Von der Entdeckung bis zu den Strahlungsarten – eine Einführung in die Radioaktivität
Ein Beitrag von Tobias Dunst, Kißlegg Mit Illustrationen von Julia Lenzmann, Stuttgart
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aucht der Begriff „Radioaktivität“ in den Medien auf, geht damit meist ein Schaudern einher, weil er sofort die Er- innerungen an die nuklearen Katastrophen in Tschernobyl (1986) oder Fukushima (2011) in uns weckt. Ereignisse, die als abschreckendes Beispiel der vernichtenden Auswirkungen und Gefahren der Radioaktivität im Gedächt- nis bleiben. Radioaktivität darf aber nicht nur auf die von ihr ausgehenden Gefahren redu- ziert werden. Radioaktivität ist ein sehr span- nendes Feld, welches das Interesse vieler Wissenschaftler auf sich lenkte und lenkt.In einem Gruppenpuzzle erarbeiten die Ler- nenden die Entdeckung der Radioaktivität.
Die Ergebnisse des Rutherfordschen Streu- versuchs entschlüsseln sie in einem Place- mat. Abschließend vertiefen sie ihr Wissen in einer Stationenarbeit zum Atombau, zu den Strahlungsarten und zum Einsatz von Radio- aktivität.
Das Wichtigste auf einen Blick
Klasse: 8/9
Dauer: 5 Stunden (Minimalplan: 3) Kompetenzen: Die Schüler …
• beschreibendenBauvonAtomenmithil- fe eines geeigneten Atommodells.
• beschreiben, veranschaulichen oder er- klären chemische Sachverhalte unter Ver- wendung der Fachsprache und mithilfe von Modellen.
• planen, strukturieren, relektieren und
präsentieren ihre Arbeit als Team.
Übungsmaterial:
• Gruppenpuzzle„Die Entdeckung der Ra- dioaktivität“
• PlacematzumRutherfordschenStreuver- such
• LernstationenrundumdieRadioaktivität
• Bingo-SpielalsLernerfolgskontrolle
Ob beim Zahnarzt oder in der Wissenschaft – die Radioaktivität dient uns in vielen Bereichen.
Foto: Colourbox
Mit einem Bing o-Spiel als Lernerfolgsk ontrolle!
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Was Sie zum Thema wissen müssen
Atommodell nach John Dalton
John Dalton entwickelte zwischen 1803 und 1808 folgende drei Hauptaussagen über Atome:
1. Atome sind der kleinste Baustein der Elemente. Ein Element besteht aus gleichen Atomen.
Die Atome unterschiedlicher Elemente sind verschieden.
2. Bei einer chemischen Reaktion gehen Atome Verbindungen ein oder es werden Verbindun- gen getrennt. Keinesfalls werden Atome dabei zerstört oder erschaffen.
3. Eine Verbindung besteht aus Atomen von zwei oder mehr Elementen, die sich immer im gleichen Mengenverhältnis miteinander verbinden.
Unit ist die atomare Masseneinheit, das Einheitenzeichen ist u. Da eine Masse von 1 u in etwa der Masse von Protonen und Neutronen entspricht, stimmt auch der Zahlenwert der Atom- masse in etwa mit der Nukleonenzahl überein.
Bausteine von Atomen
Protonen sind einfach positiv geladene Kernbausteine von Atomen mit einer Masse von etwa 1 u (1,0073 u). Die Anzahl von Protonen bestimmt die Eigenschaften eines Elements und ent- spricht seiner Ordnungszahl.
Neutronen sind Kernbausteine ohne Ladung, haben ebenso eine Masse von etwa 1 u (1,0087 u) und sind für die Isotopenbildung verantwortlich. Elemente mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Neutronenanzahl werden Isotope genannt. Sie haben fast identische Stoff- eigenschaften.
Elektronen sind einfach negativ geladene, in der Elektronenhülle frei bewegliche Bausteine von Atomen mit einer Masse von 0,00055 u.
Protonen und Neutronen werden als Kernbausteine der Atome zu den Nukleonen zusammen- gefasst. Die Anzahl der Nukleonen entspricht fast genau der Atommasse.
Radioaktivität
Radioaktivität ist die Eigenschaft eines Stoffes, ionisierende Strahlung abzugeben. Ionisie- rende Strahlung ist der korrekte Begriff für die im Alltag oft vorkommende Bezeichnung „ra- dioaktive Strahlung“ – eine Wortkombination, die keinen Sinn ergibt, da nicht die Strahlung radioaktiv ist, sondern ein Stoff, der ionisierende Strahlung aussendet.
Die Bezeichnung der Strahlungsarten mit den ersten drei Buchstaben des griechischen Al- phabets resultiert aus deren Intensität. Alpha-Strahlung ist die am leichtesten abschirmbare Strahlung, Gamma-Strahlung die intensivste Strahlung.
Bei α-Strahlen handelt es sich um Teilchenstrahlen, die aus zwei Protonen und zwei Neut- ronen, also zweifach positiv geladenen Heliumkernen, bestehen. Sie kann bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden.
Negativ geladene, sehr schnelle Elektronen bilden die -Strahlen, die somit auch Teilchen- strahlen sind. Um sie abzuschirmen, bedarf es bereits 4–5 mm dicker Metallplatten.
-Strahlen sind keine Teilchenstrahlung, es handelt sich um elektromagnetische Wellen mit einem sehr starken Durchdringungsvermögen, die nur durch dicke Bleiplatten abgeschirmt werden können.
Die Halbwertszeit gibt an, in welchem Zeitraum die Hälfte einer radioaktiven Probe zerfällt.
Wilhelm Conrad Röntgen
Der am 27. März 1845 in Remscheid geborene deutsche Physiker entdeckte 1895 im Physika- lischen Institut der Universität Würzburg die Röntgenstrahlen. Hierfür erhielt er 1901 seinen ersten Nobelpreis für Physik. Die Entdeckung der Röntgenstrahlen revolutionierte die medizi-
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nische Diagnostik und führte unter anderem zur Entdeckung und Erforschung der Radioakti- vität. Röntgen verstarb am 10. Februar 1923 in München.
Henri Becquerel
Der französische Physiker Henry Becquerel, geboren am 15. Dezember 1852 in Paris, ist der Entdecker der Radioaktivität. Gemeinsam mit Marie und Pierre Curie erhielt er 1903 den No- belpreis für Physik. Am 25. August im Jahre 1908 verstarb er in Le Croisic.
Marie Curie
Die am 7. November 1867 in Warschau geborene Physikerin und Chemikerin untersuchte die im Jahre 1896 von Henri Becquerel beobachtete Strahlung von Uranverbindungen. Curie war die Schöpferin des Begriffs „radioaktiv“. 1903 erhielt sie zusammen mit ihrem Ehemann Pierre und Henri Becquerel den Nobelpreis für Physik. 1911 erhielt sie den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung der Elemente Polonium und Radium. Unter den vier Mehrfach-Nobelpreisträ- gern war Curie die einzige Frau; zudem war sie die erste Frau und erste Professorin an der alten Pariser Universität. Seit 1897 erforschte sie radioaktive Substanzen. Curie entwickelte einen Röntgenwagen, mit dem sie radiologische Untersuchungen von kriegsverwundeten Soldaten an der Front im Ersten Weltkrieg durchführte. Am 4. Juli 1934 verstarb die gebürtige Polin in Sancellemoz.
Ernest Rutherford
Am 30. August 1871 wurde der neuseeländische Experimentalphysiker Ernest Rutherford in Spring Grove bei Nelson geboren. Er erkannte 1897, dass ionisierende Strahlung aus meh- reren Teilchenarten besteht. Zudem vermutete er im Jahre 1902, dass chemische Elemente durch radioaktiven Zerfall in Elemente mit niedrigerer Ordnungszahl übergehen. Für die Ein- teilung der Radioaktivität in die Strahlungsarten (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung) erhielt er 1908 den Nobelpreis für Chemie. Auch entwickelte er 1911 nach seinem Streuversuch das nach ihm benannte Kern-Hülle-Modell. Er verstarb am 19. Oktober 1937 in Cambridge.
Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung
Voraussetzungen der Lerngruppe
Radioaktivität ist ein Thema, dem die Schülerinnen und Schüler* grundsätzlich mit großer Neugier gegenüberstehen und wozu sie viele Fragen haben. Im Chemieunterricht geht es darum,denSchülerndasPhänomenRadioaktivitätbegreilichzumachen.MitdiesemThema
beschreiten sie ein neues Gebiet. Erste Erfahrungen im Mikrokosmos haben die Lernenden bereits mit dem Daltonschen Atommodell gemacht. Sie haben eine Teilchenvorstellung ge- festigt, die im Rahmen dieser Einheit erweitert wird. Daher ist es wichtig, dass die Schüler sowohl das Teilchenmodell nach John Dalton verstanden haben, aber sich auch gleichzeitig bewusst sind, dass es sich um eine Modellvorstellung handelt, die aus Überlegungen und Beobachtungen hervorgegangen ist und nicht aus tatsächlichen Erfahrungen.
* Im weiteren Verlauf der Einheit wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.
Aufbau der Unterrichtseinheit
Der Einstieg in die Unterrichtseinheit erfolgt mithilfe von Stichwortkarten, die Ihre Schüler auf das Thema „Radioaktivität“ lenkt.
Anschließend erarbeiten die Lernenden im Rahmen eines Gruppenpuzzles die Entdeckung der Radioaktivität. Anhand von Arbeitsblatt M 1 erläutern Sie den Lernenden die Arbeit in Exper- ten- und Stammgruppen. In Expertengruppen befassen sich die Schüler mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen durch W. C. Röntgen (M 2), den von H. Becquerel beschriebenen „Becquerel- Strahlen“ (M 3), die M. Curie untersuchte und dabei weitere strahlende Elemente entdeckte (M 4), und mit der Entdeckung von E. Rutherford, dass die Strahlung aus zwei unterschiedlichen Komponenten besteht (M 5). In Stammgruppen geben sie als Experten ihr Wissen an ihre Mit-
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Den Streuversuch von Ernest Rutherford lernt die Klasse mithilfe von Farbfolie M 7 kennen.
In einem Placemat M 8 deuten die Schüler dessen Ergebnisse und erweitern in Arbeitsblatt M 9 das Daltonsche Atommodel zum Kern-Hülle-Modell.
In der Folgestunde vertiefen und wiederholen die Schüler ihr Wissen rund um die Radioaktivi- tät mithilfe eines Stationenlernens. An Station 1 (M 10) betrachten die Lernenden den Aufbau von Atomen eingehender. An Station 2 (M 11) lernen sie die verschiedenen Strahlungsarten kennen. Station 3 (M 12) bezieht schließlich den Einsatz von Radioaktivität mit ein.
Den Abschluss bildet eine wiederholende Zusammenfassung anhand des Bingo-Spiels M 13.
Anhand von Arbeitsblatt M 6 stellen die Schüler alle wichtigen Inhalte des Grup-
penpuzzles zusammen. Innerhalb des Stationenlernens werden einige Aspekte des Grup- penpuzzles wiederholt und vertieft. Zum Abschluss werden mithilfe des Bingo-Spiels M 13 die Inhalte der Einheit noch einmal wiederholt.
Üben
Angebote zur Differenzierung
Die im Rahmen dieser Unterrichtseinheit zur Anwendung kommenden Methoden „Gruppen- puzzle“, „Placemat“ und „Lernstationen“ bieten vielseitige Möglichkeit zur Binnendifferenzie- rung.
Ideen für die weitere Arbeit
Am Beispiel von Atomen erfahren die Schüler, dass Modelle entwickelt werden, um bestimm- te Sachverhalte und Vorgänge erklären zu können. Diese sind zum Verständnis nicht wahr- nehmbarer Phänomene aus dem Mikro- und Makrokosmos unentbehrlich. Modelle können jedoch auch an Grenzen stoßen und müssen gegebenenfalls verändert oder erweitert werden, um neue, reale Sachverhalte aufzunehmen.
Somit bietet es sich an, die Entwicklung der Atomvorstellung zeitnah fortzuführen und das von Rutherford und Bohr entwickelte Schalenmodell einzuführen, mit dem schließlich die Atombindung erklärt werden kann.
Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler
Die Schüler ...
• beschreibenmodellhaftdensubmikroskopischenBauausgewählterStoffe.
• beschreibendenBauvonAtomenmithilfeeinesgeeignetenAtommodells.
• erkennenundentwickelnFragestellungen,diemithilfechemischerKenntnisseundUntersu- chungen zu beantworten sind.
• wählenthemenbezogeneundaussagekräftigeInformationenaus.
• beschreiben, veranschaulichen oder erklären chemische Sachverhalte unterVerwendung
der Fachsprache und mithilfe von Modellen und Darstellungen.
• argumentierenfachlichkorrektundfolgerichtig.
• planen,strukturieren,relektierenundpräsentierenihreArbeitalsTeam.
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Die Einheit im Überblick
FO = Folie FV = Folienvorlage SP = Spiel LP = Lehrerpräsentation AB = Arbeitsblatt LEK = Lernerfolgskontrolle TK = Tippkarte = Zusatzmaterial auf CD
Stunde 1–2: Die Entdeckung der Radioaktivität (AB) Stichwort-Karten
M 1 (FV) Gruppenpuzzle zur Radioaktivität – so geht’s M 2 (AB) Expertengruppe 1 – Eine neue Art von Strahlen M 3 (AB) Expertengruppe 2 – Ein unbekanntes Leuchten M 4 (AB) Expertengruppe 3 – Immer mehr Strahlung
M 5 (AB) Expertengruppe 4 – Strahlung ist nicht gleich Strahlung M 6 (AB) Jetzt weiß ich’s – die Entdeckung der Radioaktivität
Stunde 3: Der Rutherfordsche Streuversuch M 7 (FO) Der Rutherfordsche Streuversuch
M 8 (AB/TK) Placemat zum Rutherfordschen Streuversuch M 9 (LEK) Jetzt weiß ich’s – der Rutherfordsche Streuversuch
(AB/FV) Einstiegsaufgabe
(LP) Der Rutherfordsche Streuversuch (Powerpoint-Präsentation) (AB) Placemat-Vorlage
Stunde 4: Rund um das Thema Radioaktivität M 10 (AB) Station 1 – Wie sind Atome aufgebaut?
M 11 (AB) Station 2 – Die Strahlungsarten
M 12 (AB) Station 3 – Wo Radioaktivität zum Einsatz kommt
Stunde 5: Spielerische Lernerfolgskontrolle
M 13 (SP/FV) Radioaktivität-Bingo – Wer gewinnt die Runde?
(SP) Radioaktivität-Bingo – Bingo-Raster
Minimalplan
Die Zeit ist zu knapp? Dann verkürzen Sie die Einheit auf 3 Stunden, indem Sie das Statio- nenlernen M 10–M 12 und das Bingo-Spiel M 13 weglassen. In starken Lerngruppen kann das Gruppenpuzzle M 1–M 6 auch in einer Stunde durchgeführt werden.
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Gruppenpuzzle zur Radioaktivität – so geht’s
Verteilung der Themen und Expertengruppen
rot Eine neue Art von Strahlen Expertengruppe 1 gelb Ein unbekanntes Leuchten Expertengruppe 2
grün Immer mehr Strahlung Expertengruppe 3
blau Strahlung ist nicht gleich Strahlung Expertengruppe 4
Phase 1 – Thema alleine erarbeiten
Jeder Schüler erhält ein farbiges Kärtchen mit Ziffer. Erarbeitet das Thema eurer Farbe. Lest euch dazu den Info-Text durch und markiert die wichtigsten Aussagen (Aufgabe 1).
Phase 2 – Thema gemeinsam erarbeiten (Expertenrunde)
• Findet euch in Expertengruppen zusammen. Es bilden immer die Schüler eine Gruppe, die dieselbe Farbe und eine gerade oder ungerade Zahl auf ihrem Kärtchen haben.
• Tauscht euch aus, klärt Fragen und ergänzt einander.
• Arbeitet gemeinsam die wichtigsten Informationen heraus, sodass ihr später in der Stammgruppe euren Mitschülern euer Thema erklären könnt (Aufgabe 2).
Phase 3 – Sein Thema vermitteln (Stammgruppe)
• Findet euch in Stammgruppen zusammen. Die Stammgruppen bildet ihr, indem ihr euch mit den Mitschülern zusammenfindet, die dieselbe Zahl wie ihr auf der Karte haben.
• Eurer Stammgruppe vermittelt ihr euer Expertenwissen und beantwortet Fragen. Die anderen notieren sich die wichtigsten Informationen.
• Bearbeitet abschließend das Arbeitsblatt „Die Entdeckung der Radioakti- vität“.
M 1
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Bilder: Colourbox
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M 7 Der Rutherfordsche Streuversuch
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M 8 Placemat zum Rutherfordschen Streuversuch
Das Placemat hilft euch dabei, eure Gedanken zu den folgenden Fragen zu sammeln:
1. Kann die Atomvorstellung von John Dalton der Realität entsprechen, wenn die Goldfolie vom größten Teil der Strahlung durchdrungen werden kann?
2. Aus welchem Grund wird ein Teil der Strahlung zurückge- worfen? Warum dringt Strahlung durch die Goldfolie, wird aber abgelenkt?
Tipp Eine kleine Hilfestellung findet ihr auf den Tippkarten.
Es gelten folgende Regeln:
1. Setzt euch so um euer Placemat, dass jeder vor einem freien Feld sitzt. Jedes Grup- penmitglied benötigt einen Bleistift und einen Farbstift, dessen Farbe sich von der der anderen Teammitglieder unterscheidet. In sein Feld trägt jeder seinen Namen ein.
2. Nun habt ihr 5 Minuten Zeit, eure Gedanken zu den beiden Fragen stichwortartig mit Bleistift in euer Feld einzutragen.
3. Anschließend werden die Gedanken ausgetauscht. Dazu dreht ihr das Placemat und lest euch die Gedanken eurer Teammitglieder durch. Mit eurer Farbe fügt ihr Gedanken hinzu. Zeit: jeweils ca. 2 Minuten.
4. Dies wird so oft wiederholt, bis jeder sein eigenes Feld wieder vor sich liegen hat. So lange darf nicht gesprochen werden.
5. Diskutiert über die gesammelten Gedanken. Einigt euch auf jeweils drei Gemeinsam- keiten zu jeder der beiden Ausgangsfragen. Tragt diese in das Feld in der Mitte ein.
Dafür habt ihr erneut 5 Minuten Zeit.
6. Stellt eure Theorie zum Aufbau der Atome der Klasse vor.
Tippkarten
Tipp 1
Ihr seid beim Torwandschießen. Die Torwand ist sehr groß und hat nicht nur zwei, sondern ganz viele Löcher.
Was geschieht, wenn der Ball trotz der vielen Löcher gegen die Torwand prallt?
Tipp 2
Stellt euch vor, die Torwand ist stark magnetisch und euer Fußball auch.
Wie wirkt sich dies auf die Flugbahn des Balls aus, wenn ihr durch eines der Löcher hindurchschießt?
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M 12 Station 3 – Wo Radioaktivität zum Einsatz kommt
Radioaktivität ist in vielen Bereichen unseres Lebens vertreten. Doch wie viel davon steckt in unserem Alltag?
Aufgabe 1
Lest euch den Info-Text durch und markiert die wichtigsten Aussagen.
Aufgabe 2
Welche Aussagen sind richtig? – Kreuzt an und verbessert die falschen Sätze.
Mit radioaktivem Fluor untersucht man die Schilddrüse.
Knochen werden auf Röntgenbildern heller abgebildet als Muskeln, weil sie eine höhere Dichte besitzen.
Becquerelstrahlen werden in der Archäologie für die Untersuchung von Mumien einge- setzt.
Auch um das Alter von verschiedenen Glasarten zu bestimmen, wird Radioaktivität ge- nutzt.
Bei der Materialprüfung verschiedener Werkstücke fi ndet Radioaktivität auch in der Indus- trie Verwendung.
Fotos: Colourbox; Thinkstock/Fuse; Thinkstock/AbleStock.comFotos: Colourbox; Thinkstock/Fuse; Thinkstock/AbleStock.com
Ob Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen – Radioaktivität ist aus der Medizin nicht mehr wegzudenken. So wird beispielsweise radioaktives Jod genutzt, um Untersuchungen an der Schilddrüse durchzuführen. Mit Röntgenstrahlen kann man Knochen und innere Organe sichtbar machen. Bei der Computertomografi e werden viele Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen genutzt, um ein Schnittbild anzeigen zu lassen. Auch hier- mit werden Krankheiten diagnostiziert.
Ein Röntgenbild ist abhängig von der Dichte des bestrahlten Körperteils. Je höher die Dichte, desto mehr Strahlen werden aufgehalten. Da Knochen eine höhere Dichte besit- zen, sind diese auf Röntgenbildern heller als Muskeln mit geringerer Dichte.
Auch bei der Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebs wird Radioaktivität genutzt.
In der Archäologie werden Röntgenstrahlen eingesetzt, um Mumien zu untersuchen, ohne sie zu öffnen. Radioaktivität kann auch zur Altersbestimmung verschiedener Gesteinsar- ten dienen oder zur Bestimmung von Todeszeitpunkten fossiler Lebewesen.
Auch in der Industrie fi ndet Radioaktivität Verwendung. Sie wird zum Beispiel zur Materi- alprüfung verschiedener Werkstücke genutzt.
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M 13 Radioaktivität-Bingo – Wer gewinnt die Runde?
Hast du dir die wichtigsten Dinge zur Radioaktivität gut eingeprägt? In diesem Bingospiel testest du dein Wissen.
Aufgabe
Wähle neun der unten stehenden Begriffe aus, von denen du sicher bist, ihre Bedeutung zu kennen, und übernimm sie in dein Bingo-Raster.
Atomkern Halbwerts- zeit
Radio-
aktivität -Strahlen Fluoreszenz Neutron
Polonium α-Strahlen Elektronen- hülle
Röntgen-
strahlen Elektron Ernest Rutherford
Nukleonen Kern-Hülle- Modell
Phospho-
reszenz -Strahlen X-Strahlen Proton
Definitionen
zweifach positiv geladene, leicht abschirmbare Teilchenstrahlung
Eigenschaft eines Stoffes, nach Beleuchtung im Dunkeln nachzuleuchten Name, den Wilhelm Conrad Röntgen der von ihm entdeckten Strahlung gab
Zeitspanne, in der die Menge eines radioaktiven Stoffes durch Zerfall auf die Hälfte sinkt von Marie Curie entdecktes, radioaktives Element, in dessen Namen sich ihr Heimatland wiederfindet
einfach negativ geladener Baustein der Atome, der in der Atomhülle zu finden ist Eigenschaft eines Stoffes, Strahlung abzugeben
Sammelbegriff für die Kernbausteine
Bezeichnung für das von Ernest Rutherford nach seinem Streuversuch entwickelte Atom- modell
Kernbaustein ohne Ladung
energiereiche, schwer abschirmbare Strahlung einfach positiv geladener Kernbaustein
Teil des Atoms, der fast die gesamte Atommasse ausmacht einfach negativ geladene Teilchenstrahlung
Eigenschaft eines Stoffes, nach Anregung Licht abzugeben
Teil des Atoms mit geringer Masse, der wesentlich größer ist als der Kern Strahlen, die heute in der medizinischen Diagnostik angewandt werden Entdecker der verschiedenen Teilstrahlungen
