Radioactiviteit

Ioniserende straling Radioactieve atomen zenden ioniserende straling uit. Deze straling kan dus andere atomen ioniseren Drie soorten ioniserende straling: ,  en -straling Röntgenstraling lijkt erg op -straling Bij besmetting krijg je radioactieve atomen binnen Bij bestraling krijg je ioniserende straling binnen

-straling Wat is het? Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? He-kern (He2+) Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? paar centimeter (zie volgende dia) Te stoppen door? papiertje, kleding, huid Gevaarlijk? Niet van buiten af want het komt niet door de huid Inwendig erg gevaarlijk als je atomen binnenkrijgt die deze -straling uitzenden

α-straling in nevelvat

--straling Wat is het? Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? elektron Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? paar centimeter (iets verder dan ) Te stoppen door? kleding, metaalfolie Gevaarlijk? Niet van buiten af want het komt bijna niet door de huid Inwendig gevaarlijk omdat de straling in een heel klein gebied schade veroorzaakt (minder gevaarlijk dan )

+-straling Wat is het? Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? positron of anti-elektron (zelfde massa als een elektron maar een positieve lading) Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? tot het eerste elektron Te stoppen door? alles waar elektronen in zitten Gevaarlijk? Ja, als positron en elektron op elkaar botsen verdwijnen beide deeltjes (annihilatie) en er ontstaan 2 -deeltjes

-straling Wat is het? Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? lichtdeeltje of foton (geen lading, geen massa) Hoe ver komt het in lucht (= dracht)? hééééél ver Te stoppen door? met een paar centimeter lood houd je nog maar de helft tegen Gevaarlijk? Het ioniseren vermogen is niet erg groot maar het gaat wel bijna overal door heen en is daardoor gevaarlijk (inwendig en uitwendig)

papier metaalfolie lood

Isotopen Atoomkern bestaat uit geladen protonen en neutronen Eén element kan uit atomen met een verschillend aantal neutronen bestaan (isotopen) Van lood zijn b.v. de volgende isotopen bekend: 82 204 𝑃𝑏 , 82 206 𝑃𝑏 , 82 207 𝑃𝑏 , 82 208 𝑃𝑏 en 82 210 𝑃𝑏 82 206 𝑃𝑏 heeft 82 protonen en 206 – 82 = 124 neutronen 82 = atoomnummer (= aantal protonen = kernlading) 206 = massagetal (= aantal protonen + neutronen)

Activiteit A De activiteit A van een hoeveelheid materiaal is het aantal atomen dat per seconde vervalt en dus ook gelijk aan het aantal stralingsdeeltjes dat per seconde wordt uitgezonden (eenheid Becquerel (Bq)) De activiteit is dus gelijk aan de afname van het aantal radioactieve atomen per tijdseenheid (afgeleide): 𝐴=− ∆𝑁 ∆𝑡

Stralingsenergie Bij het verval van atomen komt stralingsenergie vrij. Voor  en -straling is dit bewegingsenergie (laatste kolom tabel 25). Omdat bij het verval van één atoom maar weinig energie vrijkomt gebruiken we een andere eenheid: elektronVolt (eV) 1 eV = 1,602..  10-19 J en 1 MeV = 1,602..  10-13 J 1,602..  10-19 C is de lading van een proton / elektron

Binas tabel 25 atoom­ nummer symbool massagetal atoommassa voorkomen (in de natuur) halveringstijd verval en energie van het deeltje ► 1   u % s/min/u/d/j Mev ► 2 83 Bi 207 206,97844 50 j K-vangst, γ 209 208,98039 100 >2.1018 j 210 209,98412 4,8 d α 5,0, β-, γ 214 213,99869 19,7 min β- 3,3, α 5,50 84 Po 208,98243 200 j α 4,09 209,98288 140 d α 5,298, γ 211 210,98666 0,5 s α 7,434 212 211,98887 3 .1077 s α 8,776 213 212,99283 3,2.10-6 s α 8,3 213,99519 1,6. 10-4 s α 7,68 215 214,99942 1,83.10-3 s α 7,365

Halveringstijd of halfwaardetijd Dit is de tijd (symbool t½) waarna van de oorspronkelijke hoeveelheid deeltjes (N) nog precies de helft over is bijvoorbeeld: t½ = 12 jr. t (jr) N 8000 12 4000 24 2000 36 1000

formule 𝑁 𝑡 =𝑁(0)∙ 1 2 𝑡 𝑡 ½ Radioactief verval is een kans proces en verloopt in werkelijkheid niet gelijkmatig maar grillig

voorbeeld 1 24Ne heeft een halveringstijd van 15 uur. Hoeveel procent van de atomen is na één dag vervallen? Uitwerking: 𝑁 𝑡 =𝑁 0 ∙ 1 2 𝑡 𝑡 ½ → 𝑁=100%∙ 1 2 24 15 =33% 33% van de atomen zijn dus nog niet vervallen; 100 – 33 = 67% van de atomen is dus wel vervallen.

voorbeeld 2 Na hoeveel tijd is er nog 10% van de atomen niet vervallen? Uitwerking: 𝑁 𝑡 =𝑁 0 ∙ 1 2 𝑡 𝑡 ½ →10%=100%∙ 1 2 𝑡 15 → 0,1= 1 2 𝑡 15 → log 0,1=log 1 2 𝑡 15 = 𝑡 15 ∙ log 1 2 → 𝑡 15 = log 0,1 log 1 2 =3,32 →𝑡=3,32∙15=50 𝑢𝑢𝑟

Halveringsdikte Dit is de dikte (symbool d½) waarna van de oorspronkelijke hoeveelheid deeltjes (N) precies de helft over is. Gegevens staan in: Binas tabel 28E Formule: 𝑁 𝑑 =𝑁(0)∙ 1 2 𝑑 𝑑 ½ Alleen gebruikt bij -straling

Activiteit en halveringstijd Als geldt: 𝑁 𝑡 =𝑁(0)∙ 1 2 𝑡 𝑡 ½ Kun je laten zien dat het volgende verband bestaat tussen het aantal radioactieve atomen en de activiteit: 𝐴= 𝑁∙ ln 2 𝑡 1 2 t1/2 in seconden omdat A in per seconde is. Voor de afname van de activiteit geldt: 𝐴 𝑡 =𝐴(0)∙ 1 2 𝑡 𝑡 ½

kernreactie -straler Een He2+-kern vliegt uit de kern van het radioactieve atoom voorbeeld: 92 235 𝑈 → 2 4 𝐻𝑒 + 90 231 𝑇ℎ Merk op dat bij een kernreactie: het massagetal gelijk blijft (235 = 4 + 231) en lading gelijk blijft (92 = 2 + 90)

kernreactie --verval In de kern splitst een neutron zich in een proton en een elektron; het elektron vliegt uit de kern 𝑛 → 𝑝 + + 𝑒 − Bijvoorbeeld: 55 137 𝐶𝑠 → −1 0 𝑒 + 56 137 𝐵𝑎

kernreactie +-verval In de kern splitst een proton zich in een neutron en een anti-elektron; het anti-elektron vliegt uit de kern 𝑝 + →𝑛+ 𝑒 + Bijvoorbeeld: 11 22 𝑁𝑎 → +1 0 𝑒 + 10 22 𝑁𝑒

K-vangst (alleen vwo) Een elektron uit de elektronwolk komt in de kern en fuseert met een proton tot een neutron 𝑝 + + 𝑒 − → 𝑛 Bijvoorbeeld 19 40 𝐾+ −1 0 𝑒 → 18 40 𝐴𝑟

Kernreactie g-straling Een g-deeltje heeft geen massa en ook geen lading. De kern die een g-deeltje uitzendt verandert dus niet, hij verliest alleen energie in de vorm van een licht-deeltje Een radioactief atoom zendt nooit alleen g-straling uit, maar altijd in combinatie met een andere vorm (α, β of K-vangst)

Stralingsvermogen Het stralingsvermogen (energie per seconde) dat een hoeveelheid radioactief materiaal uitzendt = de energie (E) van één stralingsdeeltje vermenigvuldigt met het aantal deeltjes dat het materiaal per seconde uitzendt (A). Bijvoorbeeld voor een -straler: P = A  E() N.B. E() wel omrekenen naar Joule

Stralingsziekte Stralingsdosis D die je binnenkrijgt is de hoeveelheid stralingsenergie E die je binnenkrijgt per kg lichaamsgewicht (eenheid J/kg = Gray (Gy)): 𝐷= 𝐸 𝑚 Bij dezelfde dosis blijkt -straling 20x schadelijker te zijn dan -straling. Daarom wordt ook vaak gewerkt met dosisequivalent H (in Sievert (Sv)): H = QD Q is een weegfactor; Q() = 20 en Q() = 1 Kan nog uitgebreid worden met weefselweegfactor.

vervolg Het gemiddelde jaarlijkse dosisequivalent ten gevolge van achtergrondstraling ligt rond de 2,5 mSv (afhankelijk van de plaats op aarde). Ter vergelijking: een röntgenfoto levert een totaal dosisequivalent van 0,1 tot 1,0 mSv, een CT-scan levert al gauw zo'n 10 mSv op zie ook tabel Binas tabel 27D

Waar komt kernenergie vandaan? Langs de verticale as de gemiddelde massa per kerndeeltje

massadefect Kerndeeltjes in lichte en zware atomen zijn zwaarder dan kerndeeltjes van de atomen in het “midden” Als je een zwaar atoom splijt of twee lichte atomen laat fuseren dan verdwijnt er massa. Volgens Einstein wordt deze massa omgezet in energie volgens: E = m  c2 met m de verdwenen massa of massadefect en c de lichtsnelheid.

voorbeeld 3 Hoeveel energie komt er vrij als 1 u (=1,66.. x 10-27 kg) aan massa verdwijnt? Uitwerking: E = m  c2 = 1,66.. x 10-27  (2,9979.. x 108)2= = 1,49 x 10-10 J = 931,49 MeV zie ook Binas tabel 7

voorbeeld 4: alfa-verval Hoeveel energie komt vrij bij het verval van 211-Po? Uitwerking: 84 211 𝑃𝑜 → 2 4 𝐻𝑒 + 82 207 𝑃𝑏 massadefect m = 210,98666 – (4,002603+206,97589) = 0,008167 u = 0,008167 x 931,49 = 7,607 MeV volgens Binas krijgt -deeltje 7,434 MeV; de kern krijgt zelf dus nog 0,173 MeV mee.

voorbeeld 5: bètaverval Hoeveel energie komt vrij bij het verval van 14-C? Uitwerking 6 14 𝐶 → −1 0 𝑒 + 7 14 𝑁 Het stikstofatoom dat hierbij ontstaat is niet neutraal (7 protonen in de kern en 6 elektronen daar omheen). We kunnen ons voorstellen dat het bèta-deeltje (elektron) en het stikstof-ion elkaar na verloop van tijd opzoeken en een neutraal stikstof atoom vormen: 6 14 𝐶 → −1 0 𝑒 − + 7 14 𝑁 + → 7 14 𝑁 massadefect m = 14,003242 - 14,00307 = 0,000017 u = 0,000017 x 931,49 = 0,16 MeV

Kernsplijting Bij splijting ontstaan 2 of meer snelle neutronen Langzame neutronen geven meer kans op splijting

Werking van een kerncentrale Water in reactorvat heeft 2 functies: afremmen van snelle neutronen transport warmte

Nuclear Reactor

Kernfusie In een fusiereactor wil men de volgende reactie laten plaatsvinden: 1 2 𝐻 + 1 3 𝐻 → 2 4 𝐻𝑒 + 𝑛 Deze reactie kan alleen maar plaatsvinden bij zeer hoge temperaturen (miljoenen Kelvin) Er ontstaat geen radioactief afval In de zon komen ook van dergelijke reacties voor.