Schulversuche zu Radioaktivität im Alltag und Schutz vor Strahlung

Schulversuche zu Radioaktivität im Alltag
und Schutz vor Strahlung
AUTOR
Sabine Janzen
Der Energieparcours des NaT-Lab der Mainzer Johannes Gutenberg-Universität
Im Rahmen meiner Staatsexamensarbeit habe ich für den Energieparcours des NaTLab der Mainzer Johannes Gutenberg-Universität eine Station zum Thema
Radioaktivität entwickelt und anschließend mit Schülergruppen erprobt. Das NaT-Lab
für Schüler ist eine außerschulische Bildungseinrichtung der Universität in Mainz, die
Schülern der unterschiedlichen Jahrgangsstufen einen Zugang zu den
Naturwissenschaften ermöglichen und das Interesse an Naturwissenschaften
steigern will.
Ein Angebot des NaT-Lab ist der Energieparcours. Er beinhaltet verschiedene
Stationen zum Thema Energie und richtet sich an Schüler vorzugsweise ab der
zehnten Klassenstufe. Die Schüler führen an den einzelnen Stationen in
Partnerarbeit Versuche zu verschiedenen Formen der Energie oder der
Energieumwandlung durch. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt in den Bereichen der
Physik und der physikalischen Chemie, so werden beispielsweise folgende Themen
behandelt: Ergometrie, Windenergie, Solarenergie, Akkumulatoren, Sterlingmotor
und Wasserkraft.
Zu jeder Station gehört ein Laptop mit einer Excel-Datei, in der
Versuchsbeschreibungen, Aufgabenstellungen und Zusatzinformationen enthalten
sind. In dieser Datei findet auch die Auswertung statt, was die Eingabe der
Messwerte in Tabellen, das Berechnen von Größen und das Erstellen von
Diagrammen beinhaltet.
Versuchsstation zum Thema Radioaktivität, Teil 1
Meine Aufgabe im Rahmen der Staatsexamensarbeit bestand darin, Versuche zu
dem Thema Radioaktivität zu entwickeln, die Excel-Datei in einer für Schüler
verständlichen Art und Weise zu erstellen und anschließend mit Schülern zu
erproben. Die entwickelte Station besteht aus zwei Teilen, die sich mit dem Thema
Radioaktivität im Alltag und Schutz vor Strahlung auseinandersetzen. Die Schüler
haben die Möglichkeit, nach dem ersten Teil, der aus vier Versuchen besteht, die
Station zu beenden und Einblicke in ein anderes Thema zu bekommen.
Im ersten Versuch der Station erlernen die Schüler den Umgang mit dem GeigerMüller-Zählrohr. Außerdem sollen sie verschiedene Produkte aus dem Alltag
(Torbernit, Quarzit, Buntsandstein, eine mit Uranglasur glasierten Fliesenkachel, ein
Glühstrumpf und Uranglas, Abb. 1) auf ihre Radioaktivität überprüfen.
Im zweiten Versuch lernen die Schüler, dass auch ohne ein radioaktives Präparat mit
dem Geiger-Müller-Zähler radioaktive Strahlung nachweisbar ist, indem sie die
Nullrate bestimmen und diese von der im ersten Versuch bestimmten Zählrate
subtrahieren müssen.
Im dritten Versuch sollen die Schüler die vom Kaliumchlorid ausgehende radioaktive
Strahlung bestimmen. Dazu sollen die Schüler in einer ungefähr einstündigen
Messung die radioaktiven Zerfälle in Kaliumchlorid ermitteln. Den Wert der
Untergrundstrahlung bekommen die Schüler aus zeitlichen Gründen gegeben.
Der vierte Versuch ist ein Modellversuch zum Thema Halbwertszeit, bei dem das
Augenmerk auf die Umwandlung eines Stoffes in einen anderen gelegt wird. Der
Modellversuch besteht aus einer Apparatur, die einer Rechenmaschine ähnlich ist.
Die Perlen sind jedoch nicht wie bei einer Rechenmaschine verschiebbar, sondern
nur um den Draht drehbar. Die eine Seite der Perle ist mit einem „U“ beschriftet und
symbolisiert das zerfallende Uran, die andere Seite steht für Thorium und ist
deswegen mit „Th“ beschriftet (Abb. 2). Zu Beginn des Versuchs zeigt die Uran-Seite
aller Perlen nach oben. Die Schüler sollen nun in einzelnen Schritten die Perlen
umdrehen, die nach Ablauf einer Halbwertszeit zerfallen sind. Anhand der
vorhandenen Uran- und Thorium-Perlen nach Ablauf der einzelnen Halbwertszeiten
können die Schüler eine Bildungs- und Zerfallskurve erstellen.
Versuchsstation zum Thema Radioaktivität, Teil 2
Mit Versuch 5 beginnt der zweite Teil der Station. Für diesen bekommen die Schüler
ein Co-60-Präparat mit einer Aktivität von 20 kBq, mit welchem sie die nächsten drei
Versuche durchführen. Die Freigrenze von Kobalt-60 liegt bei 100 kBq.
Im fünften Versuch sollen die Schüler die Proportionalität zwischen dem
Zählergebnis und der Zeit ermitteln. Dazu bestimmen sie in einer insgesamt 60 s
dauernden Messung alle 10 s das Zählergebnis und tragen anschließend das
Zählergebnis gegen die Zeit in einem Diagramm auf, so dass die Linearität zu sehen
ist.
Das quadratische Abstandsgesetz soll im sechsten Versuch herausgefunden
werden. Dazu wird der Abstand zwischen Zählrohr und Präparat variiert. Es werden
Messungen bei den Abständen 7 cm, 9 cm, 13 cm, 17 cm, 21 cm, 25 cm und 30 cm
durchgeführt. Die um die Nullrate korrigierte Zählrate wird in einem Diagramm gegen
den Abstand aufgetragen. Mit Hilfe der Excel-Funktion „Trendlinie hinzufügen“ sollen
die Schüler die quadratische Abnahme des Zählergebnisses mit dem Abstand aus
der Diagrammgleichung ablesen.
Der letzte Versuch beschäftigt sich mit der Absorption von radioaktiver Strahlung.
Nachdem die Schüler die drei Strahlungsarten α-, β- und γ-Strahlung und ihre
Eigenschaften bezüglich der Abschirmung vorgestellt bekommen haben, sollen die
Schüler sich eine Methode überlegen, mit der sie auf die Strahlungsart schließen
können. Sie bestimmen die Zählrate vom Glühstrumpf und vom Co-60-Präparat ohne
Abschirmung und mit Blei oder Aluminiumplatten zwischen Zählrohr und Präparat.
Aufgrund ihrer Ergebnisse können sie schließen, dass es sich bei der von Kobalt-60
ausgehenden Strahlung um γ-Strahlung handelt und dass der Glühstrumpf auch βStrahlungsanteile besitzt.
Fazit
Die Schüler sind mit der Bearbeitung der Station sehr gut zu Recht gekommen. Das
Vorwissen war sehr gering, was daran liegt, dass das Thema Radioaktivität nur sehr
selten in der Schule besprochen wird. Aufgrund dieses geringen Vorwissens waren
die Schüler vor allem über die natürliche Radioaktivität überrascht. Durch diese
Überraschung wurde das Interesse an dem Thema Radioaktivität gesteigert, so dass
die Schüler auch über die Station hinaus mehr über das Thema erfahren wollen.
Abb. 2 Uran-Thorium-Perlen
Abb 1
Beispiele für natürliche
Radioaktivität
Abb. 3
Werte zum Versuch „Absorption“

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