Radioaktivitätfdchemie.pbworks.com/f/Radioaktivität.pdf · 2017-12-22 · Ausfall von...

Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S.

Amadeus Bärtsch 22. Dez. 2017

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Radioaktivität Radioaktivität, ein Thema für die Chemie?

Gründe das Thema Radioaktivität im Grundlagenfach Chemie zu unterrichten •

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Gründe Radioaktivität nicht zu thematisieren •

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

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

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

• Was heisst radioaktiv? • Warum sind radioaktive Strahlen gefährlich? • Wie baut man eine Atombombe? • Warum haben Atombomben eine verheerende Wirkung? • Wie kann aus Atomen Strom erzeugt werden? • Warum geht dabei 60 % der Energie verloren?



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• Was entweicht aus dem Kühlturm? • Was passiert bei einem Atomunfall? Z. Bsp. in Fukushima • Warum kann ein Kernkraftwerk nie so explodieren wie eine Bombe? • Was geschieht mit dem radioaktiven Abfall?

Welche Fachbegriffe sollten erklärt werden?

Radioaktiver Zerfall: a-, b- und g-Strahlen, Halbwertszeit, Zerfallsreihe, Radon, Sievert

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

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

Unterrichtsvorschlag

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

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

Einführung der Strahlenarten an der Wandtafel



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Aufgabe: Uran-Radium-Zerfallsreihe Lösung

Lösung

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

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

Bsp. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren



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

Vorgehen:

Wie gefährlich sind radioaktive Strahlen? Die Radiation Dose Chart gibt eine eindrückliche graphische Darstellung: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ARadiation_Dose_Chart_by_Xkcd.png

Biologische Wirkung hoher Dosen 100 mSv Tiefste Jahresdosis, bei der eine erhöhte Krebsrate festgestellt wurde 400 mSv in kurzer Zeit erzeigt Symptome der Strahlenkrankheit 2000 mSv starke Strahlenkrankheit, die in einigen Fällen zum Tod führt 8000 mSv Strahlenkrankheit ohne Überlebenschance (Angaben aus der Radiation Dose Chart)



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

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

Computertomographie:

Röntgen-Aufnahme und Durchleuchtung:

Röntgen-Aufnahme:

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

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

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

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

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Mensch, Natur – Radioaktivität

Strom ist nicht alles, aber fast alles braucht Strom!Juni 2002 · f fe, Feigelstrasse 35, 4600 Olten · www.f fe.ch

Radioaktivität war seit jeher auf der Erde vorhanden. Seit den Atombomben von Hiroshimaund Nagasaki wird die Radioaktivität mit Angst und Tod verknüpft. Hohes Verantwortungs-bewusstsein im Umgang mit Radioaktivität und strenge Gesetze sind nötig, um das Risikovon Strahlenschäden möglichst klein zu halten.

Segensreiche Radioaktivität

Die medizinische Strahlentherapie und Diagnostik verwen-den kurzlebige, radioaktive Substanzen (Stoffe, die raschin stabile, nicht radioaktive zer fallen), um Krankheiten früh-zeitig zu erkennen und das Wachstum von Tumoren etc. zuverlangsamen oder zu stoppen.

60% der Strahlung stammen aus natürlichen Quellen,32% aus Medizin und nur 0,2 aus KKW, Forschung undTechnik.

Aufnahme von Radioaktivität inunserem KörperWerden grössere Mengen radioaktiver Stoffe eingeatmetoder mit der Nahrung aufgenommen, so können Zellen imKörper von innen her – weil die schützende Abschirmungfehlt – geschädigt werden (Krebs, Veränderung derErbanlagen).

Wie tritt die Radioaktivität in unserer Umwelt auf?

Radon in Wohnräumen1,6 mSv

innere Bestrahlung 0,4 mSv

medizinische Anwendung 1,0 mSv

übrige 0,2 mSv kosmische

Strahlung 0,35 mSv

terrestrische Strahlung 0,45 mSv

Mittlere Jahresdosis derSchweizer Bevölkerung

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kosmische Strahlung

terrestrische Strahlung

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Natürliche Radioaktivität in der Schweiz

Frauen für Energie

Donne per l’energia

Femmes pour l’énergie

Natürliche Umgebungsradioaktivität ist am höchsten inden Bergen der Südschweiz.

Strom ist nicht alles, aber fast alles braucht Strom!Juni 2002 · f fe, Feigelstrasse 35, 4600 Olten · www.f fe.ch

Radioaktivität in WohnräumenIn gut isolier ten und wenig belüfteten Räumen von Stein-gebäuden sind energiebewusste Bewohner einer zusätzli-chen Strahlungsbelastung ausgesetzt, wegen des aus denMauern entweichenden radioaktiven Gases Radon (ein Zer-fallsprodukt des Urans, das in fast allen Gesteinsarten vor-kommt).

Radioaktivität in jedem GartenJeder Boden enthält in der Erde und im Gestein radioaktiveMaterialien wie: Kalium-40, Thorium und Uran.

Im Durchschnitt enthält der oberste Meter eines 40 x 10 mgrossen Gar tens: 0,8 kg natürliches radioaktives Kalium,6 kg Thorium, 2 kg Uran

Kleine Strahlendosen sind unbedenklichUnter dem Namen Petkau-Effekt wird die Gefährlichkeitauch kleinster, zusätzlicher Strahlendosen suggerier t. DieExperimente von Petkau wurden aber an künstlichen Zell-membranen durchgeführt, daher können diese Resultatenicht auf den Menschen übertragen werden. Unsere natür-lichen Zellmembranen besitzen nämlich einen Regenera-tions- und Reparaturmechanismus. Wissenschaftliche Unter-suchungen über die Wirkung niedriger Strahlendosen zei-gen, dass kleine Stahlendosen gesundheitlich unbedenk-lich sind.Langjährige Untersuchungen im indischen Kerala und denAnden, wo die natürliche Strahlenbelastung bis 100-malhöher ist als bei uns, stehen ebenfalls im Gegensatz zuden Untersuchungen von Petkau.

Radioaktivität in der UmweltEntgegen der landläufigen Meinung war der radioaktiveAusfall von Tschernobyl viel geringer als diejenige der ober-irdischen Atombombentests in den 50er- und 60er-Jahren.

0,01 1 Jahr in der Nähe eines KKWs wohnen

0,035 für Bewohner, die 100 m höher wohnen als andere

0,04 2 Wochen Skifahren auf 2000 m

0,05 2 Jet-Flüge zu 5 h pro Jahr

0,25 800 Liter Trinkwasser pro Jahr

3,0 80 Liter Mineralwasserkonsum pro Jahr

4,0 als Crew von Jet-Flugzeugen

8,0 ein mittelstarker Raucher

8,0 14-tägige Kur in Bad Gastein

Einwohner von Kerala, Indien10,0 innere Zone, 4500 Einwohner20,0 Kernzone, 470 Einwohner

200,0 Kurpersonal im Zentrum von Bad Gastein

Spezielle Bestrahlungen in mSv/Jahr



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

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

Skript für die Schüler: Kernspaltung

graphisch

in Worten

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

1,0087u 235,0439u 89,9252u 142,9267u 1,0087u E = m·c2 E = 0,00074 kg·(3·108 m/s)2 = 6,66·1013 J Zum Vergleich: 1 kg TNT erzeugt 4520 kJ Die Spaltung von 1 kg Uran entspricht demnach 14'700'000 kg TNT = 14,7 Kilotonnen TNT

Kettenreaktion

graphisch

in Worten

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



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Rezept für den Bau einer Atombombe

Für den Bau einer Atombombe benötigt man

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

2. Sprengstoff bringt die unterkritischen Massen zusammen

3. Der Tamper reflektiert Neutronen

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

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

Die Anreicherung ist schwierig

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

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



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Atombomben im 2. Weltkrieg

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

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

Atombombe und Krebs

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

Bei einer Vergleichsbevölkerung ohne radioaktive Belastung sterben 7 406 von 38 100 an Krebs. Wie viele Überlebende der Atombomben in Japan starben an Krebs?

Ihre Schätzung: ............................. von 38 100 Todesfällen.

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

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

1. Kettenreaktion kontrollieren 2. Energie abführen und nutzen 3. Gamma-Strahlen abschirmen, die bei der Kernspaltung entstehen 4. Spaltprodukte sind radioaktiv und dürfen nicht in die Biosphäre gelangen

Zuerst Übersichtsskizze, erst dann die Details.



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Erkenntnisse:

Wie die Kettenreaktion kontrolliert werden kann

Die Prozesse im Reaktor eines Kernkraftwerks (http://www.kernenergie.de/kernenergie/service/downloads/index.php am 29.10.2015)

Reaktor hochfahren Reaktor abstellen



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Tendenziöse Information Der Brennstoffkreislauf

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

In der Broschüre wird das Bild folgendermassen kommentiert:

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

Was halten Sie von dieser Beschreibung?

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