radioaktivität in klasse 9 – konzepte und ... · konzept- und prozessbezogene kompetenzen...
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Radioaktivität in Klasse 9– Konzepte und
Umsetzungsvorschläge zurArbeit mit den Vorgabendes Kernlehrplans
Michael Neunzig
Seminar für Lehrämter an Schulen Duisburg
Gymnasium Adolfinum, Moers
Köln, 08.09.2009
Warum das Thema...
für jeden persönlichBedeutung hat.
für die Gesellschaftwichtig ist.
für Physiklehrerinnenund -lehrer eineHerausforderung bietet.
Radioaktivität in Klasse 9 Michael Neunzig, MNU 08.09.09
Röntgen...Radon...
Warum das Thema...
für jeden persönlichBedeutung hat.
für die Gesellschaftwichtig ist.
für Physiklehrerinnenund -lehrer eineHerausforderung bietet.
Radioaktivität in Klasse 9 Michael Neunzig, MNU 08.09.09
Warum das Thema...
für jeden persönlichBedeutung hat.
für die Gesellschaftwichtig ist.
für Physiklehrerinnenund -lehrer eineHerausforderungdarstellt.
Radioaktivität in Klasse 9 Michael Neunzig, MNU 08.09.09
Inhalt
Radioaktivität in Klasse 9 Michael Neunzig, MNU 08.09.09
• Vorbemerkungen
• Lehrplan, Voraussetzungen, Fallstricke, Strahlenschutz, ...
• Vorschläge zur Umsetzung der „fachlichen Kontexte“
• Fazit
Stellung im Lehrplan,...
Merkmale des Kernlehrplans G8
Konzept- undprozessbezogeneKompetenzen
Basiskonzepte
Bildungsstandards
Umsetzung NRWInhaltsfelder
fachliche Kontexte
Stellung im Lehrplan,...
Merkmale des Kernlehrplans G8
Konzept- undprozessbezogeneKompetenzen
Basiskonzepte
Die Schülerinnen undSchüler können mit Hilfedes Systemkonzepts auchauf formalem Niveau Beobachtungen und Phänomene erklären sowie Vorgängebeschreiben, so dasssie ...
Inhaltsfelder
fachliche Kontexte
Stellung im Lehrplan,...
Merkmale des Kernlehrplans G8
Konzept- undprozessbezogeneKompetenzen
Basiskonzepte
den Aufbau von Systemenbeschreiben und dieFunktionsweise ihrerKomponenten erklären(z. B. Kraftwerke, medizi-nische Geräte, Energieversorgung).
Inhaltsfelder
fachliche Kontexte
Stellung im Lehrplan,...
Merkmale des Kernlehrplans G8
Konzept- undprozessbezogeneKompetenzen
Basiskonzepte
• Energie
• Struktur der Materie
• System
• Wechselwirkung
Inhaltsfelder
fachliche Kontexte
Stellung im Lehrplan,...
Merkmale des Kernlehrplans G8
Konzept- undprozessbezogeneKompetenzen
Basiskonzepte
• Radioaktivität und Kernenergie: Aufbau der Atome, ionisierende Strahlung, ...
• Strahlendiagnostik und Strahlentherapie
Inhaltsfelder
fachliche Kontexte
Lernen erfolgt besonders effektiv undnachhaltig, wenn es
• kumulativ
• vernetzt und
• in Kontexten erfolgt.
Systematischer Kompetenzerwerb
Basiskonzepte
Fachliche Kontexte
Stellung im Lehrplan,...
Obligatorik:Zitate aus dem Kernlehrplan
„Alle Inhaltsfelder mit ihren Schwerpunkten sindverbindlich, ebenso das Arbeiten in fachlichen,zusammenhängenden Kontexten.“
„Die in der Übersicht angegebene Abfolge derInhaltsfelder folgt einer an den Kompetenzenorientierten Entwicklung.“
„Ansonsten sollte das Inhaltsfeld Energie, Leistung ,Wirkungsgrad am Ende der Jahrgangsstufe 9behandelt werden, da es die Klammer für die Physikder Sekundarstufe 1 darstellen kann.“
Stellung im Lehrplan,...
Stellung im Lehrplan,...Elektrizität – messen, verstehen, anwendenKraft, Druck, mechanische und innere Energie, Werkz euge und Maschinen
Radioaktivität und Kernenergie Radioaktivität und Kernenergie– Grundlagen, Anwendungen undVerantwortung
Aufbau der Atome, ionisierendeStrahlung(Arten, Reichweiten, Zerfallsreihen,Halbwertzeit), Strahlennutzen,Strahlenschäden und StrahlenschutzKernspaltung, Nutzen und Risiken derKernenergie
• Radioaktivität und Kernenergie –Nutzen und Gefahren
• Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
• Kernkraftwerke undFusionsreaktoren
Energie, Leistung, Wirkungsgrad Effiziente Energienu tzung: einewichtige Zukunftsaufgabe der Physik
Stellung im Lehrplan,...E
praktisch alle Kompetenzen desBasiskonzepts Energie werdentangiert.
M • Eigenschaften von Materie mit einemangemessenen Atommodell beschreiben.
• die Entstehung von ionisierenderTeilchenstrahlung beschreiben.
• Eigenschaften und Wirkungenverschiedener Arten radioaktiver Strahlungund Röntgenstrahlung nennen.
• Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusionauf atomarer Ebene beschreiben.
• Zerfallsreihen mit Hilfe der Nuklidkarteidentifizieren.
• Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlungund Röntgenstrahlung bewerten.
S z. B.• den Aufbau von Systemen
beschreiben und dieFunktionsweise ihrerKomponenten erklären (z. B.Kraftwerke, medizinischeGeräte, Energieversorgung).
• technische Geräte und Anlagenunter Berücksichtigung vonNutzen, Gefahren undBelastung der Umweltvergleichen und bewerten undAlternativen erläutern.
W • experimentelle Nachweismöglichkeiten fürradioaktive Strahlung beschreiben.
• die Wechselwirkung zwischen Strahlung,insbesondere ionisierender Strahlung, undMaterie sowie die daraus resultierendenVeränderungen der Materie beschreibenund damit mögliche medizinischeAnwendungen und Schutzmaßnahmenerklären.
Schulinterner Lehrplan
z. B. Kopernikus- GymnasiumDuisburg-Walsum
Die Fachkonferenzenmüssen alle Kompe-tenzen und fachlichenKontexte einplanen.
Stundentafel?
Andere Kontexte: z. B. Diskussionum neue Kraftwerke, AlternativeKernkraftwerk?
Schulinterner Lehrplan
z. B. Kopernikus- GymnasiumDuisburg-Walsum
Die Fachkonferenzenmüssen alle Kompe-tenzen und fachlichenKontexte einplanen.
Stundentafel?
Schulinterner Lehrplan KGW: http://kgw-web.de/schule/faecher/ph/6-9.pdf
Voraussetzungen/Fallstricke
• Atome, Moleküle, Bindungen, Elektronen, Protonen,... �
• Ladung, Strom und Spannung,... �
• Zuordnungen graphisch darstellen �
• Energiebegriff, Einheiten?
� Messgrößen der Dosimetrie?
• Exponentielles Wachstum!
� Abschirmung? Zerfall?
• Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld!
� Unterscheidung der Strahlenarten?
Strahlenschutz
• Beim Experimentieren mit radioaktiven Präparatenist die Strahlenschutzverordnung zu beachten.
• Keine Experimente mit offenen Präparaten oberhalb derFreigrenze (Glühstrümpfe)
• Die schulüblichen Experimente mit bauartzugelassenenPräparaten sind weiterhin möglich, auchSchülerexperimente
• ggf. ist die Anwesenheit eines Strahlenschutz-beauftragten nötig
Inhalt
Radioaktivität in Klasse 9 Michael Neunzig, MNU 08.09.09
• Vorbemerkungen
• Lehrplan, Voraussetzungen, Fallstricke, Strahlenschutz, ...
• Vorschläge zur Umsetzung der „fachlichen Kontexte“:• Der fachliche Kontext „Strahlendiagnostik und Strahlentherapie• Zum Umgang mit exponentiellen Verläufen• Prozessorientierte Kompetenzen
• Fazit
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Einstieg:
Bilder / MindMap / ...
Ziel: Vorwissen erkunden, Fragen entwickeln!
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Röntgen:132 Millionen Untersuchungen p. a.
Nuklearmedizinische Diagnostik:4,2 Mio Untersuchungen p. a.
Strahlentherapie:etwa 270 000 p. a.
Röntgen:
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Nuklearmedizinische Diagnose:
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Praktische Maßnahme zurReduzierung der Strahlen-belastung für jeden:
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Szintigraphie:
• Häufigste Untersuchung• Der Strahler muss in die Schilddrüse gelangen (Tracer).• Die Strahlung muss nach außen gelangen.
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Szintigraphie:
Unterrichtsthemen:
• Schwächung von Strahlung (Reichweite, Halbwertsdicke)
• Abbau des Strahlers (Halbwertszeit)
• Versorgung der radiologischen Praxen mit den Strahlern
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Szintigraphie:
Schwächung vonStrahlung: ReichweiteHalbwertsdicke
Es gibt radioaktiveStrahlung mit sehrunterschiedlichenEigenschaften:�, �, �-Strahlung!
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Szintigraphie:
• Abbau desStrahlers(Halbwertszeit)
FK Strahlendiagnostik undStrahlentherapie
Szintigraphie:
Versorgung der radiologischen Praxen mit den Strahlern
Schulpräparate:Gefäß mit Thoriumsalz, „Cs/Ba-Kuh“
Anwendung der Zerfallsgleichungen:
aTRuTc
hTTcTc
hTTcMo
m
m
211100;
01,6;
94,65;
21
01
9944
9943
21
9943
9943
21
01
9943
9942
=β+→
=γ+→
=β+→
−
−
Zum Umgang mitexponentiellen Verläufen
z. B: Messung der Strahlung eines Co-60 Strahlers durchBleischichten
Der Abstand zwischen den Werten ist nicht konstant: keinelineare Abnahme.
Bleidicke /mm (Zählrate-Nullrate)*s0 8,185 5,5210 3,5715 2,1320 1,625 1,0430 0,66
Zum Umgang mitexponentiellen Verläufen
z. B: Messung der Strahlung eines Co-60 Strahlers durchBleischichten
Nach jeweils 5mm Blei kommt noch etwa 66% der Strahlungdurch!
Bleidicke /mm (Zählrate-Nullrate)*s Minderungsfaktor0 8,185 5,52 0,6710 3,57 0,6515 2,13 0,6020 1,6 0,7525 1,04 0,6530 0,66 0,63
Mittelwert: 0,66
Zum Umgang mitexponentiellen Verläufen
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 5 10 15 20 25 30 35
(Zählrate-Nullrate)*s
HWD
Bleidicke/mm
mm
d
d
d
mm
d
dmm
sdR
sdR
sdR
es
dR
92,01
18,8)(
2
1118,8)(
66,01
18,8)(
118,8)(
21
5
10835,0
⋅=
⋅=
⋅=
⋅=⋅−
Zum Umgang mitexponentiellen Verläufen
mm
d
d
d
mm
d
dmm
sdR
sdR
sdR
es
dR
92,01
18,8)(
2
1118,8)(
66,01
18,8)(
118,8)(
21
5
10835,0
⋅=
⋅=
⋅=
⋅=⋅−
Umkehraufgaben sind nicht direktlösbar, weil Schülerinnen und Schüler diese Gleichungen nichtauflösen können!
Alternativ: Arbeiten mit Werte-tabellen (TR)
Zum Umgang mitexponentiellen Verläufen
Auch neue Schulbücher sind hier nicht konsequent.
Impulse Physik 2Klett 2009, S. 204
Zum Umgang mitexponentiellen Verläufen
Auch neue Schulbücher sind hier nicht konsequent.
Impulse Physik 2Klett 2009, S. 210
ProzessorientierteKompetenzen
Die Kernenergie ist auf jeden Fall ein Zukunftsthema.
Sie beherrscht derzeit wieder die energiepolitischeDiskussion.
SPD: Das schaffen unsere IngenieureSaubere Energie ohne Atomkraft
CDU:Laufzeitverlängerung von sicheren Kernkraftwerken, jedoch kein Neubau
Wahlkampf 2009:
ProzessorientierteKompetenzen
„Beide großen Volksparteien machen in ihrenGrundsatzprogrammen politische Aussagen zur Energieversorgung.1. Wie wollen die großen Volksparteien die Energieversorgung
mittelfristig und langfristig sichern? Stelle gemeinsame undunterschiedliche Auffassungen heraus.
2. Recherchiere auf den Webseiten der anderenBundestagsparteien, welche weiteren politischen Standpunkte zurNutzung der Kernenergie vertreten werden.
3. Überlege dir eine eigene Meinung und schreibe deine Position unddeine Argumente auf.“
Recherche, Argumentation, Bewertung:
Aus: Material zur Arbeit mit dem KLP, Modul “Kombination eines Inhaltes mit verschiedenen prozessbezogenen Kompetenzen” (Guido Opheys, Krefeld)
Fazit• Das Unterrichten in (fachlichen) Kontexten bietet die Chance, die Interessen und das Vorwissen von Schülerinnen und Schülern stärker einzubinden.
• Typische Schulexperimente ermöglichen weitreichende Erkenntnisse für medizinische Anwendungen und Strahlenschutz.
• Bei der Auswertung der Experimente müssen uns Lehrern die mathematischen Möglichkeiten der Schülerbewusst sein. Deskriptive Auswertungen bzw. vereinfachteexponentielle Beschreibungen sind nötig.
• Das Themenfeld „Radioaktivität“ eignet sich besonders zur Förderung von Kompetenzen im Bereich Argumentieren undBewerten.
Quellen:KLP Physik NRW Gymnasium G8 (2008)Bundesamt für Strahlenschutz, Jahresbericht 2007 Teil B IV, Seite 240Material zur Arbeit mit dem KLP, Modul “Kombination eines Inhaltes mit verschiedenen prozessbezogenen Kompetenzen” (Guido Opheys)Impulse Physik 2, Klett 2009Schulinterner Lehrplan Kopernikus Gymnasium Duisburg-Walsum: www.kgw-web.de
Bilder:KKW Isar 1 und 2 :http://www.kernenergie.de/kernenergie/Themen/Kernkraftwerke/Kernkraftwerke_in_Deutschland/Szintigraphie: Broschüre „Mini-Organ mit Maxi Wirkung“, Forum Schilddrüse e.V.Radonzerfall: http://vorsam.uni-ulm.de/ASP/OArchiv_Images.asp?OrdnungsNr=K-006Radionuklidgenerator: Bildquelle: http://e3.physik.uni-dortmund.de/~suter/Vorlesung/Medizinphysik_06/7_Nukleardiagnostik.pdf
Vielen Dank für IhreAufmerksamkeit!