10. – 13. Schuljahr

Gunnar Friege, Lea Lensment, William Lindlahr, Jan W. Vahlbruch und Klaus Wendt

Cäsium-Barium-Generator

Halbwertszeiten bestimmen mit einem realen und einem Virtual-Reality-Experiment

Die Halbwertszeit ist ein für Schülerinnen und Schüler der 9. und 10. Klasse meist vollkommen neuer Begriff, der üblicherweise im Gebiet der Radioaktivität eingeführt und in der Oberstufe häufig erneut aufgegriffen wird. In vielen Fällen wird er im Unterricht mit dem Begriff Halbwertsdicke sowie durch Versuche wie im Artikel K1 „Abstandsgesetz, Abschirmung und Ablenkung vorbereitet, aber sonst nicht durch den vorangegangenen Physikunterricht angebahnt.
Kompetenzen
Kompetenzen, die in in dieser Jahrgangsstufe im Zusammenhang mit dem Konzept Halbwertszeit gefördert werden sollen, sind beispielsweise: „Die SuS [Schülerinnen und Schüler] beschreiben den radioaktiven Zerfall eines Stoffes unter Verwendung des Begriffs Halbwertszeit. ([1], S. 29) oder „Die SuS nutzen ihr Wissen, um zur Frage des radioaktiven Abfalls Stellung zu nehmen ([1], S. 41).
In der Oberstufe kommen die Kompetenzen „Die Schülerinnen und Schüler bestimmen mithilfe der Abklingkurve die Halbwertszeit ([2], S. 16) und „erläutern das Zerfallsgesetz [und] stellen Abklingkurven grafisch dar und werten sie unter Verwendung der Eigenschaften einer Exponentialfunktion aus ([2], S. 40) hinzu.
Handeln vor dem Hintergrund von Alternativen
Experimente zur Bestimmung von Halbwertszeiten im Schulunterricht gibt es nur wenige. Dies liegt an der Verfügbarkeit radioaktiver Präparate (s.a. Einleitung zu diesem Kapitel) und daran, dass die Halbwertszeit relativ kurz sein muss, um innerhalb einer Schulstunde das Experiment über eine Dauer von mehreren Halbwertszeiten durchführen und in den gesamten Unterrichtsgang (Vor- und Nachbereitung) einbetten zu können.
Ein Blick in die gängigen Schulbücher liefert im Wesentlichen folgende zwei Realexperimente:
Cäsium-Barium-Generator
In diesem Experiment zerfällt Cäsium Cs-137 in metastabiles Barium Ba-137m und letzteres unter Aussendung von Gammastrahlung in stabiles Ba-137. Die Gammastrahlung wird mit einem Zählrohr detektiert. Die Halbwertszeit liegt bei ca. 2,6 min.
Thorium-Versuch mit Ionisationskammer (Thoron-Versuch)
In diesem Versuch (s. z.B. [3]) entsteht durch den Zerfall von Thorium Th-232 in einer Flasche das gasförmige Radon Rn-220, das historisch auch als Thoron bezeichnet wurde. Dieses Gas wird über einen Schlauch in eine mit Luft gefüllte Ionisationskammer geleitet, die danach abgeschlossen wird.
In der Ionisationskammer wird über eine zentrale Elektrode gegenüber den geerdeten Kammerwänden ein elektrisches Feld angelegt. Die beim Zerfall von Ra-220 erzeugte α-Strahlung ionisiert Luftmoleküle, die sich in diesem elektrischen Feld zu den Kammerwänden bewegen. Ein kleiner elektrischer Strom, der von der Anzahl je Zeiteinheit erzeugter α-Teilchen abhängt, ist so nachweisbar. Die Halbwertszeit von Rn-220 beträgt 55 s.
Weitere Experimente
Neben den o.g. Experimenten gibt es noch eine Reihe von Versuchen zum Nachweis von Umweltradioaktivität mit beispielsweise einem geladenen Draht oder mit durch Reibung aufgeladenen Luftballons und Kunststoffplatten:
  • Nach [3] wird ein ca. 5 m langer Silberdraht mit einem Hochspannungsnetzgerät für einige Stunden verbunden. Der Draht wird dazu auf ein negatives Potential von ca. – 5 kV gelegt, der positive Pol des Netzgeräts ist geerdet (Sicherheitsrichtlinien beachten). An dem Draht lagern sich als Kationen positiv geladene Folgeprodukte des Gases Radon ab (Rn-220 und Rn-222). Nach dem Ausschalten des Netzgeräts wird der Draht mit einem Papiertuch gesäubert und das Tuch vor den Detektor gelegt.
  • Etwas schneller, im Bereich von 15 bis 45 min Dauer, gelingen Versuche mit Luftballons bzw. Kunststoffplatten und einem Zählrohr mit großem Eintrittsfenster. Auch hier zeigen die Messwerte eine kontinuierliche Abnahme der Zählrate mit der Zeit, und eine Halbwertszeit...

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