Im Lehrplan für das bayerische Gymnasium wird das Thema Radioaktivität wieder in der 9. Klasse, allerdings nur im NTG-Zweig, aufgegriffen (In der Physik, dann viel ausführlicher, in der 10. Klasse). Welche Themen sollen angesprochen werden, welche Möglichkeiten eröffnet das Thema Radioaktivität, welche experimentelle Ausstattung ist nötig? Dieser Beitrag soll Hilfen für die Umsetzung zu diesem Thema geben, er basiert auf einer Fortbildung, die als RLFB am 14.02.23 am Armin-Knab-Gymnasium stattgefunden hat.

Radioaktivität als natürliches Phänomen

Radioaktivität wurde nicht erfunden, sondern von Henri Becquerel 1896 entdeckt. Sie gibt es seit Anbeginn unseres Universums. Mit einem Geiger-Müller-Zählrohr lässt sich die Untergrundstrahlung, die in den verschiedenen Regionen Deutschlands unterschiedlich hoch ist, leicht nachweisen.

Es gibt genehmigungsfreie Präparate, an denen sich besonders schön zeigen lässt, dass Radioaktivität ein natürliches Phänomen ist:

  • Kaliumsalze (mit geringem K-40-Anteil)
  • Uranglas
  • Uranmineralien (z. B. uranhaltiger Granit mit seinen Folgeprodukten)
  • Uranhaltige Erde (z. B. Hundsbühler Erde mit ihren Folgeprodukten)

Das Thema Radioaktivität bietet die Möglichkeit, den Atombau zu wiederholen und den Isotop-Begriff (zunächst am Beispiel der Wasserstoffisotope) einzuführen. Dazu hilft die folgende PHET-Simulation:

Baue ein Atom

Am Beispiel der Kaliumsalze lässt sich der Isotop-Begriff vertiefen, experimentell lässt sich die erhöhte Strahlung von Kaliumsalzen im Vergleich zum Untergrund mit einem Großflächenzählrohr leicht nachweisen.

Radioaktivität von Kaliumsalzen und Uranglas
Radioaktivität von Kaliumsalzen und Uranglas (PDF-Lehrerversion)

Isotope (Varianten eines Elements) bzw. Nuklide (die Vielzahl unterschiedlicher Atomarten) sind charakterisiert durch eine bestimmte Halbwertszeit. Sie ist für ein bestimmtes Nuklid in unserem Universum überall gleich und lässt sich nicht beeinflussen.

Die Halbwertszeit bestimmt die Menge an Substanz, die noch auf der Erde vorhanden ist. So besteht Uranerz zu 99,27 % aus U-238, das mit einer Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren gerade einmal nur zur Hälfte von der Menge zerfallen ist, die auf der Erde jemals existiert hat (ein Halbwertszeit ist verstrichen). U-235 kommt in der Natur nur zu 0,72 % vor, da es Aufgrund seiner kürzeren Halbwertszeit von ca. 0,7 Milliarden Jahren seit Anbeginn unserer Erde bereits ca. 6,5 Halbwertszeitzyklen durchgemacht hat.

Eigenschaften von radioaktiver Strahlung

Sowohl für den Nachweis als auch für die biologische Wirkung ist die ionisiernde Eigenschaft von radioaktiver Strahlung von entscheidender Bedeutung.

Ionisierende Wirkung in Luft: Ionenpaare/cm Luftweg

  • alpha-Strahlung: ca. 100.000
  • beta-Strahlung: ca. 100
  • gamma-Strahlung: ca. 1

Die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohres lässt sich anhand der ionisierenden Eigenschaft von radioaktiver Strahlung erklären, das isolierende Zählgas wird durch ein ein radioaktives Teilchen, das eine Ionenlawine auslöst, ionisiert und damit leitfähig. Es kommt zu einem Spannungsimpuls, der detektiert wird.

Das Zählgas wird leitfähig, wenn ein radioaktives Teilchen in das Zählrohr eintritt.

Strahlungsarten

Das Geiger-Müller-Zählrohr unterscheidet nicht zwischen verschiedenen Strahlungsarten. Idealerweise lassen sich die Strahlungsarten in einer Nebelkammer leicht unterscheiden.

  • alpha-Strahlung: Heliumkerne, die eine dicke (starke Ionisierungseigenschaft), kurze Nebelspur hinterlassen
  • beta-Strahlung: Elektronen aus dem Kern, die eine dünne (geringere Ionisierungseigenschaft), und je nach Energiegehalt, ein gerade (hohe Energie) oder gekrümmte (geringe Energie) Nebelspur hinterlassen
  • gamma-Strahlung: Elektronmagnetische Strahlung, die Sekundärelektronen aus der Hülle von Molekülen (z.B. Isopropanol) herausschlägt und dünne, „verknäulte“ Spuren hinterlässt.

Steht keine Nebelkammer zur Verfügung, ist ein Szintillationszähler, der z.B. an der Tonhöhe zwischen alpha-Strahlung auf der einen und beta- und gamma-Strahlung auf der anderen Seite unterscheiden kann, sehr gut geeignet.

Radioaktiver Zerfall ist mit Elementumwandlung verknüpft

Im Unterrichtsalltag wird man auf Simulationen oder auf Darstellungen von Zerfallsreihen zurückgreifen. 

Zerfallsreihe Uran-238 
Zerfallsreihe Thorium-232

Eine neue PHET-Simulation ist hier für den Unterricht besonders geeignet, die Elementumwandlung durch den radioaktiven Zerfall zu demonstrieren.

Baue einen Atomkern

Henry und Marie Curie entdeckten die Elemente Polonium und Radium als Folgeprodukte des Uranzerfalls im Uranerz, da natürliches Uranerz durch Zerfallsprodukte wie Radium eine höhere Strahlung aufweist, als reine Uranverbindungen.

Experimentell lässt sich dieser Sachverhalt z. B. mit Gammaspektroskopie nachweisen, die aber den meisten Schulen nicht zur Verfügung stehen wird. Auch die Nebelkammer kann die Bildung von Folgeprodukten zeigen. Beide experimentelle Methoden werden in einem eigenen Beitrag dargestellt.

Martin Schwab