Kernfusion kann nutzbare Energie gewonnen werden. Struktur der Materie: Mit einem erweiterten Modell des Atoms und des Atomkerns können Arten und Eigenschaften von ionisierender Strahlung sowie von Isotopen erklärt werden. Wechselwirkung: Radioaktive Strahlung und Röntgenstrahlung können Atome und Moleküle ionisieren. System: Die Rückkopplung zwischen technischen Komponenten in einem Kernkraftwerk erfolgt mit dem Ziel eines stabilen Gleichgewichts bei Kettenreaktionen der Kernspaltung. Bei Systemen, die durch Zufallsprozesse bestimmt sind, sind Vorhersagen auf der Grundlage einer stochastischen Beschreibung möglich
Mittelstufe (Gesamtschule)
Inhaltsfeld Radioaktivität und Kernenergie Inhaltliche Schwerpunkte: Atomkerne und Radioaktivität Ionisierende Strahlung Kernspaltung Umgang mit Fachwissen: Die SuS können - Eigenschaften, Wirkungen und Nachweismöglichkeiten verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und von Röntgenstrahlung beschreiben (UF1) - die Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie erläutern und damit mögliche medizinische und technische Anwendungen, sowie Gefährdungen und Schutzmaßnahmen erklären (UF1, UF2, E1) - Kernspaltung und kontrollierte Kettenreaktion in einem Kernreaktor (E-Kurs: auch unter energetischen Gesichtspunkten) erläutern (UF1) Erkenntnisgewinnung: Die SuS können - den Aufbau von Atomen und Atomkernen, die Bildung von Isotopen sowie Kernspaltung und Kernfusion mit einem angemessenen Atommodell beschreiben (E7, UF1) - physikalische, technische und gesellschaftliche Probleme der Nutzung der Kernenergie differenziert darstellen (E1, K7) - Zerfallskurven und Halbwertszeiten zur Vorhersage von Zerfallsprozessen nutzen (E8) - Gesetze erläutern (E9) Kommunikation (E-Kurs): Die SuS können vorgegebene schematische Darstellungen von Zerfallsreihen interpretieren (K2) Bewertung: Die SuS können - Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Röntgenstrahlung auf der Grundlage physikalischer und biologischer Fakten begründet abwägen (B1) - Gefährdungen durch Radioaktivität anhand von Messdaten (in Bq, Gy, Sv) grob abschätzen und beurteilen (E-Kurs) (B2, B3) - Die Entdeckung der Radioaktivität und der Kernspaltung als Ursache für Veränderungen in Physik, Technik und Gesellschaft darstellen und beurteilen (E-Kurs) (B3) Beiträge zu den Basiskonzepten: Struktur der Materie: Atome und Atomkerne, Ionen, Isotope, radioaktiver Zerfall Energie: Kernenergie, Energie ionisierender Strahlung Wechselwirkung: α-,β-,γ-Strahlung, Röntgenstrahlung, Wirkungen ionisierender Strahlen, Strahlenschutz System: Halbwertzeiten, Kernspaltung und Kettenreaktion, natürliche Radioaktivität
Mittelstufe (Realschule)
Inhaltsfeld Radioaktivität und Kernenergie Inhaltliche Schwerpunkte: Atomkerne und Radioaktivität Ionisierende Strahlung Kernspaltung Umgang mit Fachwissen: Die SuS können - Eigenschaften, Wirkungen und Nachweismöglichkeiten verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und von Röntgenstrahlung beschreiben (UF1) - Halbwertszeiten auf statistische Zerfallsprozesse großer Anzahlen von Atomkernen zurückführen (UF1, UF4, E8) - die Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie erläutern und damit Anwendungen sowie Gefährdungen und Schutzmaßnahmen erklären (UF1, UF2) - die Kernspaltung in einer kontrollierten Kettenreaktion in einem Kernreaktor und die damit verbundenen Stoff- und Energieumwandlungen erläutern (UF1, E7) Erkenntnisgewinnung: Die SuS können - den Aufbau des Atomkerns, die Bildung von Isotopen und die Kernspaltung sowie die Kernfusion mit einem angemessenen Atommodell beschreiben (E7) - Zerfallskurven und Halbwertszeiten zur Vorhersage von Zerfallsprozessen nutzen (E8) - die Veränderungen in Physik, Technik und Gesellschaft durch die Entdeckung radioaktiver Strahlung und Kernspaltung beschreiben (E9) Bewertung: Die SuS können - Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und von Röntgenstrahlung auf der Grundlage physikalischer und biologischer Fakten begründet abwägen (B1) - eine eigene Position zur Nutzung der Kernenergie einnehmen, dabei Kriterien angeben und ihre Position durch stringente und nachvollziehbare Argumente stützen (B2) Beiträge zu den Basiskonzepten: System: Kernkraftwerke, Kettenreaktion, Halbwertszeiten Wechselwirkung: Kernkräfte, α-,β-,γ-Strahlung, Röntgenstrahlung Energie: Kernenergie, Energie ionisierender Strahlung Struktur der Materie: Atome, Atomkerne, Kernspaltung, radioaktiver Zerfall
Mittelstufe (Hauptschule)
Inhaltsfeld Radioaktivität und Kernenergie Inhaltliche Schwerpunkte: Atomkerne und Radioaktivität Ionisierende Strahlung Kernspaltung Umgang mit Fachwissen: Die SuS können - Eigenschaften, Wirkungen und Nachweismöglichkeiten verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und von Röntgenstrahlung beschreiben (UF1) - die Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie erläutern und damit mögliche medizinische und technische Anwendungen sowie Gefährdungen und Schutzmaßnahmen erklären (UF1, UF2, E1) - Kernspaltung und kontrollierte Kettenreaktion in einem Kernreaktor (Typ B: auch unter energetischen Gesichtspunkten) erläutern (UF1) Erkenntnisgewinnung: Die SuS können - den Aufbau von Atomen und Atomkernen, Eigenschaften von Isotopen und die Kernspaltung mit einem angemessenen Atommodell beschreiben (E7, UF1) - Halbwertszeiten und Zerfallskurven zur Beschreibung von Zerfallsprozessen nutzen (E8) - Gefährdungen durch Radioaktivität auf der Grundlage von Messwerten (in den Messgrößen Bq, Gy, Sv) einschätzen (Typ B) (E6) Bewertung: Die SuS können Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Röntgenstrahlung auf der Grundlage physikalischer und biologischer Fakten begründet abwägen (B1) Beiträge zu den Basiskonzepten: System: Kernspaltung und Kettenreaktion, Halbwertszeit Wechselwirkung: α-, β-, γ-Strahlung, Röntgenstrahlung, Wirkung ionisierender Strahlung, Strahlenschutz Energie: Energie ionisierender Strahlung, Kernenergie Struktur der Materie: Atome, Atomkerne, Ionen, natürliche Radioaktivität, Isotope
Oberstufe (Gymnasium/Gesamtschule)
Grundkurs Inhaltsfeld Strahlung und Materie Inhaltliche Schwerpunkte: - Strahlung: Spektrum der elektromagnetischen Strahlung; ionisierende Strahlung, Geiger-Müller-Zählrohr, biologische Wirkungen - Atomphysik: Linienspektrum, Energieniveauschema, Kern-Hülle-Modell, Röntgenstrahlung - Kernphysik: Nukleonen; Zerfallsprozesse und Kernumwandlungen, Kernspaltung und -fusion Sachkompetenz: Die SuS - erklären die Entstehung von Bremsstrahlung und charakteristischer Röntgenstrahlung (S3, E6, K4) - unterscheiden α-, β-, γ-Strahlung, Röntgenstrahlung und Schwerionenstrahlung als Arten ionisierender Strahlung (S1) - ordnen verschiedene Frequenzbereiche dem elektromagnetischen Spektrum zu (S1, K6) - erläutern den Aufbau und die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohrs als Nachweisgerät für ionisierende Strahlung (S4, S5, K8) - erläutern den Begriff der Radioaktivität und zugehörige Kernumwandlungsprozesse auch mithilfe der Nuklidkarte (S1, S2) - wenden das zeitliche Zerfallsgesetz für den radioaktiven Zerfall an (S5, S6, K6) - erläutern qualitativ den Aufbau eines Atomkerns aus Nukleonen, den Aufbau der Nukleonen aus Quarks sowie die Rolle der starken Wechselwirkung für die Stabilität des Kerns (S1, S2) Erkenntnisgewinnung: Die SuS - untersuchen experimentell anhand der Zählraten bei Absorptionsexperimenten unterschiedliche Arten ionisierender Strahlung (E3, E5, S4, S5) - ermitteln im Falle eines einstufigen radioaktiven Zerfalls anhand der gemessenen Zählraten die Halbwertszeit (E5, E8, S6) - begründen wesentliche biologisch-medizinische Wirkungen ionisierender Strahlung mit deren typischen physikalischen Eigenschaften (E6, K3) - quantifizieren mit der Größe der effektiven Dosis die Wirkung ionisierender Strahlung und bewerten daraus abgeleitete Strahlenschutzmaßnahmen (E8, S3, B2) Bewertung: Die SuS bewerten die Bedeutung hochenergetischer Strahlung hinsichtlich der Gesundheitsgefährdung sowie ihres Nutzens bei medizinischer Diagnose und Therapie (B5, B6, K1, K10) Ausgewählte Beiträge zu den Basiskonzepten Zufall und Determiniertheit: Der Zerfall eines einzelnen Atomkerns und die Beschreibung des zeitlichen Ablaufs des Zerfalls einer großen Menge radioaktiver Atomkerne anhand des Zerfallsgesetzes sind ein Beispiel für den Zusammenhang von Zufall und Determiniertheit physikalischer Vorgänge.
Leistungskurs Inhaltsfeld Atom- und Kernphysik Inhaltliche Schwerpunkte: - Atomaufbau: Atommodelle, Energieniveauschema; Röntgenstrahlung - Ionisierende Strahlung: Strahlungsarten, Nachweismöglichkeiten ionisierender Strahlung, Eigenschaften ionisierender Strahlung, Absorption ionisierender Strahlung - Radioaktiver Zerfall: Kernaufbau, Zerfallsreihen, Zerfallsgesetz, Halbwertszeit - Kernspaltung und -fusion: Bindungsenergien, Massendefekt; Kettenreaktion Sachkompetenz: Die SuS - erläutern qualitativ den Aufbau eines Atomkerns aus Nukleonen, den Aufbau der Nukleonen aus Quarks sowie die Rolle der starken Wechselwirkung für die Stabilität des Kerns (S1, S2, K3) - ordnen verschiedene Frequenzbereiche dem elektromagnetischen Spektrum zu (S1, K6) - unterscheiden α-, β-, γ-Strahlung, Röntgenstrahlung und Schwerionenstrahlung als Arten ionisierender Strahlung (S1) - beschreiben natürliche Zerfallsreihen sowie künstlich herbeigeführte Kernumwandlungsprozesse (Kernspaltung und -fusion, Neutroneneinfang) auch mithilfe der Nuklidkarte (S1) - erklären die Ablenkbarkeit in elektrischen und magnetischen Feldern sowie Durchdringungs- und Ionisierungsfähigkeit von ionisierender Strahlung mit ihren Eigenschaften (S1, S3) - leiten auf der Basis der Definition der Aktivität das Gesetz für den radioaktiven Zerfall einschließlich eines Terms für die Halbwertszeit her (S7, E9) - erläutern den Aufbau und die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohrs als Nachweisgerät ionisierender Strahlung (S4, S5, K8) - beschreiben Kernspaltung und Kernfusion mithilfe der starken Wechselwirkung zwischen den Nukleonen auch unter quantitativer Berücksichtigung von Bindungsenergien (S1, S2) - erläutern den Ablauf einer Kettenreaktion als zentrales Merkmal bei der Energiefreisetzung durch Kernspaltung (S1) Erkenntnisgewinnung: Die SuS - wählen für die Planung von Experimenten mit ionisierender Strahlung zwischen dem Geiger-Müller-Zählrohr und einem energiesensiblen Detektor gezielt aus (E3, E5, S5, S6) - konzipieren Experimente zur Bestimmung der Halbwertszeit kurzlebiger radioaktiver Substanzen (E2, E5, S5) - quantifizieren mit der Größe der effektiven Dosis die Wirkung ionisierender Strahlung und bewerten daraus abgeleitete Strahlenschutzmaßnahmen (E8, S3, B2) Bewertung: Die SuS - wägen die Chancen und Risiken bildgebender Verfahren in der Medizin unter Verwendung ionisierender Strahlung gegeneinander ab (B1, B4, K3) - bewerten Nutzen und Risiken von Kernspaltung und Kernfusion hinsichtlich der globalen Energieversorgung (B5, B7, K3, K10) Ausgewählte Beiträge zu den Basiskonzepten Zufall und Determiniertheit: Der Zerfall eines einzelnen Atomkerns und die Beschreibung des zeitlichen Ablaufs des Zerfalls einer großen Menge radioaktiver Atomkerne anhand des Zerfallsgesetzes sind ein Beispiel für den Zusammenhang von Zufall und Determiniertheit physikalischer Vorgänge.
Lernform Stationenlernen (Zweier- oder Dreiergruppen)
Anzahl der Teilnehmenden min. 10 Personen max. 30 Personen (Falls Ihre Lerngruppe größer ist, kontaktieren Sie uns bitte.) max 28 Personen bei zusammengesetzten Lerngruppen plus 1-2 Begleitpersonen
Beginn - Ende 08:45 - ca. 16:00 Uhr
Kosten 10,00 € pro Person inklusive Mittagsverpflegung
