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Struktur der Materie 85

4 StrukturderMaterie

Kommentar Im Zentrum des Kapitels steht aus physikalischer Sicht der Begriff der Radioaktivität. Die Hinführung erfolgt über die Darstellung der Größenverhältnisse und die Indizien für die Existenz von Atomen. Mit bildlichen Darstellungen von Atomen wird vorsichtig umgegangen, insbesondere auf die Darstellung der Elektronen in der Atomhülle wird verzichtet. Um die Funktionsweise von Nachweisgeräten für die radioaktive Strahlung zu verstehen, müssen Eigenschaften dieser Strahlung bekannt sein. Daran schließen sich Darstellungen zur biologischen Strahlenwirkung und zum Strahlenschutz an, sowie zu Entstehung der radioaktiven Strahlung im Atomkern. Bei der Behandlung der Halbwertszeit bietet sich im

Unterricht die Möglichkeit, auf die Besonderheiten stochastischer Gesetze in der Physik einzugehen.Kernspaltung, Kernfusion Funktionsweise von Kernkraftwerken werden zur Vertiefung für interessierte SuS als Lesestoff angeboten.

Lösung der EinstiegsfrageDas BikiniAtoll wurde von den USA nach dem zweiten Weltkrieg zum Testen von Kernwaffen benutzt. Die BravoBombe (Test am 28. 2. 1954) war die stärkste je von den USA gebaute Bombe. Laut internationaler Atomenergiebehörde ist der Aufenthalt auf den Inseln mittlerweile unbedenklich; der regelmäßige Verzehr lokal erzeugter Nahrungsmittel würde allerdings zu einer Strahlenbelastung von 15 mSv/Jahr führen.

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86 Struktur der Materie

(S. 98) 4.1 Atome

Lernziele SuS beschreiben das KernHülleModell des Atoms. Sie deuten das Phänomen der Ionisation mit Hilfe des Modells.

Begriffe Atom, Atomkern, Atomhülle, Ion

Hinweise/Kommentar Die Existenz von Atomen wird mit einem Gedankenexperiment begründet: Ein makroskopischer Stoff wird immer weiter zerteilt bis man zu einem kleinsten Teilchen gelangt. An sich ist diese Begründung nicht ganz unproblematisch, da SuS die Körpereigenschaften des makroskopischen Körpers oftmals auch auf die Mikroobjekte übertragen, was zu einer Diskussion über den Begriff „kleinstes Teilchen“ führen kann. Allerdings lässt sich dies auch nicht durch andere mögliche Einstiege (z. B. über den Ölfleckversuch) ganz vermeiden. Zudem ist der Atombegriff schon aus dem Chemieunterricht bekannt, sodass die Lerneinheit mehr oder weniger nur eine Wiederholung bereits bekannten Wissens darstellt.

Einstieg Das Foto regt an, über das Problem des fortgesetzten Teilens nachzudenken.

VersucheimSchulbuch V1 Ein einfaches Gedankenexperiment erläutert das Prinzip des Rutherford’schen Streuversuchs: Ein mit Styroporkugeln gefüllter Sack enthält einige Steine. Um etwas über den Inhalt des Sacks herauszufinden, schießt man zunächst Bälle gegen den Sack. Diese prallen, ebenso wie kleinere Murmeln bereits an der Hülle ab. Schießt man hingegen mit schmalen Pfeilen oder gar Pistolenkugeln auf den Sack, so können diese den Sack durchdringen, sofern ihnen nichts anderes als Styropor im Wege ist. Treffen Sie auf einen Stein, werden sie daran abprallen und abgelenkt werden. Die Art der Ablenkung wird dann zusätzlich von der Form, der Größe und der Anzahl der Steine pro Volumen abhängen.

a)

Bälle

b)

Murmeln

c)

Pfeile

d)

Gewehrkugeln

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V2 Ein Radiumpräparat in einem Vakuumgefäß wird so ausgerichtet, dass die von ihm ausgesandten Heliumkerne senkrecht auf eine sehr dünne Goldfolie treffen. Auf einem Fluoreszenzschirm kann man die Heliumkerne als Lichtblitze nachweisen. Hinter dem Schirm befindet sich ein Mikroskop, mit dem man den genauen Auftreffort bestimmen kann. Im Experiment durchdringt der größte Teil der Heliumkerne die Folie ohne Ablenkung, allerdings wird ein Bruchteil auch abgelenkt und sogar zurückgestreut.

WeitereVersuche V3 Ein Tropfen Ölsäure, gelöst in Leichtbenzin (Verhältnis 1 : 2 000), fällt auf eine Wasseroberfläche, die vorher mit Schwefelpulver bestreut wurde. Das Öl bildet einen kreisförmigen Fleck und schiebt dabei das Schwefelpulver beiseite. Rühren innerhalb des Ölflecks verändert seine Größe nicht. Der Versuch wird mit der doppelten, dreifachen Ölmenge wiederholt.Um das Volumen eines Tropfens zu bestimmen, wird mit einer Pipette ein Volumen von 1 cm 3 tropfenweise gefüllt wobei man die Tropfen zählt. Das Volumen eines Tropfens ist 1 cm 3 geteilt durch die Anzahl der Tropfen. Der Ölanteil in dem Tropfen beträgt dann noch ein Zweitausendstel davon. So kann die Dicke des Ölflecks bestimmt werden.(Werte: V Öl = 0,017 mm 3 , A Ölfleck = 13 300 mm 2 , h = 1,3 · 10 − 6 mm).

Material Animationen/Simulationen: – Ölfleckversuch (ra_s1_si_001)– Streuversuch von Rutherford (ra_s1_si_002)– KernHülleModell (ra_s1_si_003)

LösungenderAufgaben A1 0 Die Atomhülle ist etwa 100 000mal so groß wie der Atomkern. 20 m = 20 000 mm, d. h. der Atomkern hätte in diesem Modell einen Durchmesser von 0,2 mm. Zum Vergleich: Kopfhaar hat einen Durchmesser von etwa 0,1 mm, ein Fingernagel hat eine Dicke von etwa 0,6 mm.

A2 $ Das Rutherford’sche Streuexperiment hat gezeigt, dass das Atom aus einem kleinen undurchdringbaren Bereich (Atomkern) und einem im Vergleich dazu sehr großen durchdringbaren Bereich (Atomhülle) besteht.

A3 . a) Das Ion bewegt sich aufgrund gegenseitiger Anziehung zur positiv geladenen Platte hin. D. h., es ist negativ geladen.b) Durch weitere Ionisation erhöht sich die negative Ladung des Ions. Die Anziehung zwischen positiv geladener Platte und Ion wird größer. Dadurch wird die Krümmung der Bahn stärker (und das Ion würde in diesem Beispiel auf die Platte treffen). Ein Ion mit gleicher Ladung aber größerer Masse würde sich aufgrund seiner größeren Trägheit auf einer weniger stark gekrümmten Bahn bewegen.

0°

180°

90°

90°

Drehtisch

Bleiblock mitRadium-Präparat

Leucht-schirm

Mikroskopfeststehend

Goldfolie

Helium-Teilchen

Vakuum

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(S. 100) 4.2 Atome und ihre Hülle

Lernziele SuS beschreiben das KernHülleModell des Atoms. Sie deuten Spektral und Farbphänomene als Ergebnis von Energieänderungen der Atomhülle, ohne dass Ionisation eintritt.

Begriffe Atomhülle, Ionisation, Grundzustand, angeregter Zustand

Hinweise/Kommentar Es muss Augenmerk darauf gelegt werden, dass den Schülerinnen und Schülern klar ist, dass es sich bei diesem Themengebiet um Phänomene der Atomhülle handelt und im späteren Verlauf des Unterrichts um Vorgänge des Atomkerns. Bei späteren Unklarheiten kann insbesondere auf den Energieaspekt und die völlig unterschiedlichen Größenordnungen eingegangen werden.

Einstieg Das Foto regt an, über das Problem des Nachweises von Bedingungen für Leben nachzudenken.

VersucheimSchulbuch V1 In die nichtleuchtende Flamme eines Bunsenbrenners werden verschiedene Salzproben gehalten. Die Flamme leuchtet jeweils in einer Farbe, die für das Salz typisch ist. Bei Kochsalz (NaCl) färbt sich die Flamme intensiv gelb.

V2 Das Licht einer Natriumdampflampe wird durch ein Spektrometer betrachtet. Man sieht dabei Farbstreifen, die charakteristisch für Natrium sind. Betrachtet man das Licht einer Quecksilberdampflampe, so findet man andere Farbstreifen.

V3 Durch ein Handspektrometer wird das Licht einer Leuchtstoff röhre betrachtet. Man beobachtet einzelne farbige Linien.

Material Animationen/Simulationen: – KernHülleModell (ra_s1_si_003)

LösungenderAufgaben A1 0 Anregung durch Stoß mit anderen Teilchen, durch Erhitzen oder durch Beleuchtung.

weißes Glühlicht

Hg

H

Na

400 nm700 650 600 550 500 450

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A2 $ a) Bei einer Leuchtstoffröhre wird ein Gas zum Aussenden von Licht angeregt. Dieses Gas sendet beim Übergang von einem angeregten Zustand in den Grundzustand nur Licht einzelner Farben aus. Damit ist das Spektrum kein durchgängiges Farbband wie bei der Glühlampe.b) Das Licht, das im Inneren der Sonne entsteht, muss erst durch die Gashülle der Sonne hindurch. Dabei werden Atome angeregt. Während beim Übergang von einem angeregten Zustand zum Grundzustand Licht einer bestimmten Farbe ausgesendet wird, wird beim umgekehrten Vorgang (Übergang vom Grundzustand zum angeregten Zustand) Licht dieser Farbe absorbiert. Deshalb fehlen Farblinien im Spektrum.c) Jede Linie ist charakteristisch für höchstens ein Atom. d) Atome können mehrere verschiedene angeregte Zustände und damit auch mehrere Spektrallinien besitzen, deshalb könnten es auch weniger, in dem Fall drei, Atomsorten sein.

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(S. 102) 4.3 Atome und ihre Kerne

Lernziele SuS beschreiben den Aufbau des Atomkerns und deuten die Stabilität von Atomkernen mit Hilfe der Kernkraft. Sie erläutern den Begriff Isotop.

Begriffe Proton, Neutron, Kernkraft (starke Kraft), Element, Isotop, Massenzahl, Kernladungszahl, Ordnungszahl

Hinweise/Kommentar SuS wissen, dass sich gleichartig geladene Körper gegenseitig abstoßen. Da man diese Abstoßung auch im Atomkern nicht „abschalten“ kann, ist eine weitere Kraft notwendig um den Atomkern zusammenzuhalten. In Versuch V1 wird dafür ein Modell entwickelt, dass die Zusammenhänge veranschaulicht. Das Modell lässt sich später auch für die Erklärung des Kernzerfalls und der Kernspaltung heranziehen.

Einstieg Mit dem Bild des Teilchendetektors wird einerseits angedeutet, dass auch die Bestandteile des Atomkerns eine Struktur haben, andererseits kann allein schon durch die Größe der Anlage (zu erkennen sind im Bild Laufstege und Leitern) darauf geschlossen werden, mit welcher Energie Teilchenstrahlen hier aufeinander geschossen werden.

VersucheimSchulbuch V1 Modellversuch zum Aufbau des Atomkerns: Besorge dir zwei Stabmagnete und einen gleich großen Quader aus Aluminium. Zwei Magnete stoßen sich ab, wenn sich gleichnamige Pole, z. B. zwei Nordpole, gegenüberstehen. Alu minium wird von Magneten nicht angezogen. Klebe Klettband auf die Pole der Magnete. Die Magnete werden nun zusammengehalten, selbst wenn sich gleichnamige Pole berühren. Auch der Aluquader hält mit Klettband nun an den Polen der Magnete.

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V2 Massenspektrometrie ist ein Verfahren zur Bestimmung von Atommassen. Die Atome werden zunächst ionisiert (positiv geladen) und auf die gleiche Geschwindigkeit beschleunigt. Ein magnetisches Feld lenkt sie seitlich ab. Aus dem Betrag der Ablenkung kann auf die Masse des Ions geschlossen werden. So können z. B. Isotope eines Elements unterschieden werden. Der folgende Modellversuch veranschaulicht das Prinzip: Kugeln unterschiedlicher Masse rollen über eine schiefe Ebene und werden durch den Luftstrom eines Gebläses seitlich abgelenkt. Je geringer die Masse einer Kugel ist, desto stärker wird sie abgelenkt. Kugeln gleicher Masse rollen in denselben Behälter.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Atome und Atomkerne (ra_s1_ab_001)

Animationen/Simulationen: – Periodensystem der Elemente (ra_s1_si_004)

LösungenderAufgaben A1 0 Isotope sind Atome, deren Kerne dieselbe Anzahl an Protonen, aber unterschiedliche Anzahlen von Neutronen enthalten. Der Kern von Wasserstoff ( 1 1 H) besteht aus einem Proton, der von Deuterium ( 2 1 H) aus einem Proton und einem Neutron und der von Tritium ( 3 1 H) aus einem Proton und zwei Neutronen. Die Schreibweise ( A   Z  X ) bedeutet also, dass der Kern aus Z Protonen und aus ( A – Z ) Neutronen besteht

A2 $ Beispiele: Pfefferkorn (30 mg) – kleines Hühnerei (60 g)Stubenfliege (80 mg) – Vespa Motorroller (ca. 160 kg)Tafel Schokolade (100 g) – Löwe (ca. 200 kg)Päckchen Kaffee (500 g) – Kleinwagen (ca. 1 t)Liter Milch (1 kg) – großer Pkw/SUV (ca. 2 t)

A3 .

Isotop Protonenzahl Elektronenzahl Neutronenzahl

53 26 Fe 26 26 27

64 29 Cu 29 29 35

207 82 Pb 82 82 125

235 92 U 92 92 143

238 92 U 92 92 146

relative Häufigkeit

Masse der Kugeln

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

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(S. 104) 4.4 Strahlung radioaktiver Stoffe

Lernziele SuS beschreiben die ionisierende Wirkung radioaktiver Strahlung und deren stochastischen Charakter.

Begriffe radioaktive Strahlung, GeigerMüllerZählrohr, Zählrate, Nulleffekt

Hinweise/Kommentar Die Behandlung der Eigenschaften radioaktiver Strahlung vermittelt wesentliche Einblicke in physikalische Methoden. Um die Eigenschaften zu untersuchen, müssen Nachweisgeräte verwendet werden; um Nachweisgeräte zu bauen und deren Funktionsweise zu verstehen, müssen die Eigenschaften bekannt sein (Bemerkung: eine ähnliche Situation gibt es z. B. bei den Themen „Thermometer“ ↔ „thermische Eigenschaften von Körpern“). Es wird klar, dass die Gewinnung neuer Kenntnisse nur in einem schrittweisen Prozess erfolgen konnte bzw. kann: Zunächst wurde beobachtet, dass radioaktive Strahlung Luft ionisiert (V1). → Diese Eigenschaft wurde bei der Konstruktion des GeigerMüllerZählrohrs verwendet. → Mit dem GeierMüllerZählrohr wird der stochastische Charakter der radioaktiven Strahlung untersucht. → usw.

Einstieg Die Entdeckung der radioaktiven Strahlung ist ein Beispiel dafür, dass neue Erkenntnisse oft durch Zufall gewonnen werden. Es ist dabei aber auch wichtig zu betonen, dass die Leistung der Wissenschaftler nicht unterschätzt werden darf – schließlich muss die „zufällige Entdeckung“ erstmal auch tatsächlich als etwas Neues/Besonderes erkannt und dann auch gedeutet werden.

VersucheimSchulbuch V1 Zwei Metallplatten stehen sich gegenüber. Jede ist mit dem Pol einer geeigneten Hochspannungsquelle verbunden. Zwischen den Platten ist Luft. Wird zwischen die Platten ein radioaktives Präparat gebracht, weist ein Messverstärker einen Strom nach.

V2 Ein Zählrohr ist über einen Verstärker an einen Lautsprecher angeschlossen. Dem Zählrohr wird ein radioaktives Präparat genähert. Man hört unregelmäßiges Knacken, das bei Annäherung häufiger wird.

V3 Vor das Zählrohr werden nacheinander Sand, Kohlestücke, alte Leuchtzifferuhren, … gelegt. Bei fast allen Stoffen knackt es im Lautsprecher, jedoch mit unterschied licher Häufigkeit.

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V4 Der Lautsprecher aus V2 wird durch einen Zähler ersetzt. Er zählt die elektrischen Impulse, die im Lautsprecher das Knacken auslösen. Auch ohne radioaktives Präparat werden Impulse angezeigt. Miss die Impulse eine Minute lang. Man erhält z. B.:

MessungNr. 1 2 3 4 5 ¿ZahlderImpulse 15 18 17 16 15 16

V5 Setze ein radioaktives Präparat in eine sogenannte Nebelkammer. Diese enthält mit Wasserdampf oder Alkohol gesättigte Luft. Wird das Volumen der Kammer plötzlich vergrößert, so werden in der Kammer Nebelspuren sichtbar, die vom Präparat ausgehen.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Radioaktive Strahlung (ra_s1_ab_002)

LösungenderAufgaben A1 . a) Ein GeigerMüllerZählrohr zeigt überall eine schwache radioaktive Strahlung an, auch wenn sich keine radioaktive Strahlungsquelle in der Nähe befindet. Diese Erscheinung heißt „Nulleffekt“. Die Strahlung stammt aus dem Weltall, aus der Atmosphäre und von radioaktiven Stoffen in und auf der Erde.b) Sowohl Gesteine als auch Baumaterial können unterschiedliche Konzentrationen von radioaktiven Elementen wie Thorium, Kalium oder Radium enthalten. Zudem ist die radioaktive Strahlung aus dem All schwankend.

A2 $ a) In 30 Minuten erhält man im Mittel 30 · 150 Impulse = 4 500 Impulse.b) Aufgrund des stochastischen Charakters radioaktiver Strahlung kann es kleine Abweichungen bei der Zählrate geben, die sich aber „wegmitteln“ je länger die Messzeit beträgt. Außerdem wird jede Messung durch den Nulleffekt überlagert, der von Ort zu Ort verschieden ist. Abweichungen kann es daher geben, wenn dieser Nulleffekt nicht richtig berücksichtigt wird.

A3 . Die Strahlung breitet sich in alle Richtungen (oder zumindest in einen bestimmten Raumwinkelbereich) aus. D. h., sie verteilt sich auf eine mit zunehmendem Abstand größer werdende Fläche, siehe Abbildung:

Präparat

Licht

Pumpe

Strahlung verteilt sich auf 16 cm2

Zählrohr

Strahlung trifft auf 1 cm2



5 cm10 cm

15 cm20 cm

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(S.106) Exkurs Nachweis radioaktiver Strahlung

Lernziele SuS beschreiben Aufbau und Funktionsweise verschiedener Nachweisgeräte für radioaktive Strahlung, insbesondere das GeigerMüllerZählrohr.

Begriffe GeigerMüllerZählrohr, Nebelkammer, Fotofilm, HalbleiterDetektor

Hinweise/Kommentar Der Exkurs stellt verschiedene Nachweisgeräte für radioaktive Strahlung vor. Insbesondere werden die Funktionsweise und die Eigenschaften des GeigerMüllerZählrohrs etwas genauer betrachtet. Der Text kann als Ausgangsmaterial für tiefer gehende Recherchen genutzt werden.

Material –

(S.107) Methode Experimentieren Radioaktivität wird gemessen

Lernziele SuS experimentieren systematisch.

Begriffe keine neuen

Hinweise/Kommentar Der Lernzirkel bietet Gelegenheit mit für SuS durchführbaren Experimenten wesentliche Eigenschaften (Nulleffekt, unterschiedliche Aktivität verschiedener Präparate, Abschirmung, Reichweite) selbst zu untersuchen.

Material Kopiervorlagen Lernzirkel:– Radioaktivität wird gemessen (ra_s1_lz_001)

LösungenderAufgaben A1 $ Sich der Strahlung möglichst kurze Zeit aussetzen. Abstand halten. Sich durch geeignete Substanzen abschirmen.

A2 $ Strahlenschutzverordnung von 2001:

§ 46 Begrenzung der Strahlenexposition der Bevölkerung(1) Für Einzelpersonen der Bevölkerung beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis durch Strahlenexpositionen aus Tätigkeiten nach § 2 Abs. 1 Nr. 1 ein Millisievert im Kalenderjahr.(2) Unbeschadet des Absatzes 1 beträgt der Grenzwert der Organdosis für die Augenlinse 15 Millisievert im Kalenderjahr und der Grenzwert der Organdosis für die Haut 50 Millisievert im Kalenderjahr.

§ 49 Sicherheitstechnische Auslegung für den Betrieb von Kernkraftwerken, für die stand-ortnahe Aufbewahrung bestrahlter Brennelemente und für Anlagen des Bundes zur Sicherstellung und zur Endlagerung radioaktiver Abfälle(1) Bei der Planung baulicher oder sonstiger technischer Schutzmaßnahmen gegen Störfälle in oder an einem Kernkraftwerk, das der Erzeugung von Elektrizität dient, darf bis zur Stilllegung nach § 7 Abs. 3 des Atomgesetzes unbeschadet der Forderungen des § 6 in der Umgebung der Anlage im ungünstigsten Störfall durch Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umgebung höchstens1. eine effektive Dosis von 50 Millisievert,2. eine Organdosis der Schilddrüse und der Augenlinse von jeweils 150 Millisievert,3. eine Organdosis der Haut, der Hände, der Unterarme, der Füße und Knöchel von jeweils

500 Millisievert,4. eine Organdosis der Keimdrüsen, der Gebärmutter und des Knochenmarks (rot) von

jeweils 50 Millisievert,5. eine Organdosis der Knochenoberfläche von 300 Millisievert,6. eine Organdosis des Dickdarms, der Lunge, des Magens, der Blase, der Brust, der Leber,

der Speiseröhre, der anderen Organe oder Gewebe gemäß Anlage VI Teil C Nr. 2 Fußnote 1, soweit nicht unter Nummer 4 genannt, von jeweils 150 Millisievert zugrunde gelegt werden. Maßgebend für eine ausreichende Vorsorge gegen Störfälle nach Satz 1 ist der Stand von Wissenschaft und Technik.

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§ 55 Schutz bei beruflicher Strahlenexposition(1) Für beruflich strahlenexponierte Personen beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis 20 Millisievert im Kalenderjahr. § 58 bleibt unberührt. Die zuständige Behörde kann im Einzelfall für ein einzelnes Jahr eine effektive Dosis von 50 Millisievert zulassen, wobei für fünf aufeinanderfolgende Jahre 100 Millisievert nicht überschritten werden dürfen.(2) Der Grenzwert der Organdosis beträgt für beruflich strahlenexponierte Personen:1. für die Augenlinse 150 Millisievert,2. für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und Knöchel jeweils 500 Millisievert,3. für die Keimdrüsen, die Gebärmutter und das Knochenmark (rot) jeweils 50 Millisievert,4. für die Schilddrüse und die Knochenoberfläche jeweils 300 Millisievert,5. für den Dickdarm, die Lunge, den Magen, die Blase, die Brust, die Leber, die Speiseröhre,

andere Organe oder Gewebe gemäß Anlage VI Teil C Nr. 2 Fußnote 1, soweit nicht unter Nummer 3 genannt, jeweils 150 Millisievert im Kalenderjahr.

(3) Für Personen unter 18 Jahren beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis 1 Millisievert im Kalenderjahr. Der Grenzwert der Organdosis beträgt für die Augenlinse 15 Millisievert, für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und Knöchel jeweils 50 Millisievert im Kalenderjahr. Abweichend von den Sätzen 1 und 2 kann die zuständige Behörde für Auszubildende und Studierende im Alter zwischen 16 und 18 Jahren einen Grenzwert von 6 Millisievert für die effektive Dosis, 45 Millisievert für die Organdosis der Augenlinse und jeweils 150 Millisievert für die Organdosis der Haut, der Hände, der Unterarme, der Füße und Knöchel im Kalenderjahr festlegen, wenn dies zur Erreichung des Ausbildungszieles notwendig ist.(4) Bei gebärfähigen Frauen beträgt der Grenzwert für die über einen Monat kumulierte Dosis an der Gebärmutter 2 Millisievert. Für ein ungeborenes Kind, das aufgrund der Beschäftigung der Mutter einer Strahlenexposition ausgesetzt ist, beträgt der Grenzwert der Dosis aus äußerer und innerer Strahlenexposition vom Zeitpunkt der Mitteilung über die Schwangerschaft bis zu deren Ende 1 Millisievert.

§ 56 BerufslebensdosisDer Grenzwert für die Summe der in allen Kalenderjahren ermittelten effektiven Dosen beruflich strahlenexponierter Personen beträgt 400 Millisievert. Die zuständige Behörde kann im Einvernehmen mit einem Arzt nach § 64 Abs. 1 Satz 1 eine weitere berufliche Strahlenexposition zulassen, wenn diese nicht mehr als 10 Millisievert effektive Dosis im Kalenderjahr beträgt und die beruflich strahlenexponierte Person einwilligt. Die Einwilligung ist schriftlich zu erteilen.

§ 58 Besonders zugelassene Strahlenexpositionen(1) Unter außergewöhnlichen, im Einzelfall zu beurteilenden Umständen kann die zuständige Behörde zur Durchführung notwendiger spezifischer Arbeitsvorgänge Strahlenexpositionen abweichend von § 55 Abs. 1, 2 und 4 Satz 1 zulassen. Für diese besonders zugelassene Strahlenexposition beträgt der Grenzwert der effektiven Dosis 100 Millisievert, der Grenzwert der Organdosis für die Augenlinse 300 Millisievert, der Grenzwert der Organdosis für die Haut, die Hände, die Unterarme, die Füße und Knöchel jeweils 1 Sievert für eine Person im Berufsleben.(2) Einer Strahlenexposition nach Absatz 1 dürfen nur Freiwillige, die beruflich strahlenexponierte Personen der Kategorie A sind, ausgesetzt werden, ausgenommen schwangere Frauen und, wenn die Möglichkeit einer Kontamination nicht ausgeschlossen werden kann, stillende Frauen.(3) Eine Strahlenexposition nach Absatz 1 ist im Voraus zu rechtfertigen. Die Personen nach Absatz 2 sind über das mit der Strahlenexposition verbundene Strahlenrisiko aufzuklären. Der Betriebsrat oder der Personalrat, die Fachkräfte für Arbeitssicherheit, der Arzt nach § 64 Abs. 1 Satz 1 oder die Betriebsärzte, soweit sie nicht Ärzte nach § 64 Abs. 1 Satz 1 sind, sind zu beteiligen.

§ 59 Strahlenexposition bei Personengefährdung und Hilfeleistung(1) Bei Maßnahmen zur Abwehr von Gefahren für Personen ist anzustreben, dass eine effektive Dosis von mehr als 100 Millisievert nur einmal im Kalenderjahr und eine effektive Dosis von mehr als 250 Millisievert nur einmal im Leben auftritt.(2) Die Rettungsmaßnahmen dürfen nur von Freiwilligen über 18 Jahren ausgeführt werden, die zuvor über die Gefahren dieser Maßnahmen unterrichtet worden sind.

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(S. 108) 4.5 Strahlungsarten

Lernziele SuS unterscheiden a, b und cStrahlung anhand ihres Durchdringungsvermögens und ihrer Ladung.

Begriffe a, b und cStrahlung

Hinweise/Kommentar Die Behandlung der Eigenschaften radioaktiver Strahlung wird nach der Kenntnis der grundlegenden Eigenschaften (Ionisierungsvermögen, stochastischer Charakter) weiter vertieft. Die Wechselwirkung mit Materie (genauer gesagt das Durchdringungsvermögen) wird genutzt, um die drei Strahlenarten zu identifizieren. Der Zusammenhang zwischen der Dicke des AbsorberMaterials und der Abschwächung der Strahlung wird im Lehrtext nur qualitativ angegeben. Eine quantitative Untersuchung erfolgt mit Versuch V2. Die Ergebnisse können verwendet werden, um zu einer mathematischen Beschreibung des Zusammenhangs zu gelangen.Die Wechselwirkung mit magnetischen (bzw. elektrischen) Feldern wird der Vollständigkeit halber erwähnt, es wird aber im weiteren Kapitel nicht weiter darauf eingegangen.Es ist möglich, den Exkurs „Entstehung radioaktiver Strahlung“ vorzuziehen und direkt im Anschluss zu behandeln.

Einstieg Die verschiedenen Farbmarkierungen deuten bereits an, dass die radioaktiven Präparate unterschiedliche Eigenschaften haben. Der erste Gedanke bei SuS könnte sein, dass die Präparate unterschiedlich „gefährlich“ sind. Bemerkung: Die Farbcodierung ist nicht genormt; Lehrmittelhersteller verwenden jeweils eigene Codierungen.

VersucheimSchulbuch V1 Ein Radiumpräparat wird in eine Nebelkammer gebracht und ein Stück Papier in den Bereich der Strahlung gebracht. Die voranstehende Abbildung zeigt das Ergebnis.

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V2 Ein Zähler mit Zählrohr er mittelt die Zählrate z der von einem Radiumpräparat ausgehenden Strahlung. Zwischen Präparat und Zählrohr wird Materie eingebracht: 1: nur Luft; 2 – 11: dazu 1 – 10 Blatt Papier; 12 – 15: dazu 4 Aluminium platten; 16 – 17: dazu 2 Bleiplatten. Die Tabelle enthält einige Messwerte. Das vollständige Ergebnis zeigt B4 auf der vorhergehenden Seite.

Nr. Absorber zin 1/min

1 Nur Luft 4 600

2 1 Blatt Papier 3 230

11 10 Blatt Papier 1 112

12 1 Aluminiumplatte 110

15 4 Aluminiumplatten 45

16 1 Bleiplatte 41

17 2 Bleiplatten 32

V3 Zwei Zählrohre, ein Radium präparat und ein Magnet sind wie in nachfolgender Abbildung angeordnet. Eine Bleiplatte mit Loch sorgt dafür, dass nur ein schmales Bündel Strahlung Zählrohr A erreicht.

Man beobachtet:1. Magnet aus: Strahlung nur bei A.2. Magnet aus, Papier vor dem Präparat:

Schwächung bei A, keine Anzeige bei B.3. Magnet an, Papier wie in 2: Schwächung

bei A, Anzeige in B.4. Magnet an, Papier wie in 2, zusätzlich Aluminiumblech vor A bzw. B.: Bei A Schwächung,

bei B keine Anzeige mehr.5. Magnet an, kein Papier, kein Aluminiumblech: Stärkere Anzeige

in A, Anzeige in B wie in 3.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Strahlungsarten (ra_s1_ab_004)(Bemerkung: Aufgabe 3 des Arbeitsblattes ist erst nach der Behandlung des Themas „Entstehung radioaktiver Strahlung lösbar“, das als Exkurs angeboten wird.)

Animationen/Simulationen: – Abschirmung der Strahlenarten (ra_s1_si_007)

LösungenderAufgaben A1 $ Marie Curie arbeitete bei Henri Becquerel in Paris. 1897 begann sie die von Becquerel entdeckte Strahlung zu untersuchen. Sie fand zunächst, dass das im Gestein Pechblende enthaltene Uran für die Strahlung verantwortlich ist. Außerdem konnte sie nachweisen, dass Gesteine mit ThoriumAtomen ebenfalls strahlen. Danach stellte sie fest, dass neben dem Uran Elemente im Erz sein müssen, deren Radioaktivität viel stärker als die des Urans ist. In der Folge entdeckte sie zusammen mit ihrem Mann Pierre Curie zwei bisher unbekannte Elemente: Radium und Polonium. 1903 erhielten Marie Curie und ihr Mann zusammen mit Henri Bequerel den Nobelpreis für Physik. 1911 bekam sie zum zweiten Mal einen Nobelpreis, diesmal für Chemie, für die erstmalige Gewinnung reinen Radiums.Marie Curie hat das Zeitalter der Kernphysik eingeleitet. Sie studierte auch die Wirkungen der radioaktiven Strahlung auf menschliches Gewebe und schuf damit die Grundlagen für deren Nutzung in der Medizin.

Zählrohr

Zähl-rohr

A

B

Bleiplatte Papier

Radium-strahler

Aluminium-platte

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A2 $ Radon sendet radioaktive Strahlung aus, diese kann die dünne Glaswand durchdringen (das Gas Radon dagegen nicht). Da sich nach einiger Zeit das Gas Helium in dem oberen Teil des Glasballons befindet, liegt die Vermutung nahe, dass die radioaktive Strahlung des Radon aus Helium(kernen) besteht.

(S.110) Exkurs Biologische Strahlenwirkung

Lernziele SuS beschreiben die biologische Wirkung radioaktiver Strahlung und nutzen dieses Wissen, um eine mögliche Gefährdung durch radioaktive Strahlung zu begründen.

Begriffe Somatische Schäden, genetische Schäden

Hinweise/Kommentar Der Exkurs liefert in knapper Zusammenfassung die wesentlichen Grundkenntnisse zur biologischen Strahlenwirkung. Er dient daher als Ausgangsmaterial für weitere Recherchen. Der Exkurs kann – ggf. zusammen mit dem Exkursen „Einheiten der radioaktiven Strahlung“ und „Strahlenbelastung des Menschen“ – als Grundlage für Schülervorträge (Referate oder Poster) dienen.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Biologische Wirkungen und Strahlenschutz (ra_s1_ab_003)

LösungenderAufgaben A1 . aStrahlung hat den größten Qualitätsfaktor, d. h., ihre schädigende biologische Wirksamkeit ist am größten. Dies wirkt sich insbesondere dann aus, wenn sie z. B. durch Nahrungsaufnahme oder durch Einatmen ins Körperinnere gelangt.

(S.111) Exkurs Einheiten der radioaktiven Strahlung

Lernziele SuS unterscheiden Aktivität, Energiedosis und Äquivalentdosis. Sie geben die entsprechenden Einheiten an.

Begriffe Aktivität, Energiedosis, Äquivalentdosis, Qualitätsfaktor

Hinweise/Kommentar Dieser Exkurs bietet eine Übersicht über die Einheiten, die bei der Behandlung radioaktiver Strahlung verwendet werden und die auch in ZeitschriftenArtikeln, Fernsehberichten usw. genannt werden. Im Zusammenhang mit der Wirkung radioaktiver Strahlung auf den Menschen wird deutlich, dass es neben der Energie der Strahlung auch auf die Art der Strahlung ankommt.

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(S. 112) 4.6 Schutz vor radioaktiver Strahlung

Lernziele SuS erläutern Strahlenschutzmaßnahmen und nutzen ihr Wissen über die Eigenschaften radioaktiver Strahlung zur Beurteilung von Schutzmaßnahmen.

Begriffe Reichweite, Abschirmung

Hinweise/Kommentar Die bereits gewonnenen Kenntnisse über die Eigenschaften der radioaktiven Strahlung und die Strahlenarten sowie über die biologischen Strahlenwirkungen werden genutzt, um geeignete Schutzmaßnahmen zu beurteilen. Als Gedankenstütze können sich die SuS die Formel AAAA merken: Abschirmen – Aufenthaltszeit beschränken – Abstand halten – Aufnahme radioaktiver Stoffe vermeiden. In der Zusammenschau mit dem Exkurs „Biologische Strahlenwirkung“ und „Strahlenbelastung des Menschen“ kann das Problem der Festlegung von Strahlengrenzwerten angesprochen werden.

Einstieg Im Foto erkennt man die aufwendige Schutzkleidung, was indirekt auf die Gefahr radioaktiver Strahlung hinweist. Die Arbeitsumgebung der beiden Personen sieht dabei nicht bedrohlich aus, es handelt sich anscheinend nur um einen Raum in dem Rohrleitungen verlaufen; ein Hinweis darauf, dass der Mensch kein Sensorium für radioaktive Strahlung und die damit verbundenen Gefahren hat und auf entsprechende Messgeräte angewiesen ist.

VersucheimSchulbuch V1 Platten unterschiedlicher Dicke d aus Aluminium bzw. Kunststoff werden wie nebenstehend zwischen ein Strontiumpräparat und ein Zählrohr gehalten. Bestimme jeweils die Zählrate z. Das Diagramm zeigt ein mögliches Ergebnis.

V2 Vor ein CaesiumPräparat wird eine dünne Aluminiumplatte gestellt, es wird die Zählrate gemessen. Ohne das Aluminiumblech zu entfernen werden Bleiplatten mit unterschiedlicher Dicke d vor das Zählrohr gestellt. Es wird jedes Mal die Zählrate z gemessen. Mögliches Messergebnis:

dinmm 0 5 10 20 30

zin1/min 310 171 97 31 10

Stoppuhr

Zählgerät

Aluminium-oderKunststoffplatte

Zählrohr

z in 1/min

0

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0d in mm

61 2

Aluminium

Kunststoff

3 4 5

Stoppuhr

Zählgerät

Aluminium-oderKunststoffplatte

Zählrohr

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V3 In der Anordnung aus V2 mit Präparat und Aluminiumblech werden die Bleiplatten entfernt. Das Zählrohr wird vom Präparat entfernt und bei verschiedenen Abständen r die Zählrate gemessen. Mögliches Messergebnis:

rincm 5 10 15 20 25

zin1/min 1 280 310 139 78 51

Material Animationen/Simulationen: – Abschirmung der Strahlenarten (ra_s1_si_007)

LösungenderAufgaben A1 $ – Strahlung weitgehend abschirmen!– Großen Abstand zur Strahlenquelle halten!– Arbeitszeit mit radioaktiven Quellen so kurz wie möglich halten!– Das Eindringen radioaktiver Strahlung in den Körper verhindern!Begründung: Radioaktive Strahlung ist abschirmbar (z. B. durch Metallfolien). Die Aktivität nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Dauer der Strahlenwirkung hat starken Einfluss auf mögliche Strahlenschäden: Zellveränderung durch Ionisierung der Atome. Radioaktive Stoffe können z. B. im Körper lange eingelagert werden und als dort weiter bestehende radioaktive Quellen somatische und genetische Schäden auslösen.

A2 $ a) Die Zählrate verringert sich: Bei Verdopplung des Abstandes auf etwa 1/4, bei Verdreifachung auf etwa 1/9.b) Hinweis: Die Beobachtung gelingt nur in einem dunklen Raum, in dem die Kerze die einzige Lichtquelle ist. Die Helligkeit (z. B. ermittelt durch die Lesbarkeit einer Buchseite) verringert sich mit zunehmendem Abstand. Gleiche Helligkeit bei doppeltem Abstand ergibt sich bei vier brennenden Kerzen. c) radioaktive Strahlung und Licht breiten sich in alle Richtungen (oder zumindest in einen bestimmten Raumwinkelbereich) aus. D. h., sie verteilen sich auf eine mit zunehmendem Abstand größer werdende Fläche, siehe Abbildung:

A3 $ Die Behauptung stimmt nicht. Bei Aluminium als Absorbermaterial verringert sich die Zählrate bei Verdopplung der Schichtdicke von 1 mm auf 2 mm von etwa 5 500 Impulse/Minute auf etwa 800 Impulse/Minute, also eine Verringerung auf etwa 1/7.Bei Verdopplung der Schichtdicke von 1,5 mm auf 3 mm erhält man einen Rückgang von etwa 2 000 Impulse/Minute auf etwa 100 Impulse/Minute, also eine Verringerung auf etwa 1/20.Bei Kunststoff als Absorbermaterial verringert sich die Zählrate bei Verdopplung der Schichtdicke von 2 mm auf 4 mm von etwa 6 000 Impulse/Minute auf etwa 1 000 Impulse/Minute, also eine Verringerung auf etwa 1/6. Betrachtet man hier die Verdopplung der Schichtdicke von 2,5 mm auf 5 mm, so erhält man eine Verringerung der Zählrate von etwa 4 000 Impulse/Minute auf etwa 300 Impulse/Minute, also eine Verringerung auf 3/40.


Zählrohr

Strahlung trifft auf 1 cm2



5 cm10 cm

15 cm20 cm

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A4 . a) Linkes Diagramm bzw. Messwertetabelle zu V2: Man erkennt, dass sich die Zählrate bei Vergrößerung der Schichtdicke um jeweils etwa 6 mm halbiert.

dinmm 0 6 12 18 24 30

zin 1/min 310 160 80 38 20 10

Es handelt sich also um eine Exponentialfunktion der Form z (d ) = z (0) · ( 1 _ 2 )

d __ d 1/2 wobei d 1/2 als

Halbwertsdicke bezeichnet wird.Rechtes Diagramm bzw. Messwertetabelle zu V3: Man erkennt, dass sich die Zählrate bei Verdopplung des Abstandes auf ein Viertel verringert: z (5) = 1 280 → z (10) = 310 bzw. z (10) = 310 → z (20) = 78; bei Verdreifachung ergibt sich ein Neuntel z (5) = 1 280 → z (15) = 139; bei Vervierfachung etwa ein Sechszehntel z (5) = 1 280 → z (20) = 78; bei Verfünfachung erhält man ein Fünfundzwanzigstel z (5) = 1 280 → z (25) = 51Die Zählrate ist also umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes: z (r) ~ 1 _

r 2

b) Es handelt sich in beiden Fällen um Abklingkurven, d. h. um eine Verringerung der Ordinatengröße bei Vergrößerung der Abszissengröße, die zunächst sehr schnell und mit zunehmender Vergrößerung der Abszisse immer langsamer erfolgt. Die Kurve im linken Diagramm schneidet die Ordinatenachse, die Kurve im rechten Diagramm (zumindest im gezeigten Ausschnitt) dagegen nicht.c) Beispiele für Exponentialfunktionen: Der Rückgang der Zählrate mit dem Alter der radioaktiven Probe, die barometrische Höhenformel, die Lade bzw. Entladekurve eines Kondensators, Rückgang der Amplitude bei einem gedämpften Pendel … Beispiele für umgekehrte Proportionalität: Abstandsgesetz für Kräfte bei der Gravitation und der Elektrostatik, …

(S.114) Exkurs Entstehung radioaktiver Strahlung

Lernziele SuS beschreiben die Entstehung radioaktiver Strahlung und die dabei auftretenden Umwandlungsprozesse.

Begriffe Kernzerfall, Zerfallsreihe

Hinweise/Kommentar Der Exkurs kann bereits direkt nach der Lerneinheit „Strahlungsarten“ erfolgen. Mit Hilfe von Analogiemodellen werden die Begriffe stabile und instabile Zustände erläutert.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Strahlungsarten (ra_s1_ab_004)– Radioaktiver Zerfall (ra_s1_ab_005)

Animationen/Simulationen: – aZerfall (ra_s1_si_005)– bZerfall (ra_s1_si_006)– UranRadiumZerfallsreihe (ra_s1_si_009)

LösungenderAufgaben A1 0

238 92 U → 234 90 Th → 234 91 Pa → 234 92 U → 230 90 Th → 226 88 Ra → 222 86 Rn → 218 84 Po → 214 82 Pb → 214 83 Bi 210 82 Pb → 210 83 Bi → 210 84 Po → 206 82 Pb

210 81 Tl→ →

214 84 Po →→

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(S.115) Methode Mathematisieren Strahlung und Materie

Lernziele SuS leiten aus experimentellen Ergebnissen mathematische Beschreibungen für physikalische Gesetzmäßigkeiten her.

Begriffe Halbwertsdicke, Absorptionsgesetz

Hinweise/Kommentar Die Methodenseite greift den Aspekt der Abschirmung aus der Lerneinheit „Schutz vor radioaktiver Strahlung“ auf und untersucht ihn quantitativ mit dem Ziel eine mathematische Gesetzmäßigkeit zu finden. Um nicht mit radioaktiver Strahlung arbeiten zu müssen, wird auf ein Modellexperiment „Abschwächung von Licht durch Folien“ zurückgegriffen.

LösungenderAufgaben A1 0 Individuelle Schülerlösungen.Beispiel für Internetrecherche: Es gibt zwei UVKomponenten: UVA und UVB.

Was bewirkt UV-A-Strahlung in der Haut?• eine sofortige, aber kurzfristige Bräune• lichtbedingte Hautausschläge und Sonnenallergie• Hautalterung und Faltenbildung• erhöhte HautkrebsgefahrUVA ist für die direkte, sofortige Bräune zuständig. Sie setzt innerhalb kurzer Zeit ein, ist aber nach einigen Stunden kaum noch sichtbar. Im Gegensatz zu UVB baut die Haut durch UVAStrahlung keine Schutzschicht auf und hinterlässt auch keine sichtbaren Schäden. Daher bleiben ihre Auswirkungen auch lange Zeit unbemerkt. Unumstritten ist jedoch, dass UVAStrahlen in hohem Maße unsere Haut gefährden.

Was bewirkt UV-B-Strahlung in der Haut?• eine langsame, aber anhaltende Bräune (Hautpigmentierung durch Melanin)• den Aufbau einer Schutzschicht (Lichtschwiele)• Sonnenbrand und seine Spätfolgen wie Hautkrebs

Wann Sie Ihren Arzt benachrichtigen müssen• Rötung und starke Schmerzen• Blasenbildung: Öffnen Sie Blasen nie selbst! Offene Blasen sind stark infektionsgefährdet!• Wenn Kleinkinder oder Babys einen Sonnenbrand bekommen• Kopfschmerzen• Nackensteifigkeit• Übelkeit und Erbrechen

Sonnenbrand schadet der HautSonnenbrand ist eine Verbrennung ersten Grades, seltener eine Verbrennung zweiten Grades mit Blasenbildung. Sonnenbrand tritt erst drei bis sechs Stunden nach dem Sonnenbaden auf. Meist kann der Körper die Defekte, die das Sonnenlicht hervorruft, wieder reparieren. Das Gedächtnis der Haut registriert jedoch jeden Sonnenbrand und alle extremen Sonnenbäder. Auch ohne sichtbaren Sonnenbrand schädigen die Sonnenstrahlen auf Dauer die ungeschützte Haut. Keiner sollte den „RepairMechanismus“ der Haut überfordern. Es ist unbestritten, dass durch Sonnenbrände die Entstehung von Hautkrebs (Basaliom, Melanom, Spinaliom) gefördert wird. Ganz gefährlich sind Sonnenbrände im Kindesalter.Weitere Folgen einer regelmäßigen Sonneneinstrahlung über Jahre sind:• Grobporige Haut und Mitesserbildung• Nachlassen der Hautelastizität und FaltenbildungVorbräunen mit künstlicher Sonne im Solarium ist keine Alternative zum natürlichen Sonnenbad. Das Sonnenlicht besteht aus UVA und UVBStrahlung. Nur die UVBStrahlung fördert den Eigenschutz der Haut mit der begehrten, langanhaltenden Bräune und der Verdickung der Haut. Sie sorgt aber auch für Sonnenbrand. SolariumsStrahler dagegen besitzen kaum UVBStrahlen, dafür ist der UVAAnteil um ein Vielfaches höher als im Sonnenlicht, teilweise um das 1 000fache. UVAStrahlung sorgt für eine Soforttönung der Haut, die aber nicht lange anhält und keinen Schutz vor Sonnenbrand bietet. Kinder und Menschen vom Hauttyp Ø haben einen so geringen Eigenschutz, dass sie sowohl die Sonne als auch Sonnenstudios meiden sollten.

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(S.116) Methode Argumentieren Das Abstandsgesetz

Lernziele SuS leiten physikalische Gesetzmäßigkeiten deduktiv und induktiv her.

Begriffe Deduktive und induktive Methode, Abstandsgesetz

Hinweise/Kommentar Das Abstandsgesetz bietet die Möglichkeit unterschiedliche Wege bei der physikalischen Erkenntnisgewinnung parallel zu betrachten. Methodisch wird das KugellagerVerfahren vorgeschlagen: Je eine SchülerGruppe leitet das Abstandsgesetz deduktiv durch mathematischlogische Schlussfolgerungen bzw. induktiv durch eine systematische Messung her. Die Gruppen stellen sich die Methoden gegenseitig vor und bearbeiten die Aufgaben.

Am Ende sollte deutlich werden, dass beide Methoden wichtig für die physikalische Erkenntnisgewinnung sind, da die eine Methode die jeweils andere zur Bestätigung einer Gesetzmäßigkeit braucht.

Material –

LösungenderAufgaben A1 $ Wenn der Abstand verdoppelt bzw. verdreifacht wird, verringert sich der Anteil der auf das Zählrohr fallenden Strahlung auf den 4. bzw. 9. Teil. Begründung: Gemäß B1 im Schülerbuch vergrößert sich bei Verdopplung, Verdreifachung, … des Abstandes die Fläche, auf die sich die Strahlung verteilt auf das Vierfache, Neunfache, … Der Strahlungsanteil, der auf die Flächeneinheit fällt, wird bei angenommener gleichmäßiger Verteilung entsprechend geringer. Und damit auch der Anteil, der ins Zählrohrfenster mit fester Fläche fällt.

A2 0 Darstellung mit Trendlinie durch ein Tabellenkalkulationsprogramm

A3 $ Die Kurve fällt zunächst stark und wird dann flacher. Sie nähert sich der waagerechten Achse. Bei Verdopplung von r sinkt z etwa auf 1/4 (310/1 280 = 0,24; 78/310 = 0,25) bei Verdreifachung auf etwa 1/9 (139/1 280 = 0,11).

A4 $

1 · r 2 · r 3 · r 4 · r 5 · r n · r

1 · z z/4 z/9 z/16 z/25 z/ n 2

A5 $ Nach dem gewonnen Abstandsgesetz verringert sich die auf eine bestimmte Fläche, z. B. die Körperfläche, treffende Strahlungsdosis mit dem Quadrat der Entfernung.

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(S.117) Exkurs Strahlenbelastung des Menschen

Lernziele SuS geben ihre Kenntnisse über natürliche und künstliche Strahlungsquellen wieder.

Begriffe Kosmische Strahlung, Höhenstrahlung, terrestrische Strahlung, künstliche Strahlung

Hinweise/Kommentar In einer Art Kurzzusammenfassung werden hier Quellen für die Strahlenbelastung des Menschen vorgestellt. Der Lesetext kann als Ausgangsmaterial zu weiteren Recherchen (z. B. Belastung durch unterschiedliches Gestein, Bedeutung und Festlegung von Grenzwerten, …) dienen, die dann von den SuS in Referaten o. Ä. vorgestellt werden. Dies kann auch in Zusammenhang mit dem Exkurs zur biologischen Strahlenwirkung geschehen.

Material –

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(S. 118) 4.7 Zerfallgesetz

Lernziele SuS beschreiben den radioaktiven Zerfall eines Stoffes unter Verwendung des Begriffes Halbwertszeit und stellen die Abklingkurve grafisch dar.

Begriffe C14Methode, Zerfallskurve, Halbwertszeit, Zerfallsgesetz

Hinweise/Kommentar Wie man das Thema behandelt hängt auch von den mathematischen Kenntnissen der SuS ab. Exponentialfunktionen sind Stoff des Mathematikunterrichts der Klasse 10; das Beispiel Altersbestimmung durch die C14Methode wird dort gerne als Anwendungsbeispiel genommen.

Der Begriff Halbwertszeit taucht im Zusammenhang mit der Entsorgung von radioaktiven Abfällen aus Kernkraftwerken auch in der öffentlichen Diskussion auf. Oftmals entwickelt sich dabei die Vorstellung, dass nach Verstreichen der Halbwertszeit, die „Strahlungsgefahr“ vorbei sei. Daher ist es unabhängig davon, ob die mathematischen Grundlagen bekannt sind oder nicht, sinnvoll, zunächst die Form der Zerfallskurve durch Modellvorstellungen (vgl. Versuch V2) plausibel zu machen und auf die Bedeutung der Halbwertszeit aufmerksam zu machen. Wenn Exponential und Logarithmusfunktionen noch nicht bekannt sind, kann an die Stelle von expliziten Berechnungen (vgl. Beispielaufgabe) eine Abschätzung mit Hilfe der Zerfallskurven durchgeführt werden.

Einstieg Auch außerhalb der Fachpresse gibt es hin und wieder Berichte über bedeutende historische Funde bei Ausgrabungen o. Ä. (z. B. „Ötzi“), deren Alter genau angegeben wird. Es stellt sich die Frage, wie man das Alter eines Fundes bestimmen kann, wenn er aus einer Zeit stammt, in der es noch keine schriftlichen Aufzeichnungen gab.

VersucheimSchulbuch V1 In einem Plexiglaszylinder befindet sich eine kleine Menge festes, radioaktives Thoriumsalz (Th232). Das Thoriumsalz zerfällt bis zum gasförmigen radioaktiven Radon Rn220, welches leicht vom Thoriumsalz getrennt und in eine Ionisationskammer geleitet werden kann. Die Kammer wird verschlossen und es wird eine Spannung zwischen Kammerwand und einem Stab in der Mitte der Kammer an gelegt. Das Radon zerfällt unter Abgabe von aStrahlung, so dass in der Ionisationskammer ein elektrischer Strom messbar wird, der mit der Zeit geringer wird:

tins 0 25 50 75 100 125 150

ØinpA 62 45 33 24 17 13 8

¯Ion2 – 5 kV

10 MÐ

Messverstärker

Metallkammer Gefäß mitThoriumsalz

Erdung

+–

Elektrode

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V2 Dir steht eine größere Anzahl (mindestens 50) von Würfeln zur Verfügung. Jeder Würfel soll einen Atomkern symbolisieren. Zähle zuerst die Würfel. Trage unter Schritt 0 die Anzahl Würfel in eine Tabelle ein. Wähle eine bestimmte Augenzahl aus (zum Beispiel die 6). Wirf alle Würfel. Entferne nun die Würfel, die die gewählte Augenzahl anzeigen und zähle diese. Diese Würfel symbolisieren die zerfallenen Atome (Tochterkerne). Trage die Anzahl der übrig gebliebenen Würfel in die Tabelle ein. Wirf die verbliebenen Würfel und verfahre wie vorher, bis keine Würfel mehr übrig sind. Übertrage die Werte aus der Tabelle in ein Diagramm. Man erhält z. B.:

WeitereVersuche V3 Modellversuch: Aus einem Becher mit 100 schwarzen Kugeln werden 10 Kugeln gezogen. Der Becher wird mit 10 weißen Kugeln aufgefüllt. Der Vorgang wird wiederholt. Die Zahl der jeweils gezogenen schwarzen Kugeln wird registriert.

Nach der Theorie werden beim ersten Mal 10 schwarze Kugeln gezogen, es bleiben 90 übrig. Beim zweiten Mal werden 10 · (90/100) genommen, es bleiben 81. Beim dritten Mal werden 10 · (81/100) genommen usw. Die Tabelle zeigt Versuchsergebnisse zusammen mit dem Mittelwert und dem Wert aus der Theorie.

n Versuchsreihe1–5 ð N ð Nt

0 10 10 10 10 10 10 10

1 10 10 9 10 7 9,2 9

2 8 7 8 9 9 8,2 8,1

3 6 4 7 5 3 5 7,25

4 6 7 6 8 8 7 6,56

5 6 6 2 7 6 5,4 5,9

6 6 5 2 3 7 4,6 5,31

7 4 2 4 7 6 4,6 4,78

8 4 4 4 5 4 4,2 4,3

9 2 5 1 4 5 3,4 3,87

Schritt 6er Rest

0 0 100

1 17 83

2 14 69

3 11 58

4 9 49

5 8 41

6 6 35

7 6 29

8 4 25

9 4 21

10 4 17

Schritt 6er Rest

11 3 14

12 2 12

13 2 10

14 2 8

15 1 7

16 1 6

17 0 6

18 0 6

19 2 4

20 1 3

21 1 2

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Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Aktivität und Halbwertszeit (ra_s1_ab_006)– Modellversuch: Radioaktiver Zerfall (ra_s1_ab_007)

Animationen/Simulationen: – Halbwertszeit und aZerfall (ra_s1_si_010)– Halbwertszeit und bZerfall (ra_s1_si_011)

LösungenderAufgaben A1 0 Eine Halbwertszeit von 30 Jahren bedeutet, dass nach 30 Jahren noch die Hälfte der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kerne vorhanden ist, nach weiteren 30 Jahren ist es noch ein Viertel usw.

A2 $ a) Die Aktivität verringert sich in 8 Tagen von 120 Bq auf 60 Bq, nach weiteren 8 Tagen sind es noch 30 Bq. Die Halbwertszeit beträgt demnach 8 Tage.b) Der Rückgang der Aktivität auf 1/16 des ursprünglichen Wertes ist nach 9__

16 = 4 Halbwertszeiten erreicht, also nach 4 · 8 = 32 Tagen

A3 . Tabakpflanzen reichern aus dem Boden (insbesondere aus Dünger), aber vor allem über Blatthaare (Trichone) aus der Luft in der Hauptsache das radioaktive Blei 210 (Pb210) und das radioaktive Polonium 210 (Po210) in ihren Blättern an. Die beiden Isotope Pb210 und Po210 sind Zerfallsprodukte aus der UranRadiumReihe. Die Halbwertszeiten von 22 Jahren (Pb210) bzw. 138 Tagen (Po210) liegen in einem Bereich, der zu einen hohen Strahlen exposition der Raucher führt. (Wäre die Halbwertszeit deutlich kürzer, z. B. < 1 Tag, so wäre die Aktivität der Strahlung von der Ernte des Tabaks bis zum Verkauf der Zigarette weitgehend abgeklungen; wäre sie deutlich länger, z. B. > 10 000 Jahre, so wäre – bei der geringen Mange an radioaktiven Isotopen im Tabak einer Zigarette – die Aktivität von der Aufnahme bis zum Ausscheiden der radioaktiven Isotope aus dem Körper kaum größer als die sonstige Belastungen durch radioaktive Strahlung.)Pb210 zerfällt entweder über einen bZerfall in Wismut 210 (Bi210) oder über einen aZerfall in Quecksilber 206 (Hg206). Hg206 zerfällt über bZerfall in Tl206 und dieses schließlich über einen weiteren bZerfall in das stabile Pb206. Das Bi210 seinerseits zerfällt mit einer Halbwertzeit von 5 Tagen über einen bZerfall in Po210. Po210 zerfällt über einen aZerfall in das stabile Blei 206 (Pb206). Je nach Anbaugebiet des Tabaks liegt die Aktivität des Po210 zwischen 1,5 mBq und 15 mBq (1 mBq = 1/1 000 Becquerel) und die des Pb210 zwischen 2 und 25 mBq pro Zigarette.Daraus resultiert für einen Raucher eine mittlere effektive Äquivalentdosis von ca. 1,2 mSv pro Zigarette. Für einen mittelstarken Raucher, der jeden Tag 20 Zigaretten raucht, erhält man damit eine jährliche Strahlenbelastung von:Äquivalentdosis: 20 · 365 · 1,2 mSv = 8,8 mSvZum Vergleich:– die mittlere jährliche effektive Dosis aufgrund der natürlichen Strahlung beträgt auf Meeres

höhe 2,4 mSv. Die effektive Dosis durch das Rauchen ist also mehr als 3mal so hoch. – die maximal zulässige effektive Dosis durch künstliche Strahlenbelastung (z. B. durch Kern

kraftwerke) für die Normalbevölkerung soll 1 mSv pro Jahr nicht überschreiten.– die maximal erlaubte effektive Dosis für beruflich strahlenexponierte Personen beträgt

20 mSv pro Jahr

(S.120) Exkurs Energie aus Kernreaktionen

Lernziele SuS beschreiben die Kernspaltung.

Begriffe Kernspaltung, Bindungsenergie, Kernenergie

Hinweise/Kommentar Nachdem in dem Exkurs „Entstehung radioaktiver Strahlung“ die natürlichen Kernumwandlungen besprochen wurden und die Begriffe stabiler und instabiler Zustand geklärt wurden, werden nun die künstlichen Kernumwandlungen besprochen. Aus Sicht der physikalischen Erkenntnisgewinnung ist interessant, dass Hahn und Straßmann mit ihren Experimenten durch Neutronenbeschuss Elemente mit einer Kernladungs

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zahl jenseits der des Urans künstlich herstellen wollten. Dementsprechend konnten Sie die Messergebnisse zunächst nicht deuten; die Erklärung, dass der Urankern in zwei Teile gespalten wurde, gelang erst Lise Meitner. Aus gesellschaftspolitischer Sicht sind die Folgen der Entdeckung (Atombombe, Kernkraftwerke) bis heute bedeutsam: Einerseits werden die Grenzen physikalisch begründeter Entscheidungen deutlich und andererseits muss über die ethische Verantwortung der Wissenschaft für ihr Tun diskutiert werden.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Künstliche Kernumwandlungen (ra_s1_ab_008)

LösungenderAufgaben A1 $ Die Kurve beschreibt die Energie, die bei Bildung eines Kerns aus seinen Nukleonen pro Nukleon frei wird. Diese ist am größten bei Kernen mit der Massenzahl von etwa 50. Bei Kernen mit kleinerer Massenzahl ist sie geringer. Bei Verschmelzung solcher Kerne wird daher die bei der Bildung der leichten Kerne noch nicht freigesetzte Energie frei.

(S.121) Exkurs Die Sonne – Energie aus der Kernfusion

Lernziele SuS beschreiben die Energieumwandlung in der Sonne.

Begriffe Kernfusion, Fusionsplasma

Hinweise/Kommentar Im Exkurs zur Kernspaltung schwerer Atomkerne wird bereits der umgekehrte Prozess, die Kernfusion von leichten Atomkernen, angedeutet. Die Bedeutung dieses Prozesses für das Leben auf der Erde wird deutlich. Der Exkurs dient somit als Basisinfo, weitergehende Informationen können recherchiert werden.

Material –

LösungenderAufgaben A1 . Weil zur Bildung neuer Himmelskörper hinreichend viel Materie erforderlich ist.

(S.122) Exkurs Energie aus Kernkraftwerken

Lernziele SuS beschreiben die Kernspaltung und die Kettenreaktion. Sie nutzen ihr Wissen, um zur Frage des radioaktiven Abfalls Stellung zu nehmen und benennen die Auswirkungen der Entdeckung der Kernspaltung im gesellschaftlichen Zusammenhang. Sie zeigen die Grenzen physikalisch begründeter Entscheidungen auf.

Begriffe Kernkraftwerk, Kettenreaktion (unkontrollierte/kontrollierte), kritische Masse, Kernreaktor, Brennstoffstab, Moderator, Neutronenreflektor, Regelstab

Hinweise/Kommentar Das Thema Kernenergie besitzt nach wie vor große gesellschaftliche Bedeutung. Selbst wenn in Deutschland nach und nach alle Kernkraftwerke stillgelegt werden, so wird es auch zukünftig im benachbarten Ausland (insbesondere Frankreich) u. a. auch direkt an der Grenze zahlreiche Kernkraftanlagen geben. Es ist daher wichtig, sich über das Prinzip der Erzeugung elektrischer Energie durch Kernenergie zu informieren und die Risiken zu kennen. Zudem bleiben die Probleme der Entsorgung radioaktiven Abfalls auch nach dem Abschalten aller Kernkraftwerke bestehen. Der Exkurs dient daher als Basisinformation, die durch Recherche vertieft werden kann und z. B. auch für Schülervorträge genutzt werden kann.

Material Kopiervorlagen Arbeitsblätter:– Kernkraftwerke (ra_s1_ab_009)

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LösungenderAufgaben A1 0 Die Kettenreaktion muss jederzeit beendet werden können. Dies geschieht durch Einfahren ggf. zusätzlicher Regelstäbe. Um ein unkontrolliertes Aufheizen zu verhindern, ist das Kühlsystem mehrfach ausgelegt. Würde das Kühlsystem und alle Notkühlsysteme ausfallen, so würden sich die Brennelemente so stark erhitzen, dass sie schmelzen und Teile des Reaktorinhaltes würden verdampfen. Damit dieser Dampf nicht in die Umwelt gelangt, befindet sich um den gesamten nuklearen Teil des Kraftwerks ein Sicherheitsbehälter aus Stahl und Stahlbeton. Ansonsten gelten strikte Zugangskontrollen, sodass auf keinen Fall Unbefugte in die Anlage gelangen dürfen.

A2 $ Vorteile: Emissionsarme (v. a. Kohlenstoffdioxid) Energieerzeugung für die Grund und Mittellast, keine Abhängigkeit von Witterung, Sonnenstrahlung usw.Nachteile: komplexe, schwierig zu beherrschende Hochtechnologie; begrenzter Rohstoff (Uranerz); Rohstoffe sowie Zwischen, Neben und Endprodukte hochgiftig bzw. radioaktiv mit z. T. sehr großen Halbwertszeiten; Kontaminierung schon beim Abbau des Uranerzes; ungelöste Ent sorgung bzw. Endlagerung der radioaktiven Stoffe; mögliche Betriebsunfälle oder Anschläge/Sabotage mit gravierenden Folgen durch Freisetzen großer Mengen radioaktiver Stoffe (Gas, Staub, Fallout), dadurch langfristige Verseuchung riesiger Gebiete möglich.

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(S.125) Rückblick Lösungen der Teste-dich-selbst-Aufgaben:

Fachwissen:wahr: 1, 2, 4, 7, 9falsch: 3, 5, 6, 8

Kommunikation:ION, ZAEHLRATE, HELIUMKERNE, ATOMKERN, ELEKTRON, ISOTOP, PROTONLösungswort: NEUTRON

Erkenntnisgewinnung:1a, 2f, 2h, 3c, 4g

Bewerten:zutreffend: 2, 4 (Begründung: zu2: jede Strahlenbelastung führt zu Schädigungen, daher ist es am besten, diese so gering wie möglich zu halten; zu4:die Äquivalentdosis angegeben in der Einheit Sievert berücksichtigt die unterschiedliche Schädigungswirkung der Strahlenarten) nicht zutreffend: 1, 3 (Begründung: zu1:eine kurze starke Strahlen belastung kann Körperzellen schädigen, während bei längerer schwacher Strahlenbelastung die körpereigenen Reparaturmechanismen Zellschädigungen eher be heben können; zu3:der Grenzwert ist eine willkürliche Festlegung, tatsächlich gibt es keinen Grenz wert bei dem Schädigungen absolut ausgeschlossen sind)

(S.126) Rückblick Lösungen der Trainingsaufgaben:

A1 0

Atomkerne ProtonenzahlZ NeutronenzahlN

2 1 HH 1 1

4 2 He 2 2

16 8 O 8 8

17 8 O 8 9

60 27 Co 27 33

60 28 Ni 28 32

207 82 Pb 82 125

208 82 Pb 82 126

235 92 U 92 143

238 92 U 92 146

Es gilt: A = Z + NIsotope sind Atomkerne, die gleiche Protonen, aber verschiedene Neutronenzahlen aufweisen. Isotope sind: 16 8 O und 17 8 O, 207 82 Pb und 208 82 Pb, 235 92 U und 238 92 U

A2 $ a)– Auswertung einer Nebelkammeraufnahme– Ablenkung im Magnetfeld– Messung der Reichweiteb) Ein Plattenkondensator entlädt sich schneller, wenn ein energiereiches radioaktives Material (aStrahler) die Luft zwischen den Platten ionisiert.

A3 0 Die Zählrate in einem Zählrohr zeigt eine Abnahme, wenn der Abstand zwischen radioaktiver Quelle und Zählrohr vergrößert wird. Danach hat aStrahlung in Luft eine Reichweite von wenigen Zentimetern, bStrahlung von einigen Metern.

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A4 $ – Die Nebelkammer ist ein abgeschlossenes Gefäß, dessen Atmosphäre mit Wasser bzw.

Alkoholdampf gesättigt ist. Durch eine rasche Ausdehnung (Entspannung des Gummiballs) wird die Luft so weit abgekühlt, dass der Raum mit Dampf übersättigt wird. Eindringende radioaktive Strahlung (aStrahlung) ionisiert das Gas längs ihrer Spur. An den ionisierten Gasatomen (Kondensationskeimen) setzen sich feine Wassertröpfchen ab, die eine Spur bilden. Die Länge der Spur ist ein Maß für die Energie der Strahlung.

– Das GeigerMüllerZählrohr besteht aus einem mit dem Edelgas Argon gefüllten Metallzylinder als negativer Elektrode und einem darin isoliert verlaufenden Metalldraht als positiver Elektrode. Zwischen den Elektroden legt man eine Spannung U 0 von einigen hundert Volt an. In diesem Stromkreis befindet sich ein hochohmiger Widerstand R mit rund 10 9 Ð. Am Ende des Metallrohres befindet sich ein sehr dünnes Fenster aus Glimmer. Die Teilchen einer radioaktiven Quelle gelangen durch das Glimmerfenster ins Zählrohr und ionisieren dort jeweils einige ArgonAtome. Die entstandenen positiven ArgonIonen werden im elektrischen Feld zur Metallwand, die freien Elektronen zum Draht hin gezogen. Erreichen die Ionen bzw. Elektronen die Elektroden, so entsteht ein Strom, der Ionisationsstrom genannt wird, und mit einem elektronischen Zählgerät registriert wird.

A5 $ Kaliumverbindungen sind radioaktiv (sie enthalten das radioaktive Isotop K40), weshalb sie eine deutlich höhere Zählrate aufweisen als beispielsweise Kochsalz oder Seesand, welche in der Größenordnung des Nulleffekts strahlen.

A6 $ a)– Strahlung weitgehend abschirmen!– Großen Abstand zur Strahlenquelle halten!– Arbeitszeit mit radioaktiven Quellen so kurz wie möglich halten!– Das Eindringen radioaktiver Strahlung in den Körper verhindern!Begründung: Radioaktive Strahlung ist abschirmbar (z. B. Metallfolien). Die Aktivität nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Dauer der Strahlenwirkung hat starken Einfluss auf mögliche Strahlenschäden: Zellveränderung durch Ionisierung der Atome. Radioaktive Stoffe können z. B. im Körper lange eingelagert werden und als dort weiter bestehende radioaktive Quellen somatische und genetische Schäden auslösen.b)– kosmische Strahlung (Höhenstrahlung)– terrestrische Strahlung (Gesteine, Böden, Baumaterialien)– Eigenstrahlung des menschlichen Körpers durch die beim Stoffwechsel aufgenommenen

Nuklide; z. B. C14, K40, Rn222.– ggf. Röntgendiagnostik (besonders ComputerTomographie CT) und Röntgentherapie

A7 $ a) 227 90 Th → 223 88 Ra + 4 2 ab) Eine Reihe von Folgeprodukten, die beim radioaktiven Zerfall von Uran, Thorium und Neptunium auftreten. Diese Folgeprodukte sind meist wieder radioaktiv und wandeln sich weiter um.Dieser Prozess kommt erst dann zum Ende, wenn ein stabiler (nichtradioaktiver) Kern entsteht.Man kennt folgende Zerfallsreihen (siehe Anhang im Schülerbuch):

Zerfallsreihe Ausgangskern Halbwertszeit Endkern

UranRadiumReihe 238 92 U 4,5 · 10 9 a 206 82 Pb

UranAktiniumReihe 235 92 U 7,0 · 10 8 a 207 82 Pb

ThoriumReihe 232 90 Th 1,4 · 10 10 a 208 82 Pb

NeptuniumReihe 237 93 Np 2,2 · 10 6 a 209 83 Bi

A8 $ 14 6 C → 14 7 N + 0 − 1 e

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A9 $

216 84 Po → 212 82 Pb + 4 2 a

212 82 Pb → 212 83 Bi + 0 − 1 e

212 83 Bi → 208 81 Tl + 4 2 a

208 81 Tl → 208 82 Pb + 0 − 1 e

212 83 Bi → 212 84 Po + 0 − 1 e

212 84 Po → 208 82 Pb + 4 2 a

A10 . Siehe nebenstehende Abbildung:

A11 $ C14Methode (auch RadiocarbonAnalyse): In der oberen Atmosphäre der Erde wandeln ständig energiereiche Protonen der Sonnenstrahlung Stickstoffatome in das radioaktive Kohlenstoffisotop C14 um. Kohlenstoffdioxid bildet sich nicht nur mit C12, sondern zu einem geringen Prozentsatz auch mit C14. Infolge der Durchmischung der Luft gelangt Kohlenstoffdioxid beider Isotope in verhältnismäßig kurzer Zeit auch in Bodennähe, wo es von den Pflanzen bei der Fotosynthese aufgenommen wird. In diesen verändert sich der Anteil des radioaktiven Isotops und es stellt sich ein festes Verhältnis zwischen C12 und C14 ein. Sterben Pflanzen oder Lebewesen, die diese verstoffwechselt haben, oder wird beispielsweise ein Baum gefällt, wird von diesen auch kein C14 mehr aufgenommen. Der Anteil des radioaktiven Isotops verändert sich von diesem Zeitpunkt an nach dem radioaktiven Zerfallsgesetz; die Halbwertszeit des Zerfalls von C14 zu C12 beträgt 5 760 Jahre.Für die Altersbestimmung einer Probe wird die Zeit zwischen Entstehen des Isotops und Ende der Fotosynthese bzw. Lebensende der Lebewesen vernachlässigt. Außerdem wird angenommen, dass die Erzeugungsrate von C14 bis heute konstant geblieben ist; man setzt das natürliche Konzentrationsverhältnis von C14 zu C12 mit dem heutigen gleich (tatsächlich unterlag der C14Gehalt der Atmosphäre Schwankungen, die stärksten wurden durch die Atombombenversuche der 1950er Jahre erzeugt).Das relative Alter der untersuchten organischen Substanz wird anhand des analysierten Mengenverhältnisses von C12 und C14 in der Probe (z. B. Holzkohlestücke) gegenüber einer aktuellen Referenzprobe bestimmt.Beispiel: C14Anteil der Probe gegenüber heute ein Achtel ⇒ drei Halbwertszeiten vergangen ⇒ relatives Alter ca. 17 280 Jahre (entspricht je nach Untersuchungsdatum ungefähr 15 280 v. Chr.).Zusätzliche Informationen: Da zum einen der C14Gehalt der Proben verfälscht sein kann, zum anderen Probenentnahme, Aufbereitung und Messung Fehlern und Ungenauigkeiten unterliegen können (auch zu kleine Probenmengen sind möglich), werden die Ergebnisse meist in Intervallen unter Berücksichtigung der Wahrscheinlichkeit der Richtigkeit des Ergebnisses angegeben; z. B. 2 350 ± 30 Jahre vor heute. Bekannte Schwankungen im C14 Gehalt der Atmosphäre und systematische Fehler versucht man zu berücksichtigen, die Daten werden kalibriert. Bei Holzproben kann dies u. a. in Kombination mit der Dendrochronologie (Jahrringanalyse) erfolgen. Der Vorteil der C14Methode ist, dass sie häufig genauer und „sicherer“ als andere archäologische Altersbestimmungen, die häufig nur auf Abfolgen beruhen, ist. Gerade ältere Ergebnisse sind jedoch wegen der möglichen Fehlerquellen kritisch zu betrachten und wurden teilweise auch schon korrigiert oder widerrufen. Die Altersbestimmung von Gesteinen mit der BleiMethode basiert auf U238, welches eine

10 2 3 4 5 6

1000

800

600

400

200

0t in min

Impulse in 1 0 s

T1 2≈2,5 min

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sehr hohe Halbwertszeit hat und sich letztlich in Pb206 umwandelt. Man bestimmt die Konzentration beider Isotope in dem Gestein, deren Summe ist die Ausgangskonzentration des radioaktiven Isotops. Aus dem Verhältnis der heute vorhandenen Konzentration zur ursprünglichen Konzentration des radioaktiven Isotops lässt sich das (relative; s. o.) Alter berechnen.

A12 . Die Motoren der Verkehrsmittel stoßen Kohlenstoffdioxid aus, dessen Kohlenstoffatome aus dem Erdöl stammen, also aus sehr altem biologischen Material. Wegen des hohen Alters ist entsprechend weniger C14 vorhanden.

A13 $ a) Umwandlung von Atomkernen ohne äußere Beeinflussung in andere Atomkerne. Dabei tritt radioaktive Strahlung auf.b)

Kernumwandlungsarten gemeinsameMerkmale unterschiedlicheMerkmale

Kernspaltung Veränderungen der Atomkerne Zerlegung schwerer Atomkerne in leichtere mit gleichzeitiger Energiefreisetzung

Kernfusion Verschmelzung leichterer Kerne zu schwereren mit gleichzeitiger Energie freisetzung

A14 . a) Durch Regelstäbe kann man in einem Kernreaktor die Kettenreaktion steuern. Diese Stäbe bestehen aus einem Material (Bor bzw. Cadmium), das die Eigenschaft besitzt, Neutronen einzufangen. Durch das mehr oder weniger tiefe Einfahren dieser Stäbe wird die Anzahl der Neutronen und damit die Kettenreaktion geregelt. Eine weitere Rolle spielen Moderatoren und Neutronenreflektoren.b) Spaltbar ist nur das Uranisotop U235, das in natürlich vorkommendem Uranerz nur in geringen Mengen vorhanden ist. Der größte Anteil besteht aus nicht spaltbarem U238. Deshalb wird zur Herstellung der Brennelemente der Anteil von U235 durch Anreichern auf etwa 3 % erhöht.

A15 . Mit diesen Maßnahmen soll erreicht werden, dass radioaktive Stoffe sich weder auf der Haut absetzen noch in den Körper gelangen können.

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Bildquellen: Andreas Staiger, Stuttgart ra_s1_ab_001

Atome und Atomkerne

A1 Kreuze die richtigen Aussagen über Atome an. Atome sind kleine unteilbare Körper aus einem einheitlichen Stoff.

Atome sind so klein, dass man ihren Aufbau nicht erforschen kann.

Atome sind aus Elementarteilchen aufgebaut.

A2 Beschrifte und ergänze.

Name Durchmesser Bausteine Eigenschaften

1 2

A3 Kreuze die richtigen Aussagen an. Die Atomhülle ist relativ leer und in ihr befinden sich die Neutronen.

Neutronen sind ungeladene Protonen.

Atome sind relativ leer. Nur der Atomkern ist undurchdringlich.

A4 Gib die Bedeutung der nachfolgenden Größen an und ergänze die Gleichung.

Massenzahl A:

Kernladungszahl Z :

Neutronenzahl N :

Isotop:

A =

A5 Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die einzelnen Atombausteine. Vervollständige.

Name des Bausteins Masse in 1,66 · 10–27 kg Ladung

Proton +1

≈ 1

≈ 0,0005

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Atome und Atomkerne – Lösung

A1 Kreuze die richtigen Aussagen über Atome an. Atome sind kleine unteilbare Körper aus einem einheitlichen Stoff.

Atome sind so klein, dass man ihren Aufbau nicht erforschen kann.

Atome sind aus Elementarteilchen aufgebaut.

A2 Beschrifte und ergänze.

Name Durchmesser Bausteine Eigenschaften

1 Atomhülle 10–10 m negativ geladene Elektronen relativ großer, leerer Bereich, negativ geladen2 Atomkern 1 – 6 ∙ 10–15 m positiv geladene Protonen undungeladene Neutronen

undurchdringlich, relativ klein, positiv geladen, vereinigt fast die gesamte Masse des Atoms

A3 Kreuze die richtigen Aussagen an. Die Atomhülle ist relativ leer und in ihr befinden sich die Neutronen.

Neutronen sind ungeladene Protonen.

Atome sind relativ leer. Nur der Atomkern ist undurchdringlich.

A4 Gib die Bedeutung der nachfolgenden Größen an und ergänze die Gleichung.

Massenzahl A: Zahl der Protonen und Neutronen im AtomkernKernladungszahl Z : Zahl der Protonen im Atomkern, gleich der Ordnungszahl Neutronenzahl N : Zahl der Neutronen im AtomkernIsotop: Atome mit gleicher Kernladungszahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl

A = Z N A5 Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die einzelnen Atombausteine. Vervollständige.

Name des Bausteins Masse in 1,66 · 10–27 kg Ladung

Proton 1 +1 Neutron ≈ 1 0Elektron ≈ 0,0005 –1

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Bildquellen: Alfred Marzell, Schwäbisch Gmünd ra_s1_ab_002

Radioaktive Strahlung

A1 Erkläre, weshalb man mit Hilfe radioaktiver Strahlung Gase ionisieren kann. A2 Dringt wie in der Abbildung ein α -Teilchen durch das Zählrohrfenster, dann … … erhöht sich im Zählrohr kurzfristig der Luftdruck

so stark, dass die Wandungen leicht verformt werden. Das führt zu einem kleinen Stromstoß im äußeren Stromkreis.

… werden im Innern des Zählrohrs Gasteilchen ionisiert. Die Ionen (und Elektronen) bewegen sich je nach Ladung zum inneren Drahtstift oder zum Gehäuse und es kommt zu einem Stromstoß.

… gelangt das α-Teilchen schließlich zum Gehäuse (negativ geladen). Seine Entladung führt zu einem Strom im äußeren Stromkreis.

A3 Die geladenen Elektroskope 1 (positiv) und 2 (negativ) befinden sich in der Nähe eines Strahlers, der positive Ladungen aussendet. Kreuze jeweils den Zustand an, in dem sich das Elektroskop nach einiger Zeit befindet.

1

2

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Radioaktive Strahlung – Lösung

A1 Erkläre, weshalb man mit Hilfe radioaktiver Strahlung Gase ionisieren kann. Radioaktive Strahlung überträgt Energie. Beim Durchgang radioaktiver Strahlung durch ein Gas tritt zwischen den Gasteilchen und der Strahlung Wechselwirkungauf. Dabei wird auf die Gasteilchen Atome oder Moleküle Energie übertragen. DieEnergiemenge reicht aus, um aus der Atomhülle Elektronen zu entfernen. Dadurchentsteht aus dem neutralen Atom/Molekül ein geladenes Ion. A2 Dringt wie in der Abbildung ein α -Teilchen durch das Zählrohrfenster, dann … … erhöht sich im Zählrohr kurzfristig der Luftdruck

so stark, dass die Wandungen leicht verformt werden. Das führt zu einem kleinen Stromstoß im äußeren Stromkreis.

… werden im Innern des Zählrohrs Gasteilchen ionisiert. Die Ionen (und Elektronen) bewegen sich je nach Ladung zum inneren Drahtstift oder zum Gehäuse und es kommt zu einem Stromstoß.

… gelangt das α-Teilchen schließlich zum Gehäuse (negativ geladen). Seine Entladung führt zu einem Strom im äußeren Stromkreis.

A3 Die geladenen Elektroskope 1 (positiv) und 2 (negativ) befinden sich in der Nähe eines Strahlers, der positive Ladungen aussendet. Kreuze jeweils den Zustand an, in dem sich das Elektroskop nach einiger Zeit befindet.

1

2

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ra_s1_ab_003

Biologische Wirkungen und Strahlenschutz

A1 Ergänze die nachfolgende Tabelle. Aktivität Energiedosis Äquivalentdosis Formelzeichen Gleichung Einheit

Bedeutung

A2 Ergänze die Übersicht. Biologische Strahlenwirkung

Beispiele Somatische Schäden

SGenetisc he Schäden

A3 Kreuze an, welche der nachfolgenden Maßnahmen für den Strahlenschutz geeignet sind. Zum Schutz sollte man einen möglichst großen Abstand zu Strahlungsquelle halten.

Zur Abschirmung sollte man möglichst dünne Plastikfolien verwenden, damit man sich gut bewegen kann.

Radioaktive Stoffe sollten nicht in den Körper gelangen.

α-Strahlung ist völlig ungefährlich, da sie nur eine sehr kurze Reichweite hat.

A4 In der Strahlentherapie behandelt man Krebserkrankungen mit radioaktiver Strahlung. Beschreibe, wie man vorgeht und was man besonders beachten muss.

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ra_s1_ab_003

Biologische Wirkungen und Strahlenschutz – Lösung

A1 Ergänze die nachfolgende Tabelle. Aktivität Energiedosis Äquivalentdosis Formelzeichen A D Dq Gleichung

∆∆ ∆ ∙ Einheit

1 Becquerel 1 1 Kernumwandlung1 Sekunde 1Gray1Gy 1 Jkg 1 Sievert 1Sv 1 Jkg

Bedeutung

Bezeichnet eine Eigenschaft der Quelle, je kürzer die Halbwertszeit, desto größer die Aktivität der Strahlungsquelle. Ist ein Maß für die ionisierende Wirkung der Strahlung; die Energiedosis nimmt mit der Aktivität zu.

Berücksichtigt die unterschiedliche biologische Wirkung verschiedener Strahlungsarten: Die Energiedosis wird mit einem Qualitätsfaktor Q Erfahrungswert bewertet. A2 Ergänze die Übersicht. Biologische Strahlenwirkung

Beispiele Somatische Schäden verändertes BlutbildÜbelkeit, Erbrechen, HaarausfallHautschäden, Blutungen, Entzündungen, Krebserkrankungen SGenetische Schäden

Schädigung von KeimzellenMissbildungenErbkrankheiten in der folgenden Generation A3 Kreuze an, welche der nachfolgenden Maßnahmen für den Strahlenschutz geeignet sind.

Zum Schutz sollte man einen möglichst großen Abstand zu Strahlungsquelle halten.

Zur Abschirmung sollte man möglichst dünne Plastikfolien verwenden, damit man sich gut bewegen kann.

Radioaktive Stoffe sollten nicht in den Körper gelangen.

α-Strahlung ist völlig ungefährlich, da sie nur eine sehr kurze Reichweite hat.

A4 In der Strahlentherapie behandelt man Krebserkrankungen mit radioaktiver Strahlung. Beschreibe, wie man vorgeht und was man besonders beachten muss. Krankes Gewebe wird durch radioaktive Strahlung zerstört. Man muss darauf achten, dass die gesunden Zellen dabei nicht geschädigt werden. Darum bestrahltman aus verschiedenen Richtungen.

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Strahlungsarten

A1 Man unterscheidet drei Strahlungsarten: α-, β- und γ-Strahlung. Ordne die Bezeichnungen α-, β- und γ -Strahlung drei der nachfolgenden Beschreibungen zu:

-Strahlung besteht aus langsamen Neutronen.

-Strahlung besteht aus Wasserstoffkernen.

-Strahlung besteht aus He-Kernen.

-Strahlung besteht aus Elektronen.

-Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen.

A2 Zeichne in das Bild den Verlauf von α-, β- und γ-Strahlung im Magnetfeld ein. Die magnetischen Feldlinien weisen in die Zeichenebene hinein. Zeichne die Strahlen bis zu derjenigen Abschirmung, an der sie entscheidend geschwächt werden.

A3 a) Berechne die verbleibenden Massen und Ladungszahlen und suche den Namen der entstandenen Kernart im Periodensystem auf: 232 90Th α 210 82Pb β– 218 84Po β–

214 84Po α –

–

b) Streiche Falsches durch: Beim Aussenden von γ -Strahlung wird – die Massenzahl des Kerns größer / kleiner / nicht verändert; – die Kernladung größer / kleiner / nicht verändert, – die Energie des Kerns größer / kleiner / nicht verändert.

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Strahlungsarten – Lösung

A1 Man unterscheidet drei Strahlungsarten: α-, β- und γ-Strahlung. Ordne die Bezeichnungen α-, β- und γ -Strahlung drei der nachfolgenden Beschreibungen zu: -Strahlung besteht aus langsamen Neutronen.

-Strahlung besteht aus Wasserstoffkernen. α -Strahlung besteht aus He-Kernen.

β -Strahlung besteht aus Elektronen. γ -Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen.

A2 Zeichne in das Bild den Verlauf von α-, β- und γ-Strahlung im Magnetfeld ein. Die magnetischen Feldlinien weisen in die Zeichenebene hinein. Zeichne die Strahlen bis zu derjenigen Abschirmung, an der sie entscheidend geschwächt werden. A3 a) Berechne die verbleibenden Massen und Ladungszahlen und suche den Namen der entstandenen Kernart im Periodensystem auf: 232 90Th α 228 88 Ra 210 82Pb β– 210 83Bi 218 84Po β– 218 85At

214 84Po α 210 82Pb – 210 82Bi α 206 81Tl β– 206 82Pb

b) Streiche Falsches durch: Beim Aussenden von γ -Strahlung wird – die Massenzahl des Kerns größer / kleiner / nicht verändert; – die Kernladung größer / kleiner / nicht verändert, – die Energie des Kerns größer / kleiner / nicht verändert.

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Radioaktiver Zerfall

A1 Ergänze die Zufallsgleichungen.

a) 212 84Po α b) 14 6C β– c) 222 86Rn 218 84Po d) 198 80Hg 0 – 1e

e) X α f) X β–

A2 a) Unter der Halbwertszeit eines Nuklids versteht man … … den Zeitabschnitt, in dem die Stoffportion dauernd mit dem halben Anfangswert strahlt. … die Zeitspanne, in welcher die Hälfte einer vorgegebenen Stoffportion zerfällt. … den Zeitraum, in welchem auch die zweite Hälfte vollends zerfällt. b) Das Nuklid Cu hat 12 h Halbwertszeit, Br hat 36 h und Th hat 25 h. Zeichne für die drei Nuklide die Zerfallskurven. Gehe jeweils von 80 g aus.

A3 Das Poloniumisotop Po hat eine Halbwertszeit von 3,1 min. Erläutere diese Aussage.

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Radioaktiver Zerfall – Lösung

A1 Ergänze die Zufallsgleichungen.

a) 212 84Po α 208 82Pb 42α b) 14 6C β– 14 7N c) 222 86Rn 218 84Po 42α d) 198 79 Au 198 80Hg 0 – 1e

e) X α – 4– 2 42α f) X β– 1 0 – 1e

A2 a) Unter der Halbwertszeit eines Nuklids versteht man … … den Zeitabschnitt, in dem die Stoffportion dauernd mit dem halben Anfangswert strahlt.

… die Zeitspanne, in welcher die Hälfte einer vorgegebenen Stoffportion zerfällt. … den Zeitraum, in welchem auch die zweite Hälfte vollends zerfällt. b) Das Nuklid Cu hat 12 h Halbwertszeit, Br hat 36 h und Th hat 25 h. Zeichne für die drei Nuklide die Zerfallskurven. Gehe jeweils von 80 g aus.

A3 Das Poloniumisotop Po hat eine Halbwertszeit von 3,1 min. Erläutere diese Aussage. Die Aussage bedeutet, dass in einer Zeitspanne von 3,1 min die Zahl der Kernzerfälle des 218 84 Po jeweils auf die Hälfte zurückgeht.

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Bildquellen: Werner Wildermuth, Würzburg ra_s1_ab_006

Aktivität und Halbwertszeit

A1 Führe folgende Versuche durch: Nimm ein zylinderförmiges Glas und gieße lauwarmes Bier so ein, dass

möglichst viel Schaum entsteht. Miss die Schaumhöhe h alle 20 Sekunden und trage deine Werte in die

Tabelle ein.

Zeit t (in s) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Schaumhöhe h (in cm)

A2 Zeichne deine Messwerte aus der Tabelle in folgendes Diagramm und verbinde die Messpunkte durch

eine geeignete Kurve. (Geeignete Achseneinteilung!)

A3 Der Zerfall des Schaumes ist ein Modellversuch für Kernumwandlungen. Was entspricht in diesem

Versuch den Schaumbläschen und der Schaumhöhe?

A4 Schlage in deinem Physikbuch die Begriffe Aktivität und Halbwertszeit nach. Fasse in je einem Satz

zusammen, was man darunter versteht.

A5 Bestimme aus deinem Diagramm die Halbwertszeit des Bierschaums.

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Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.


Aktivität und Halbwertszeit – Lösung

A1 Führe folgende Versuche durch: Nimm ein zylinderförmiges Glas und gieße lauwarmes Bier so ein, dass

möglichst viel Schaum entsteht. Miss die Schaumhöhe h alle 20 Sekunden und trage deine Werte in die

Tabelle ein.

Zeit t (in s) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Schaumhöhe h (in cm) 5,5 4,5 3,4 2,9 2,1 1,6 1,3 1,0 0,8 0,6

A2 Zeichne deine Messwerte aus der Tabelle in folgendes Diagramm und verbinde die Messpunkte durch

eine geeignete Kurve. (Geeignete Achseneinteilung!)

A3 Der Zerfall des Schaumes ist ein Modellversuch für Kernumwandlungen. Was entspricht in diesem

Versuch den Schaumbläschen und der Schaumhöhe? Die Schaumbläschen entsprechen den noch nicht zerfallenen Atomkernen, die Schaumhöhe ist ein Maß für die Anzahl der noch nicht zerfallenen Atomkerne.

A4 Schlage in deinem Physikbuch die Begriffe Aktivität und Halbwertszeit nach. Fasse in je einem Satz

zusammen, was man darunter versteht. Die Aktivität gibt die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit an. Unter der Halbwertszeit versteht man die Zeit, die vergeht, bis die Hälfte der Kerne umgewandelt ist.

A5 Bestimme aus deinem Diagramm die Halbwertszeit des Bierschaums. Die Halbwertszeit beträgt ca. 60 Sekunden.

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Modellversuch: Radioaktiver Zerfall

Betrachtet man ein einzelnes radioaktives Atom, so kann man nicht vorhersagen, wann es zerfällt. Der Zerfall ist vollkommen zufällig. Betrachtet man jedoch eine sehr große Anzahl von Atomen, so zeigen sich Regelmäßigkeiten. Mathematisch lassen sich diese Regelmäßigkeiten mit der e-Funktion beschreiben.

A1 Suche dir eine Zahl zwischen 1 und 6 aus und notiere sie in dem Kästchen. In der Abbildung sind genau 50 Kreise abgebildet. Würfle für jeden Kreis einmal mit einem Würfel. Wenn der Wurf mit der Zahl in dem Kästchen übereinstimmt, dann füllst du den Kreis mit einem Kreuz aus. Hast du für alle Kreise gewürfelt, so ist eine Würfelrunde beendet. Notiere in der Tabelle, wie viele Kreise insgesamt noch kein Kreuz haben. Bei der nächsten Würfelrunde würfelst du nur noch für die Kreise, die kein Kreuz haben. Tipp: Schneller geht es, wenn du mit mehreren Würfeln, z. B. fünf, gleichzeitig würfelst und damit mehrere Kreise auf einmal „bearbeitest“.

Würfel-runde

Ohne Kreuz

Würfel- runde

Ohne Kreuz

0 50 8 1 9 2 10 3 11 4 12 5 13 6 14 7 15

Trage die Tabellenwerte in das unten stehende Diagramm ein. Die Linie, die bereits in das Diagramm eingetragen ist, ist der Graph der Funktion 50 ∙ . Wenn die Übereinstimmung beim ersten Mal nicht so groß ist, so musst du überlegen, dass du „nur“ 50 Kreise hast. 1 Gramm Uran-238 besteht aus 2,53 · 1021 Atomen.

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Modellversuch: Radioaktiver Zerfall – Lösung

Betrachtet man ein einzelnes radioaktives Atom, so kann man nicht vorhersagen, wann es zerfällt. Der Zerfall ist vollkommen zufällig. Betrachtet man jedoch eine sehr große Anzahl von Atomen, so zeigen sich Regelmäßigkeiten. Mathematisch lassen sich diese Regelmäßigkeiten mit der e-Funktion beschreiben.

A1 Suche dir eine Zahl zwischen 1 und 6 aus und notiere sie in dem Kästchen. In der Abbildung sind genau 50 Kreise abgebildet. Würfle für jeden Kreis einmal mit einem Würfel. Wenn der Wurf mit der Zahl in dem Kästchen übereinstimmt, dann füllst du den Kreis mit einem Kreuz aus. Hast du für alle Kreise gewürfelt, so ist eine Würfelrunde beendet. Notiere in der Tabelle, wie viele Kreise insgesamt noch kein Kreuz haben. Bei der nächsten Würfelrunde würfelst du nur noch für die Kreise, die kein Kreuz haben. Tipp: Schneller geht es, wenn du mit mehreren Würfeln, z. B. fünf, gleichzeitig würfelst und damit mehrere Kreise auf einmal „bearbeitest“.

Würfel-runde

Ohne Kreuz

Würfel- runde

Ohne Kreuz

0 50 8 12 1 43 9 10 2 36 10 10 3 29 11 10 4 23 12 8 5 18 13 5 6 16 14 4 7 14 15 2

Trage die Tabellenwerte in das unten stehende Diagramm ein. Die Linie, die bereits in das Diagramm eingetragen ist, ist der Graph der Funktion 50 ∙ . Wenn die Übereinstimmung beim ersten Mal nicht so groß ist, so musst du überlegen, dass du „nur“ 50 Kreise hast. 1 Gramm Uran-238 besteht aus 2,53 · 1021 Atomen.

6

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Künstliche Kernumwandlungen

A1 Ergänze die Lücken.

Das Grundprinzip der künstlichen Kernumwandlung besteht darin, dass man einen mit einem Teilchen und erfasst, welche entstehen. Als

Geschossteilchen kann man , , , andere Kerne, aber

auch Wasserstoffkerne oder γ-Strahlung nutzen. Die so entstandenen Atomkerne sind häufig instabil

und . A2 Ergänze die nachfolgenden Gleichungen.

a) 42α 14 7N ⟶ 17 8O b) 42α 12 6C ⟶ 10n

c) 73Li ⟶ 42He 42He ∆E d) 235 92U 10n ⟶ γ

A3 Bei den künstlichen Kernumwandlungen gibt es endotherme und exotherme Reaktionen. Informiere dich, was das bedeutet und entscheide, welcher Reaktionstyp hinsichtlich der Energieproblematik für die Menschheit interessanter ist. A4 Ergänze die Reaktionsgleichung. 235 92U 10n ⟶ 236 92U ⟶ 137 Cs 37Rb 310n Energie Begründe, warum diese Reaktion zur Auslösung einer Kettenreaktion geeignet ist.

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Künstliche Kernumwandlungen – Lösung

A1 Ergänze die Lücken.

Das Grundprinzip der künstlichen Kernumwandlung besteht darin, dass man einen Atomkern mit einem Teilchen beschießt und erfasst, welche Spaltprodukte entstehen. Als

Geschossteilchen kann man Neutronen , Protonen , Deuteronen , andere Kerne,

aber auch Wasserstoffkerne oder γ-Strahlung nutzen. Die so entstandenen Atomkerne sind häufig instabil

und zerfallen . A2 Ergänze die nachfolgenden Gleichungen.

a) 42α 14 7N ⟶ 17 8O 11p b) 42α 12 6C ⟶ 15 8O 10n

c) 73Li 11p ⟶ 42He 42He Δ d) 235 92U 10n ⟶ 236 92U γ

A3 Bei den künstlichen Kernumwandlungen gibt es endotherme und exotherme Reaktionen. Informiere dich, was das bedeutet und entscheide, welcher Reaktionstyp hinsichtlich der Energieproblematik für die Menschheit interessanter ist. Als endotherm bezeichnet man Reaktionen, die nur ablaufen können, wenn kontinuierlich von außen Energie zugeführt wird zusätzlich zur Aktivierungsenergie . Bei exothermen Reaktionen wird dagegen Energie frei, Beispiele sind die Spaltung des Uranisotops U‐235 oder die Fusion zweier Wasserstoffkerne. Hinsichtlich der Notwendigkeit, Energie zur Verfügung zu stellen, sind exotherme Reaktionen daher natürlich interessanter. A4 Ergänze die Reaktionsgleichung. 235 92U 10n ⟶ 236 92U ⟶ 137 55 Cs 9637Rb 310n Energie Begründe, warum diese Reaktion zur Auslösung einer Kettenreaktion geeignet ist. Diese Reaktion eignet sich zur Auslösung einer Kettenreaktion, weil bei der Kernumwandlung drei Neutronen frei werden, die wiederum die Spaltung weitererU‐235‐Kerne auslösen können.

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Bildquellen: Alfred Marzell, Schäbisch Gmünd ra_s1_ab_009

Kernkraftwerke

A1 Benenne die Teile des abgebildeten Kernkraftwerks:

A E

B F

C G

D H A2 Erläutere den Unterschied zwischen einer kontrollierten und einer unkontrollierten Kettenreaktion. A3 Erkläre, wie man mit Hilfe der Regelstäbe die Anzahl der Reaktionen im Reaktor steuern kann. A4 Erkläre den Nutzen des zweiten Wasserkreislaufes.

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Bildquellen: Alfred Marzell, Schäbisch Gmünd ra_s1_ab_009

Kernkraftwerke

A1 Benenne die Teile des abgebildeten Kernkraftwerks:

A Reaktor E DampferzeugerB Regelstab F SchutzbehälterC Brennstab G TurbineD Moderator H Generator A2 Erläutere den Unterschied zwischen einer kontrollierten und einer unkontrollierten Kettenreaktion. Bei der unkontrollierten Kettenreaktion steigt die Anzahl der Kernspaltungen lawinenartig an, weil durch jedes Neutron, das eine Spaltung hervorruft, zwei bis drei Neutronen freigesetzt werden, diewiederum Kernspaltungen auslösen können. Im Gegensatz dazu wird bei der kontrolliertenKettenreaktion die Spaltrate auf einem gewünschten Wert konstant gehalten. Pro Spaltung darf nurein Neutron für weitere Spaltungen genutzt werden, die restlichen entstandenen Neutronenwerden durch den Einsatz geeigneter Materialien absorbiert. A3 Erkläre, wie man mit Hilfe der Regelstäbe die Anzahl der Reaktionen im Reaktor steuern kann. Die Regelstäbe absorbieren Neutronen und verringern dadurch die Zahl der Kernspaltungen. A4 Erkläre den Nutzen des zweiten Wasserkreislaufes. Der zweite Wasserkreislauf dient der Abkühlung des Dampfs im Sekundärkreislauf. Das kondensierte Wasser kann dann wieder dem Dampferzeuger zugeführt werden.Gleichzeitig wird die Gefahr verringert, dass Radioaktivität nach außen in denKühlwasserkreislauf gelangt.

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4 Struktur der Materie - asset.klett.de 9_10... · c) Jede Linie ist charakteristisch für...

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