Hintergrund

Inhalt

• Die Themen des BASIC-Labors und die Lehrpläne
• Das BASIC-Labor im Zusammenhang mit den bei GSI laufenden Forschungsprojekten
• Vor- und Nachbereitung

Die Themen des BASIC-Labors und die Lehrpläne

• Physik

Auch nach Einführung der achtjährigen Gymnasialzeit sehen die hessischen Lehrpläne das Thema "Radioaktivität" verbindlich vor.

Verbindliche Inhalte am Gymnasium (Jgst. 9) sind:

• Bausteine des Atoms: Größenverhältnisse, Kern, Hülle
• Radioaktive Strahlung: Eigenschaften, Nachweis, Vorkommen in der Umwelt, biologische Wirkung und ihre Bewertung
sowie fakultativ
• Anwendungen der Radioaktivität: Medizin, Technik, Altersbestimmung, Kernenergie

Verbindliche Inhalte in der Realschule (Jgst. 10) sind:

• Atomzerfall: Natürliche Radioaktivität, Entstehung, Nachweis und Wirkung, Strahlenarten, Halbwertszeit
• Atomspaltung: Kernspaltung, kontrollierte und unkontrollierte Kettenreaktion
• Auswirkungen radioaktiver Strahlung: Strahlenbelastung, Strahlenschäden, Strahlenschutz

Diese Inhalte sind weitestgehend auch im Lehrplan der schulformübergreifenden (integrierten) Gesamtschule enthalten.

• Mathematik und Informatik

Die Experimente und Auswertungen des BASIC-Schülerlabors kommen weitestgehen ohne Computerunterstützung aus. Entsprechend vorgebildete Lerngruppen können trotzdem auf die PCs an den Experimentierplätzen zugreifen und Dokumentation und Auswertung ihrer Experimente auch computergestützt durchführen. Zur Verfügung steht das komplette MS-Office-Paket.

Die Anwendung der Exponentialfunktion bei der mathematischen Beschreibung von Absoptions- und Zerfallsvorgängen ist in der Kernphysik unverzichtbar. Der Tatsache, dass der gymnasiale G8-Mathematik-Lehrplan in der Jahrgangsstufe 9 diese Funktionenklasse noch nicht eingeführt hat, wurde in der Experimentieranleitung berücksichtigt. Die Exponentialfunktion wird mit Hilfe der Begriffe Halbwertsdicke bzw. Halbwertszeit zur Basis 1/2 eingeführt, was den Schülerinnen und Schülern erfahrungsgemäß keine großen Schwierigkeiten bereitet.

Das BASIC-Labor im Zusammenhang mit den bei GSI laufenden Forschungsprojekten

Die Experimente bei der GSI verlaufen praktisch alle nach dem gleichen Prinzip: Die Forscher bringen in den mehreren hundert Meter langen Beschleunigerröhren Ionen auf fast Lichtgeschwindigkeit und schießen diese auf Materialproben. Dabei entsteht ein Spektrum verschiedener Teilchen und Strahlung, das weit über das von natürlichen Substanzen hinausgeht. Dessen Vermessung erlaubt grundlegende Erkenntnisse über den Aufbau und das Verhalten der Materie der uns umgebenden Welt. Dies ist das Ziel der Forschung bei GSI.

Als Nachweisgerät für die "klassische" α-, β- und γ- Strahlung wird im BASIC-Labor das Geiger-Müller-Zählrohr verwendet. Wie auch bei allen anderen subnuklearen Teilchen (Protonen, Neutronen, Mesonen, Neutrinos, etc.) beruht dieses Nachweisgerät auf der Wechselwirkung dieser Teilchen mit der Detektormaterie. Gasgefüllte Ionisationsdetektoren wie das Geiger-Müller-Zählrohr gehören zu den ältesten in der Kernphysik verwendeten Nachweisgeräten, doch trifft man ihre modernen Nachfahren, die großflächigen Vieldrathkammern, trifft man an vielen Experimentierplätzen in der GSI an.

Indem die Schülerinnen und Schüler im BASIC-Labor mit dem Zählrohr Strahlung und Teilchen aus natürlichen radioaktiven Substanzen untersuchen, verwenden sie Nachweisgeräte und setzen Mess- und Analysemethoden ein, die charakteristisch sind für Experimente, die Forscher aus aller Welt bei GSI durchführen. Die aufgenommenen Messdaten müssen wie bei modernen Analyse-Verfahren erst aufgearbeitet d ann ausgewertet, dargestellt und präsentiert werden. In der realen Forschung geschieht letzteres in Form einer schriftlichen Veröffentlichung oder einem Vortrag auf einer Konferenz. Die Verarbeitung der Messdaten und ihre Präsentation sind deshalb ebenso wichtiger Bestandteil des BASIC-Labors.

Die Experimente an der Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums vereinigen Forscher aus einem breiten Spektrum verschiedener Forschungsbereiche, das von Kern- und Atomphysik über die Plasma- und Materialforschung bis hin zur Biophysik reicht. Die wohl bekanntesten Resultate sind die Entdeckung von sechs neuen chemischen Elementen und die Entwicklung einer neuartigen Tumortherapie mit Ionenstrahlen.

Vor- und Nachbereitung

Die Vor- und Nachbereitung des Labortags erfolgt im regulären Unterricht. Etwa zwei Wochen vor dem Labortag sollten die Schülerinnen und Schüler mit dem Gesamtkonzept vertraut gemacht werden in maximal 9 Gruppen mit 2-3 (maximal 4) Teilnehmern eingeteilt werden. Jeder Teilnehmer sollte eine gedruckte Fassung des "Skripts zur Vorbereitung" für seine persönliche Vorbereitung auf den Labortag erhalten. Aufgabe der Schülerinnen und Schüler ist es dann bis zum Labortag, dieses Skript durchzuarbeiten und die darin gestellten Aufgaben zu lösen. Als Hilfen können das Physikbuch und evtl weitere Quellen(z.B. Wikipedia) herangezogen werden – überhaupt empfiehlt es sich, Zusammenhänge auch im Sinne einer Internetrecherche erschließen zu lassen. Nicht notwendig ist es, den Schülerinnen und Schülern auch die Experimentieranleitungen in gedruckter Form in die Hand zu geben. Diese werden am Labortag an den Experimentierplätzen ausliegen und die Grundlage der Arbeitsphase bilden.

Diese Vorbereitung im Fachunterricht an der Schule ist unabdingbar, da nur so gewährleistet ist, dass am Labortag unmittelbar mit dem Experimentieren begonnen werden kann.

Die während des Labortages gesammelten Rohdaten sowie die auf den Computern durchgeführten vorläufigen Auswertungen können am Ende des Labortages auf einen mitzubringenden USB-Stick kopiert werden und stehen dann zur weiteren Bearbeitung in der Schule zur Verfügung.