• ...mit den Lehrplänen
• ...mit den Experimentiertechniken der Kernphysik
• ...mit den bei GSI laufenden Forschungsprojekten

• Expertenpuzzle und Stationenlernen
• Vor- und Nachbereitung
• Präsentationen
• Durchführung von Facharbeiten

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.

In der Gymnasialen Oberstufe ist „Kernphysik“ eines der Wahlthemen in der Qualifikationsphase (Q4).

Die Zusammenstellung der Experimente des Schülerlabors zeigt, dass außer dem Thema Kernspaltung praktisch alle genannten Themen angesprochen werden. Zu den Experimenten...

In den Experimentieranleitungen des Schülerlabors finden sich viele Aufgaben und Auswertungen, die mit einem Tabellenkalkulationsprogramm durchgeführt werden. Damit wird der bereits in den Jahrgangsstufen 5/6 einsetzenden, verbindlichen Einführung dieses mächtigen Software- Werkzeuges im Mathematikunterricht Rechnung getragen. Wegen der großen Verbreitung an Schulen sind die Beispiele in EXCEL ausgeführt und zeigen die Vielseitigkeit und das hohe didaktische Potenzial dieser Anwendungssoftware.

... mit den Experimentiertechniken der Kernphysik

Bei praktisch allen Experimenten, die die Forscher bei GSI durchführen, handelt es sich um sogenannte Streuexperimente. Dabei „beschießt“ man dünne Materieplättchen mit sehr, sehr vielen Ionen aus dem Beschleuniger in der Hoffnung, dass in einigen Fällen zu „interessanten“ Kollisionen kommt, aus denen wir etwas Neues über den Aufbau der Materie lernen können. In unserem Schülerlabor haben wir die Möglichkeit, einen der ersten Streuversuche überhaupt, nämlich den berühmten Streuversuch von Rutherford durchzuführen, bei dem Alphateilchen an Atomkernen in einer Goldfolie gestreut werden (Station 9). Alle Nachweisgeräte für die „klassische“ α-, β- und γ- Strahlung sowie für alle anderen subnuklearen Teilchen (Protonen, Neutronen, Mesonen, Neutrinos, etc.) beruhen auf der Wechselwirkung dieser Teilchen mit der Detektormaterie. Gasgefüllte Ionisationsdetektoren sind die ältesten in der Kernphysik verwendeten Nachweisgeräte, die bereits von Becquerel zur Untersuchung radioaktiver Strahlung benutzt wurden. Von dieser Detektorfamilie gibt es im Schülerlabor die Ionisationskammer (Station 3) und das Geiger-Müller-Zählrohr (Stationen 2 und 4).

Für viele Anwendungen in der Kern- und Hochenergiephysik ist es sehr nützlich, die Spur eines ionisierenden Teilchens zu verfolgen. Hierzu gehören Nebel- und Blasen- sowie Funken- und Streamerkammern. Das Schülerlabor betreibt an Station 8 eine großformatige Nebelkammer, bei der die Bahnspuren mit einer Videokamera aufgezeichnet und am PC ausgewertet werden.

Bei einem Szintillationsdetektor erzeugen die nachzuweisenden Teilchen in einem geeigneten Szintillatormaterial durch Anregung der Atome und Moleküle einen Lichtblitz, der durch einen Photomultiplier nachgewiesen wird. Halbleiterzähler sind im Wesentlichen in Sperrrichtung betriebene Halbleiterdioden. Beide Detektorarten werden in Station 5 zur Spektroskopie von Gammastrahlung eingesetzt und bezüglich ihrer Effizienz und Energieauflösung verglichen.

Die kinetische Energie von Alphateilchen wird ebenfalls sehr häufig mit Halbleiterzählern gemessen. Für die Alpha-Spektroskopie in Station 6 wird ein so genannter Oberflächensperrschicht-Detektor verwendet.

Zur Messung der Energie von Elektronen oder Positronen, die zum Beispiel von instabilen Kernen ausgesandt werden, benutzt man gerne magnetische Spektrometer, die prinzipiell die höchste Energieauflösung besitzen. Ein einfaches Magnetspektrometer für Betastrahlung wird in Station 4 untersucht.

Bei allen Detektortypen – mit Ausnahme der Nebelkammer – gehört die Aufbereitung der vom Detektor gelieferten elektrischen Signale wesentlich zum Messprozess dazu. Aus diesem Grund wird an geeigneten Stellen in den Experimenten auch auf Signalverstärkung, Pulsform und Analog-Digitalwandlung eingegangen.

Die aufwändigen Experimente zur Untersuchung der Struktur von Kernen und Elementarteilchen bestehen heutzutage aus einer sehr komplexen Kombination verschiedener Detektortypen, wie sie im Schülerlabor exemplarisch vorgestellt werden. Bei Streuexperimenten an Teilchenbeschleunigern kommt daher der Koinzidenztechnik eine bedeutende Rolle zu. Unter der Vielzahl der von den verschiedenen Detektoren gelieferten elektrischen Signale müssen diejenigen zusammen betrachtet werden, die zu dem gleichen Streuereignis gehören. Die Station 7 führt am Beispiel der Positron-Elektron-Vernichtungsstrahlung in diese Technik ein.

... mit den bei GSI laufenden Forschungsprojekten

Im EXPERT-Schülerlabor messen die Schülerinnen und Schüler Strahlung und Teilchen, die von natürlichen radioaktiven Substanzen ausgesandt werden. Dabei verwenden sie Nachweisgeräte und setzen Mess- und Analysemethoden ein, die charakteristisch sind für Experimente, die Forscher aus aller Welt bei GSI durchführen.

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.

Wesentlich für die Experimente sind die Beschleunigeranlage und die Art der Nachweisgeräte (Detektoren) sowie deren Anordnung und die verwendeten Messverfahren. Bei GSI werden etliche Detektortypen in unterschiedlichen Ausführungen abhängig vom untersuchten Objekt eingesetzt, wie zum Beispiel Gaszähler, Halbleiterzähler und Szintillatoren.

Im Schülerlabor können sich die Schülerinnen und Schüler mit diesen Detektortypen vertraut machen. Da jeder Typ andere Eigenschaften hat, werden in den Experimentaufbauten bei GSI verschiedene Typen und bis zu tausend Stück miteinander kombiniert, um bestmögliche Messergebnisse zu erhalten. Um von der enormen Menge an anfallenden Messdaten nur die richtigen zu erfassen, sind raffinierte elektronische Methoden nötig. Ein Grundkonzept der Messdatenerfassung, die so genannte Koinzidenzschaltung, lernen Schülerinnen und Schüler im Schülerlabor ebenfalls kennen.

Die aufgenommenen Messdaten müssen mit modernen Analyse-Verfahren erst aufgearbeitet dann ausgewertet, dargestellt und präsentiert werden. Letzteres geschieht in Form einer schriftlichen Veröffentlichung oder einem Vortrag auf einer Konferenz. Die Verarbeitung der Messdaten und ihre Präsentation sind deshalb ebenso wichtiger Bestandteil des Schülerlabors.

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.

Vorschläge zur Arbeitsmethodik

Expertenpuzzle und Stationenlernen

Die neun Experimente des EXPERT-Schülerlabors decken einen großen Teil der verbindlichen und fakultativen Lerninhalte zum Thema Radioaktivität ab und sind untereinander in vielfacher Hinsicht verbunden. Durch geeignete Vor- und Nachbereitung sowie Organisation des Labortages muss erreicht werden, dass die von den einzelnen Experimentiergruppen erarbeiteten Kenntnisse allen Teilnehmern zur Verfügung gestellt werden.

Hierfür empfiehlt sich die Unterrichtsmethode des "Expertenpuzzles". Bei diesem schülerorientierten Verfahren „lernen die Schüler durch lehren, indem sie zu einem gemeinsamen Sachverhalt/Problem aus unterschiedlicher Perspektive Wissen einholen und dann als Experten Wissen austauschen und miteinander (aus)wertend verhandeln“.

Am Labortag sieht das so aus, dass eine in der Regel aus drei Schülerinnen und Schülern bestehende Arbeitsgruppe jeweils ein Experiment durchführt, auf das sie sich in der Schule vorbereitet hatte. Diese „Expertengruppe“ wird nach der Mittagspause aufgelöst und es werden in der Regel drei neue, große Gruppen so gebildet, dass jede je einen Experten aus jedem Experiment aufweist. Diese Gruppen gehen noch einmal alle Experimente durch und lassen sich jeweils knapp (drei bis vier Minuten lang) über das Experiment informieren.

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 und mit Hilfe der Übersicht über die Experimente sollten jedem Experiment drei (maximal vier) Teilnehmer zugewiesen werden. Anschließend sollte jeder Teilnehmer eine gedruckte Fassung des Skripts zur Vorbereitung "seines" Experimentes zur Verfügung erhalten. Aufgabe der Schülerinnen und Schüler ist es dann bis zum Labortag, diese Skripte durchzuarbeiten und die darin gestellten Aufgaben zu lösen. Als Hilfen sollten das Physikbuch und die Abschnitte "Hintergrundwissen" der Experimentieranleitungen herangezogen werden – darüber hinaus 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.

Schülerinnen und Schüler können im fünften Prüfungsfach der Abiturprüfung einen mediengestützten Vortrag mit anschließendem Kolloquium einbringen. Auch naturwissenschaftliche Experimente sind mögliche Bestandteile. Die Vorbereitungszeit umfasst im Abitur mindestens vier Wochen. Von Art und Umfang ist die Vorbereitung und Durchführung eines Experiments des Schülerlabors mit anschließender Auswertung und Aufbereitung zu einem multimedialen Vortrag eine hervorragende Möglichkeit für Schüler, sich auf diese Prüfungsanforderung vorzubereiten.

Die im Schülerlabor dokumentierten Versuche schöpfen die mit den vorhandenen Apparaturen möglichen Experimente bei weitem nicht aus. Im Verlauf eines Labortages kommen interessierte Schüler – und nicht zuletzt auch ihre begleitenden Lehrer – auf neue Fragestellungen, die mit der Ausrüstung des Schülerlabors im Sinne einer Facharbeit bearbeiten werden könnten.

Die Organisatoren des Schülerlabors freuen sich über solche Impulse und werden nach Möglichkeit solche Arbeiten unterstützen, sofern sie mit dem Ablauf des „normalen“ Laborbetriebs abgestimmt werden. Dies muss mit den Betreuern im Einzelfall geklärt werden.