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 Physiklehrerinnenund -lehrer eineHerausforderung bietet.

Warum das Thema...

für Physiklehrerinnenund -lehrer eineHerausforderungdarstellt.

Inhalt

• 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

Basiskonzepte

Die Schülerinnen undSchüler können mit Hilfedes Systemkonzepts auchauf formalem Niveau Beobachtungen und Phänomene erklären sowie Vorgängebeschreiben, so dasssie ...

Inhaltsfelder

fachliche Kontexte

Basiskonzepte

den Aufbau von Systemenbeschreiben und dieFunktionsweise ihrerKomponenten erklären(z. B. Kraftwerke, medizi-nische Geräte, Energieversorgung).

Inhaltsfelder

fachliche Kontexte

Basiskonzepte

• Energie

• Struktur der Materie

• System

• Wechselwirkung

Inhaltsfelder

fachliche Kontexte

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

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,...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

• 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!

Röntgen:132 Millionen Untersuchungen p. a.

Nuklearmedizinische Diagnostik:4,2 Mio Untersuchungen p. a.

Strahlentherapie:etwa 270 000 p. a.

Röntgen:

Nuklearmedizinische Diagnose:

Praktische Maßnahme zurReduzierung der Strahlen-belastung für jeden:

Szintigraphie:

• Häufigste Untersuchung• Der Strahler muss in die Schilddrüse gelangen (Tracer).• Die Strahlung muss nach außen gelangen.

Szintigraphie:

Unterrichtsthemen:

• Schwächung von Strahlung (Reichweite, Halbwertsdicke)

• Abbau des Strahlers (Halbwertszeit)

• Versorgung der radiologischen Praxen mit den Strahlern

Szintigraphie:

Schwächung vonStrahlung: ReichweiteHalbwertsdicke

Es gibt radioaktiveStrahlung mit sehrunterschiedlichenEigenschaften:�, �, �-Strahlung!

Szintigraphie:

• Abbau desStrahlers(Halbwertszeit)

Szintigraphie:

Versorgung der radiologischen Praxen mit den Strahlern

Schulpräparate:Gefäß mit Thoriumsalz, „Cs/Ba-Kuh“

Anwendung der Zerfallsgleichungen:

aTRuTc

hTTcTc

hTTcMo

211100;

94,65;

=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

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

0 5 10 15 20 25 30 35

(Zählrate-Nullrate)*s

Bleidicke/mm

18,8)(

1118,8)(

18,8)(

118,8)(

10835,0

⋅=⋅−

18,8)(

1118,8)(

18,8)(

118,8)(

10835,0

⋅=⋅−

Umkehraufgaben sind nicht direktlösbar, weil Schülerinnen und Schüler diese Gleichungen nichtauflösen können!

Alternativ: Arbeiten mit Werte-tabellen (TR)

Auch neue Schulbücher sind hier nicht konsequent.

Impulse Physik 2Klett 2009, S. 204

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!

Radioaktivität in Klasse 9 – Konzepte und ... · Konzept- und prozessbezogene Kompetenzen...

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