Dank spezieller Apps ist es heutzutage möglich, Smartphones und Tablet-PCs als Strahlendetektoren zu benutzen, wobei die integrierten Kamerasensoren als Halbleiterdetektoren umfunktioniert werden. Als Medien des Alltags stellen solche Geräte für Schülerinnen und Schüler Experimentiermaterialien mit potenziell hoher Authentizität dar. Diese Arbeit befasst sich deshalb nach aktuellem Kenntnisstand als erste ihrer Art weltweit schwerpunktmäßig mit der Konzeption von Versuchen zum Themenbereich Radioaktivität im Physikunterricht und Untersuchungen zur diesbezüglichen Praktikabilität von Smartphones und Tablet-PCs. Dabei ist mit Praktikabilität die Fähigkeit dieser Geräte gemeint, Experimente sowohl durchführen als auch dabei realistische und auswertbare Ergebnisse liefern zu können.
Es soll damit ein konzeptioneller Grundstein für empirische Untersuchungen zur Lern- und Motivationswirksamkeit der genannten Medien gelegt werden. Die Geräte sollen einerseits mithilfe der App RadioactivityCounter betrieben werden, welche die Benutzung der integrierten Kamerasensoren als Halbleiterdetektoren ermöglicht. Andererseits soll alternativ dazu ein externer Halbleitersensor, der Pocket Geiger, eingesetzt werden, welcher an solche Mobilgeräte angeschlossen und mithilfe der gleichnamigen App betrieben werden kann. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei also auf Experimenten, die zur Untersuchung bestimmter Größen und Gesetzmäßigkeiten im Themenfeld Radioaktivität eingesetzt werden können. Die Praktikabilität für den Einsatz bei solchen Experimenten im Physikunterricht soll anhand der Ergebnisqualität und des Vergleichs der Resultate mit denen von konventionellen Strahlendetektoren für eine kleine Anzahl ausgewählter mobiler Endgeräte eingeschätzt werden. Die Versuchsanordnungen der dabei entwickelten Experimente sind jeweils aus Komponenten konstruiert, welche normalerweise in jeder Physiksammlung zu finden sind.
Die zur Einbettung in den Unterricht nötigen methodischen und fachdidaktischen Überlegungen sowie die Untersuchung möglicher positiver Effekte beim Einsatz der Geräte als Experimentiermittel würden jedoch den Umfang dieser Arbeit übersteigen und sollen hier deshalb nicht thematisiert werden. Vielmehr soll mit den hier vorgestellten Ergebnissen Stoff für ggf. weitere Untersuchungen geliefert werden, welche auf der Praktikabilität der Geräte und der grundlegenden Durchführbarkeit der vorgestellten Experimente aufbauen können.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Fachdidaktischer Rahmen
3 Fachwissenschaftliche Grundlagen
3.1 Radioaktive Umwandlung
3.1.1 α-Zerfall
3.1.2 β-Umwandlung
3.1.3 γ-Übergang
3.2 Zerfalls- und Abstandsgesetz
3.3 Wechselwirkung in Materie
3.3.1 γ-Strahlung
3.3.2 β-Strahlung
3.4 Nachweisprinzipien
3.4.1 Gaszählrohre
3.4.2 Halbleiterdetektoren
3.4.3 Kamerasensoren
3.5 Statistische Grundlagen
3.6 Totzeit
3.6.1 Totzeitmodelle
3.6.2 Methoden zur Totzeitbestimmung
4 Messinstrumente und Applikationen
4.1 RadioactivityCounter auf dem Samsung Galaxy Tab 2 7.0 und dem Samsung Galaxy S III
4.1.1 Bedienelemente der Applikation
4.1.2 Anleitung zur Durchführung eines Messvorganges
4.2 RadioactivityCounter auf dem iPod Touch 4G
4.2.1 Bedienelemente der Applikation
4.2.2 Anleitung zur Durchführung eines Messvorganges
4.3 Pocket Geiger pro unter Apple iOS
4.3.1 Hardware und Applikation
4.3.2 Anleitung zur Durchführung eines Messvorganges
4.4 Sensor-CASSY mit Zubehör
4.5 Gamma-Scout
4.6 Leybold-Heraeus Halbleiterdetektor mit Zubehör
4.7 Berthold LB 123 UMo
4.8 Kriterien zur Beurteilung und Auswahl mobiler Endgeräte als Strahlendetektoren in der Unterrichtspraxis
5 Untersuchung der Rahmenbedingungen
5.1 Untersuchung der Sensitivitäten
5.1.1 Verwendete Präparate
5.1.2 Versuchsaufbau und -durchführung
5.1.3 Auswertung
5.1.4 Fazit und Fehlerbetrachtung
5.2 Kalibrierung der Applikationen
5.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung
5.2.2 Auswertung
5.2.3 Fazit und Fehlerbetrachtung
5.3 Totzeitbestimmung
5.3.1 Zwei-Quellen-Methode
5.3.2 Methode der zerfallenden Quelle
5.3.3 Fazit und Fehlerbetrachtung
6 Untersuchungen zur Praktikabilität im Physikunterricht
6.1 Dosisleistungsmessungen
6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung
6.1.2 Auswertung
6.1.3 Fehlerdiskussion
6.1.4 Fazit und Tipps
6.2 Das Abstandsgesetz
6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung
6.2.2 Auswertung für β-Strahlung
6.2.3 Auswertung für γ-Strahlung
6.2.4 Auswertung für Uhr mit radioaktivem Ziffernblatt
6.2.5 Fehlerdiskussion
6.2.6 Fazit und Tipps
6.3 Das Schwächungs- bzw. Absorptionsgesetz
6.3.1 Schwächung von γ-Strahlung
6.3.2 Absorption von β-Strahlung
6.3.3 Fehlerdiskussion
6.3.4 Fazit und Tipps
6.4 Ablenkung von β-Strahlen
6.4.1 Versuchsaufbau und -durchführung
6.4.2 Auswertung
6.4.3 Fehlerdiskussion
6.4.4 Fazit und Tipps
6.5 Das Zerfallsgesetz
6.5.1 Schüttelpräparat
6.5.2 Elutions-Isotopengenerator
6.5.3 Fehlerdiskussion
6.5.4 Fazit und Tipps
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Literatur- und Quellenverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Praktikabilität von Smartphones und Tablet-PCs als Strahlendetektoren zur Untersuchung ionisierender Strahlung im Physikunterricht. Ziel ist es, durch den Vergleich mit konventionellen Messgeräten einen konzeptionellen Grundstein für den Einsatz dieser mobilen Endgeräte als Experimentiermittel zu legen und ihre Eignung für verschiedene kernphysikalische Versuche zu evaluieren.
- Untersuchung der Praktikabilität von mobilen Endgeräten im Physikunterricht
- Einsatz von Kamerasensoren und externen Halbleitersensoren (Pocket Geiger)
- Qualitativer und quantitativer Vergleich mit professionellen Messgeräten (z.B. Sensor-CASSY, Gamma-Scout)
- Konzeption und Durchführung von Experimenten zu Radioaktivität (Abstands-, Schwächungs-, Absorptionsgesetz, Ablenkung, Zerfallsgesetz)
- Erstellung eines Kriterienkatalogs zur Auswahl geeigneter Hardware
Auszug aus dem Buch
3.1 Radioaktive Umwandlung
Der Kern eines Nuklids besteht aus insgesamt A = N + Z Nukleonen, wobei Z für die Protonen- und N für die Neutronenanzahl steht. Das Verhältnis dieser Nukleonen bestimmt die Stabilität eines Nuklids aufgrund einerseits der Coulomb-Abstoßung der Protonen, andererseits der energetischen Zustände der Nukleonen. Die meisten bekannten Nuklide sind instabil und werden als radioaktive Nuklide bezeichnet (Stolz, 1976, S. 31). Aufgrund der o.g. Ursachen ihrer Instabilität besitzen solche Nuklide stets einen Energieüberschuss (Krieger, 2012, S. 91). Sie können unter spontaner Emission ionisierender Strahlung und Energieabgabe in nicht vorhersagbarer, statistischer zeitlicher Abfolge aus ihrem instabilen Zustand in eine stabilere Konfiguration übergehen. Dabei wird (ionisierende) Strahlung als nicht an Medien gebundener Energie- und Massentransport verstanden. Sie ist aufgrund ihrer hohen Energie in der Lage, Elektronen aus der Atomhülle bestrahlter Materie zu lösen. Es kann sich dabei um elektromagnetische Wellen bzw. Photonenstrahlung oder um Korpuskularstrahlung handeln. Korpuskeln bezeichnen dabei Teilchen, welche eine Ruhemasse und eine Ausdehnung besitzen, wobei wiederum zwischen geladenen (z.B. Elektronen) und ungeladenen Teilchen (z.B. Neutronen) unterschieden werden muss (Krieger, 2012, S. 19).
Bei einem solchen Übergang wird das ursprüngliche Nuklid (Mutternuklid) aufgrund der Änderung seines energetischen Zustandes, seiner Kernladung und/oder seiner Masse in ein anderes Nuklid (Tochternuklid) umgewandelt oder es geht von einem metastabilen in einen energetisch niedrigeren oder in den Grundzustand über. Dieser exotherme Vorgang wird als radioaktive Umwandlung oder, eher umgangssprachlich, als radioaktiver Zerfall bezeichnet (Stolz, 1976, S. 31). Innerhalb des unterrichtlichen Kontextes sind besonders drei Zerfallsarten mit den daraus folgenden drei unterschiedlichen Arten ionisierender Strahlung wichtig (vgl. Kuhn, W., 2000, S. 1): Der α-Zerfall, die β-Umwandlung und γ-Übergänge.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Arbeit untersucht weltweit erstmalig schwerpunktmäßig die Konzeption von Versuchen zum Themenbereich Radioaktivität im Physikunterricht sowie die Praktikabilität von Smartphones und Tablet-PCs hierfür.
2 Fachdidaktischer Rahmen: Das Kapitel ordnet den Einsatz von Alltagsmedien wie Smartphones in den didaktischen Ansatz des situierten Lernens und des kontextorientierten Unterrichts ein, um trägem Wissen entgegenzuwirken.
3 Fachwissenschaftliche Grundlagen: Es werden die theoretischen Grundlagen zur Entstehung ionisierender Strahlung, deren Wechselwirkung mit Materie sowie die physikalischen Prinzipien von Detektorsystemen erörtert.
4 Messinstrumente und Applikationen: Das Kapitel stellt die verwendeten mobilen Endgeräte samt Apps sowie die konventionellen Vergleichsgeräte vor und beschreibt deren Funktionsweisen und Bedienung.
5 Untersuchung der Rahmenbedingungen: Hier werden die Sensitivitäten der Geräte untersucht, Applikationen kalibriert und die Totzeiten der Messsysteme bestimmt, um eine Basis für die späteren Experimente zu schaffen.
6 Untersuchungen zur Praktikabilität im Physikunterricht: Das Kapitel präsentiert die Durchführung und Auswertung spezifischer Experimente (Dosisleistung, Abstands-, Schwächungs-, Absorptionsgesetz, Ablenkung, Zerfallsgesetz) und bewertet die Praktikabilität der Geräte.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Die Arbeit resümiert die Ergebnisse und bestätigt die Praktikabilität der untersuchten Geräte, wobei Empfehlungen für den unterrichtlichen Einsatz und weiterführende Forschungsfragen gegeben werden.
Schlüsselwörter
Radioaktivität, Physikunterricht, Smartphone, Tablet-PC, mobile Endgeräte, Strahlendetektor, Kamerasensor, Dosisleistung, Zerfallsgesetz, Absorptionsgesetz, Praktikabilität, Kernphysik, Applikationen, Naturwissenschaften, Messwerterfassung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der vorliegenden Masterarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, ob und wie Smartphones und Tablet-PCs als kostengünstige und leicht verfügbare Strahlendetektoren im Physikunterricht eingesetzt werden können, um verschiedene Gesetzmäßigkeiten der Kernphysik zu vermitteln.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Arbeit?
Die zentralen Felder sind die Kernphysik (Radioaktivität), die Fachdidaktik (situierteres, kontextorientiertes Lernen) sowie die technische Anwendung von Sensoren in modernen Mobilgeräten.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Evaluation der Praktikabilität dieser Geräte – also ihre Fähigkeit, Experimente durchzuführen, die realistische und auswertbare Ergebnisse liefern, vergleichbar mit konventionellen Messgeräten.
Welche wissenschaftlichen Methoden finden Verwendung?
Es werden sowohl theoretische physikalische Grundlagen dargelegt als auch empirische Messreihen durchgeführt, wobei die Ergebnisse der mobilen Geräte durch Kalibrierung und den Vergleich mit professionellen Referenzgeräten (z.B. Sensor-CASSY, Berthold LB 123) validiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine fachdidaktische Einbettung, die Beschreibung der eingesetzten Geräte und Apps, eine Untersuchung der technischen Rahmenbedingungen (Sensitivität, Totzeit) sowie die Durchführung konkreter kernphysikalischer Experimente.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit am besten charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich am besten mit Begriffen wie Radioaktivität, Physikunterricht, mobile Endgeräte, Strahlendetektoren, Dosisleistung und Messwerterfassung beschreiben.
Warum spielt das "Pocket Geiger" eine besondere Rolle im Vergleich zum internen Kamerasensor?
Der Pocket Geiger ist ein extern anschließbarer Halbleitersensor, der als Alternative dient, wenn die interne Kamera des Mobilgeräts für schwache radioaktive Quellen nicht sensitiv genug ist oder wenn eine dedizierte Detektion gewünscht wird.
Welche Rolle spielt die App "RadioactivityCounter"?
RadioactivityCounter ist das zentrale Software-Werkzeug, das die Videofunktion der Kamera nutzt, um Pixel-Ereignisse durch ionisierende Strahlung zu registrieren, diese zu zählen und die Messergebnisse grafisch sowie numerisch auszugeben.
Welches Fazit zieht die Arbeit bezüglich des Einsatzes im Physikunterricht?
Insgesamt sind die Geräte bei ausreichender Aktivität der Strahlungsquelle praktikabel. Während Smartphones und Tablets für stärkere Quellen gut geeignet sind, empfiehlt sich für schwächere Quellen oder präzisere γ-Messungen der Einsatz externer Halbleiterdetektoren.
- Quote paper
- Ma. Ed. Jan Frübis (Author), 2013, iRadioactivity. Untersuchung ionisierender Strahlung mit Smartphone & Tablet-PC aus fachlicher und fachdidaktischer Sicht, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/267316
