Ph13 Lernbereich 4: Kernphysik (ca. 25 Std.)
Berufsoberschule: Physik 13 (T)
Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
- nutzen die Zusammenhänge (auch relativistisch) zwischen Masse, Impuls und Gesamtenergie elektrisch geladener Quantenobjekte in Teilchenbeschleunigern, um die notwendigen Energien zu berechnen, die für die Auflösung subatomarer sowie subnuklearer Strukturen bei Streuexperimenten (insbesondere Rutherford-Streuung) erforderlich sind.
- erklären mithilfe der Eigenschaften der starken Kernkraft sowie durch Berechnung von Kernbindungsenergien pro Nukleon Aufbau und Stabilität von Atomkernen sowie die Freisetzung von Energie durch Kernspaltung bzw. Kernfusion.
- stellen Zusammenhänge zwischen radioaktiver Strahlung und Kernumwandlungen her, indem sie auf Grundlage eines einfachen Potenzialtopfmodells für den Atomkern die Entstehung von α‑, β-‑, β+‑ und γ‑Strahlung begründen. Dabei argumentieren sie bei α‑Zerfällen mit dem Tunneleffekt und bei β‑Zerfällen mit der Umwandlung von Quarks. Mithilfe ihres Wissens über die Art der Quantenobjekte, die bei spontanen Zerfällen radioaktiver Nuklide emittiert werden, beschreiben sie Experimente zur Unterscheidung radioaktiver Strahlungsarten sowie zur quantitativen Messung der Energien der emittierten Quantenobjekte.
- stellen Reaktionsgleichungen bei Kernreaktionen auf und berechnen die dabei auftretenden Massendefekte, um diese nach exothermen und endothermen Reaktionen zu klassifizieren.
- interpretieren die Energiespektren emittierter Quantenobjekte bei α‑ und β‑Zerfällen unter Verwendung von Erhaltungssätzen und berücksichtigen im Fall von angeregten Tochterkernen die Emission von γ‑Quanten als Folgeprozess der Zerfälle. Sie begründen und berechnen damit diskrete Energiewerte gebundener Zustände von Atomkernen.
- stellen experimentell gewonnene Messwerte bei exponentiell abklingenden Vorgängen grafisch dar und werten diese unter Verwendung der Eigenschaften einer Exponentialfunktion mit der Basis e aus, um charakteristische Größen dieser Abklingvorgänge zu bestimmen und bewerten anhand derer technische Anwendungsmöglichkeiten.
- beurteilen die Wirkung von ionisierender Strahlung (z. B. radioaktive Strahlung, Höhenstrahlung) auf biologisches Gewebe, indem sie ihr phänomenologisches Wissen über die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie nutzen. Dazu erläutern sie qualitativ die Funktionsweise von Messgeräten zur Untersuchung von Ionendosis und Aktivität und charakterisieren die Stärke der Wechselwirkung bzw. die biologische Wirkung der jeweiligen Strahlungsart durch die Energie‑ bzw. Äquivalentdosis. Sie bewerten die Risiken und den Nutzen von Behandlungsmethoden und diagnostischen Verfahren in der Nuklearmedizin und treffen geeignete Strahlenschutzmaßnahmen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
- Kernaufbau, Nukleonen, Quarks (up, down), Isotope, Nuklidkarte
- atomare Masseneinheit, Massendefekt, Bindungsenergie pro Nukleon
- Kernspaltung, Kernfusion
- physikalische Eigenschaften der α‑, β‑ und γ‑Strahlung
- Modell des eindimensionalen Potenzialtopfs mit endlich hohen Wänden, Tunneleffekt (nur qualitativ)
- Energie‑ und Impulsbilanzen bei Kernreaktionen
- charakteristische Größen exponentieller Abklingvorgänge, z. B. Halbwertszeit, Halbwertsdicke
- Wechselwirkung radioaktiver Strahlung mit Materie: Ionisation, Bremsstrahlung, äußerer Fotoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung
- Anwendungen in der Medizin, z. B. Strahlentherapie, Positronen-Emissions-Tomografie, nuklearmedizinische Diagnostik
- Messgeräte zur Untersuchung von Ionendosis und Aktivität, z. B. Ionisationskammer, Geiger-Müller-Zählrohr
- Strahlenschutz, Strahlenbelastung, Energie‑ und Äquivalentdosis
