Forløb

Atomer, radioaktivitet og datering

Dette miniforløb giver en forståelse af atomers struktur, stabile og ustabile isotoper og sammenhænge i det periodiske system. Gennem øvelser bliver eleverne fortrolige med nomenklaturen, så de kan aflæse atomnummer, neutronantal og ladning af standardnotationen.

Forløbet kan bruges på Fysik A, B, og C på HTX. Forløbet består af tre moduler a 90 minutter.

En basal forståelse af atomer er nødvendig for at forstå meget af den grundlæggende fysik og kemi, herunder termodynamik, absorption, radioaktivitet mm.

I forløbet vil eleverne selv opbygge virtuelle atomer ved at tilføre elektroner, protoner og neutroner. De kan se, hvilket grundstof de har bygget, og om den pågældende isotop er stabil, og hvilken ladning den har. De arbejder desuden med radioaktivt henfald og aldersbestemmelse på et basalt niveau. Efter forløbet vil eleverne have indsigt i atomer, isotoper, grundstoffer, kernediagrammet og det periodiske system.

 

Oversigt

Indhold

  1. Modul: Byg et atom

Byg et atom vha. protoner, neutroner og elektroner. Konstruér kernediagram og find stabile isotoper.

  1. Modul: Alpha-henfald

Radioaktivitet, alpha-henfald, halveringstider, kernediagram og energiovergange.

  1. Modul: Beta-henfald og datering

Radioaktivitet, beta-henfald, halveringstider, kernediagram, datering og 14C.

 

1. Planlægning/overvejelser

Forløbet består af tre moduler:

  1. Atomets opbygning – neutroner, protoner, elektroner, isotoper og kernediagram.
  2. Alpha-henfald – halveringstider, kernediagram og energiniveauer.
  3. Beta-henfald – halveringstider, 14C og datering.

Det anbefales at give en indledende introduktion til atomer og det periodiske system inden forløbet. Her kan evt. suppleres med en kort video fra MinutePhysics.

Hvad var det, der overbeviste Einstein om, at der findes atomer: Se film på Youtube her. 

Forløbet kan suppleres med en skriftlig aflevering for elever på A+B-niveau, hvor eleverne undersøger sammenhængen mellem neutroner og protoner i stabile grundstoffer. I den virtuelle øvelse er der kun 10 protoner og 10 neutroner til rådighed, og eleverne kan derfor kun arbejde med lettere grundstoffer i simuleringen. Det er dog fuldt tilstrækkeligt til at give den nødvendige forståelse af sammenhængene. Resten af atomerne og deres isotoper kan gennemgås ved at give adgang til et kernediagram:

Her kan de se, hvordan forholdet mellem neutroner og protoner er for de tungere grundstoffer. Eleverne kan også blive bedt om at forklare, hvorfor neutronrige radioaktive isotoper ikke henfalder på samme måde som protonrige radioaktive isotoper. De kan også finde de atomnumre, hvor der ikke findes stabile grundstoffer, og lave et diagram, der viser antallet af stabile isotoper som funktion af atomnummer.

 

2. Opbygning

Del 1: Atomets opbygning

Hent undervisningsmodulet fra PhET.

Den følgende vejledning er baseret på version 3.02 af programmet, der blev downloadet i juni 2019.

Figur 1. Her er simuleringen brugt til at opbygge en 14C-isotop. Der er brugt 6 protoner, 8 neutroner og 6 elektroner. Man kan se, at kernen er ustabil og ladningsneutral.
© Børne- og Undervisningsministeriet

Figur 1. Her er simuleringen brugt til at opbygge en 14C-isotop. Der er brugt 6 protoner, 8 neutroner og 6 elektroner. Man kan se, at kernen er ustabil og ladningsneutral.

Lad eleverne bruge modulet til at konstruere et kernekort til og med grundstoffet neon (det er det tungeste grundstof, der kan konstrueres i modulet). Eleverne skal lave et kernekort i stil med:

 

© Børne- og Undervisningsministeriet

Antallet af neutroner vises langs x-aksen, og antallet af protoner (atom-nummeret) vises op langs y-aksen. Der tegnes et kvadratisk netværk på 10 x 10 kvadrater. I hvert kvadrat noteres atomnummer, grundstof og nukleontal (protoner + neutroner) i standardnotationen som vist her (neon med 10 protoner og 12 neutroner – i alt 22 (har desuden en ladning på +10, hvilket betyder, at isotopen ikke har nogen elektroner om sig)).

Desuden markeres de stabile isotoper med sort farve ligesom i kernekortet.

Diskutér det konstruerede kernekort. Hvad er forholdet mellem neutroner og protoner i stabile grundstoffer?

Primært for Fysik A+B-elever: Vis hele kernekortet, og tal om de forskellige typer henfald. Diskutér, hvorfor det specielt er de tunge isotoper, der har alpha-henfald. Tilsvarende kan man diskutere, hvorfor de neutronrige isotoper laver beta-henfald, mens de protonrige laver positron-henfald.

Som afslutning på modulet kan eleverne lave det spil, der er en del af det virtuelle modul. Her får de testet, om de har forstået atomets opbygning og den notation, der bruges til at beskrive isotoper.

Vigtige læringsbegreber: Protoner, neutroner, elektroner, isotoper, stabile og ustabile isotoper, periodisk system, grundstoffer og kernekort.

 

Del 2: Alpha-henfald

I øvelsen arbejdes først med to typer henfald – alpha og beta. Inden øvelsen skal eleverne vide, at et alpha-henfald sker ved udsendelse af en He-kerne med to protoner og to neutroner.

Til øvelsen med alpha-henfald bruges modulet her. 

Brug simuleringen til at se, hvordan 211Po-henfalder til 207Pb. Brug den opnåede viden fra første øvelse til at forklare, hvorfor et alpha-henfald fra 211Po resulterer i 207Pb. Lad evt. eleverne finde ud af, hvordan moder- og datterkerne ligger i forhold til hinanden i kernediagrammet ved alpha-henfald.

Brug kernediagrammet til at finde ud af, hvad der sker, hvis 226Ra, 240Pu og 238U gennemgår alpha-henfald.

Brug simuleringen til at lade atomet henfalde og se, hvor mange atomer der henfalder før hhv. efter halveringstiden er gået.

© Børne- og Undervisningsministeriet

Figur 2. Her er simuleringen brugt til at se på henfald af 211Po til 207Pb. Simuleringen er stoppet efter 0,5 s (halveringstiden er 0,516 s), hvor 14 af de oprindeligt 30 211Po-isotoper var henfaldet.

Fysik A-elever kan bruge simuleringen til at notere sig, hvornår de enkelte atomer henfalder, og lave et diagram, hvor logaritmen af antallet af moderkerner plottes som funktion af tiden. Der kan tegnes eller beregnes en ret linje gennem punkterne. Herefter kan halveringstiden aflæses som det tidspunkt, hvor antallet af moderkerner er faldet til det halve.

I anden del af øvelsen ser man på energiniveauer i et enkelt atom. Tryk på fanen ”Enkelt kerne” og lad eleverne køre simuleringen. Spørg dem, hvordan man kan se, at isotopen er ustabil inden henfaldet men stabil efter henfaldet.

© Børne- og Undervisningsministeriet

Figur 3. Her ses, hvordan kernens totale energi er mindre end energiniveauet på kanten af potentialbrønden, men mindre end niveauet i det uendeligt fjerne. Efter henfaldet (ikke vist her) dannes den stabile isotop 207Pb, hvor den tilbageværende kerne har for lav energi til at undslippe potentialbrønden.

Vigtige læringsbegreber: Alpha-henfald, halveringstid, protoner, neutroner og kernediagram.

 

Del 3: Beta-henfald og datering

Til øvelsen med beta-henfald bruges modulet her.

Denne vejledning er baseret på version 3.27 af modulet. Den er downloadet i juni 2019.

Inden øvelsen skal eleverne vide, at et beta-henfald af en neutron fører til dannelsen af en protron og udsendelse af en elektron (fra kernen).

Øvelsen gennemføres ligesom alpha-øvelsen. Eleverne kan vælge mellem flere forskellige radioaktive isotoper som fx 14C. Spørg eleverne, hvordan det kan være, at et beta-henfald fra 14C resulterer i 14N. Se, hvordan 14C og 14Ne ligger i forhold til hinanden i kernediagrammet.

 

Radioaktiv datering:

Download modulet her.

Denne vejledning er baseret på version 3.27 af modulet. Den er downloadet i juni 2019.

Her demonstreres det, hvordan man kan bruge radioaktivt henfald til at datere biologisk materiale (her et træ) med 14C-metoden og geologisk materiale (vulkansk materiale) med henfald af 238U.

© Børne- og Undervisningsministeriet

Figur 4. Her ses en 14C-måling af et træ, der først fik lov at gro i 1.000 år og derefter har ligget i yderligere 5.800 år. 14C-målingen kan bruges til at beregne, hvornår træet døde.

Først bruges simuleringen til at finde ud af, hvad 14C-indholdet er i luft. Diskutér, hvordan det kan være, at indholdet af det radioaktive stof 14C er konstant i atmosfæren. Dernæst ser man på, hvordan 14C-indholdet i et træ udvikler sig, før og efter det fældes. Spørg eleverne, hvordan man kan bruge 14C til at datere træer og andet biologisk materiale. Hvilke forudsætninger skal opfyldes, for at metoden fungerer?

I den anden øvelse skal man bruge henfald ad 238U til at datere vulkansk materiale. Her kender man ikke det oprindelige 238U-indhold – og simuleringen viser ikke, hvordan det kan beregnes. Spørg igen eleverne, hvilke oplysninger man skal bruge for at kunne datere bjergarten.

Det går nok for vidt at komme ind på, hvordan det oprindelige 238U-indhold bestemmes. Men i praksis foregår det ved at måle en række mineraler med forskelligt forhold mellem moderkernen 238U og datterkernen 206Pb (henfaldet involverer adskillige alpha- og beta-henfald). Ideelt set kunne man bruge et mineral med meget U og intet bly – her vil summen af antallet af moderkerner og datterkerner være lig med det oprindelige U-indhold. Der findes ikke mineraler helt uden bly – men der er nogen, der er tæt på.

I det afsluttende dateringspil kan man se, at 14C- og 238U-datering kan bruges til at datere forskellige aldre. Spørg eleverne, hvor gamle træer hhv. vulkanske klipper man kan datere med de to metoder.

Vigtige læringspointer: 14C, 238U, radioaktiv datering, beta-henfald, halveringstid, protoner, neutroner og kernediagram.

 

3. Evaluering og refleksion

Det anbefales at runde af ved at samle op på hele forløbet. Dette kan enten gøres som et modul for sig eller måske presses ind til sidst i modulet med radioaktiv datering. Formålet er at sikre sig, at eleverne har fået de vigtige pointer ud af de forskellige simulationer i de forskellige moduler.

Efter forløbet bør eleverne være fortrolige med atomets grundbestanddele – elektroner, protoner og neutroner – og nukleontallet; de skal forstå og udnytte kernekortet, dvs. de skal vide, hvor de stabile hhv. radioaktive isotoper befinder sig i kernekortet, og de skal vide, hvor datter og moderkernerne ligger i forhold til hinanden ved alpha- hhv. beta-henfald. Endelig skal de have en forståelse for radioaktivt henfald, og hvordan det kan udnyttes til datering.

En måde at repetere/vurdere læringsudbytte for det samlede forløb er gennem elevkonstruerede Kahoots, hvor eleverne i små grupper (2-3 personer) laver et eller flere spørgsmål til en stor samlet Kahoot til alle elever, eller de laver hver deres lille Kahoot til at teste de andre elever.

Til evaluering kan der benyttes en af de mange mulige evalueringsformer – en god oversigt kan findes her.

Den faglige del kan således til dels klares gennem Kahoot eller idéer fra evalueringssiden (såsom Quiz-og-byt eller en af de andre). Da brug af simuleringer er relativt nyt, synes jeg, at det er vigtigt også at evaluere på, hvordan den del fungerede. Her kan man også anvende metoder fra evalueringssiden (såsom 3-2-1-metoden, SWOT eller andet). 

 

Kreditering

Forløbet er lavet af: Henning Haack, ScienceTalenter, Sorø, juni 2019.