Samenvatting Ioniserende straling VWO Faculteit Bètawetenschappen Ioniserende Stralen Practicum | ISP Samenvatting Ioniserende straling VWO

Inhoud 1 Soorten ioniserende straling 2 Radioactief verval 3 Effecten van ioniserende straling 4 Medische beeldvorming 5 Kernsplijting en kernfusie 6 Kernenergie ISP | VWO

1 Soorten ioniserende straling • Atoombouw • Röntgenbuis • Röntgenstraling • Kernstraling • Ioniserend vermogen • Doordringend vermogen • Bronnen • Detectie ISP | VWO

Atoombouw • kern (protonen en neutronen) en elektronenwolk (elektronen in schillen) • atoomnummer Z: aantal protonen in de kern • massagetal A: aantal nucleonen (of kerndeeltjes: protonen en neutronen) • notatie: • isotopen: hetzelfde aantal protonen (Z) in de kern (dus: hetzelfde element X), maar verschillend aantal neutronen (N) in de kern en dus verschillend massagetal (A = Z + N) ISP | VWO

Röntgenbuis • door verhitting kathode K komen elektronen vrij • elektronen worden versneld door spanning UAK • elektronen botsen tegen anode A • interactie met atomen van anodemateriaal geeft röntgenstraling ISP | VWO

Röntgenstraling • bij interactie met atomen van het anodemateriaal worden elektronen afgeremd of veranderen van richting en zenden fotonen uit – remstraling • sommige elektronen schieten een elektron weg uit één van de binnenschillen van het atoom, waarna het gat wordt opgevuld door een elektron uit een hogere schil – karakteristieke röntgenstraling • fotonenergie: 𝑬 𝐟 =𝒉∙𝒇 ISP | VWO

Kernstraling • instabiele kern verandert in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling • α-straling: heliumkernen ( ) • β-straling: elektronen ( ) – ontstaat doordat een neutron in de atoomkern vervalt tot een proton en een elektron • γ-straling: fotonen – ontstaat doordat de atoomkern vanuit een aangeslagen toestand terugvalt naar de grondtoestand ISP | VWO

Ioniserend vermogen • bij doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen • stralingsdeeltje (α,β) of foton (röntgen,γ) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie ISP | VWO

Doordringend vermogen • α- en β-straling: dracht • dracht R: afstand waarover het stralingsdeeltje al zijn energie heeft afgegeven aan het materiaal – hangt af van de soort straling, de energie van het stralings-deeltje en de dichtheid van het materiaal ISP | VWO

Doordringend vermogen • röntgen- en γ-straling: halveringsdikte • halveringsdikte d1/2: afstand waarover een materiaal de helft van de invallende fotonen heeft geabsor-beerd – hangt af van de fotonenergie en de dichtheid van het materiaal • de intensiteit Id van de doorgelaten straling neemt exponentieel af met de dikte d van het materiaal: 𝑰 𝐝 = 𝑰 𝟎 ∙ (½) 𝒅/ 𝒅 𝟏/𝟐 = 𝑰 𝟎 ∙ 𝒆 −𝝁∙𝒅 • de doorlaatkromme geeft Id als functie van d ISP | VWO

Ioniserend en doordringend vermogen soort straling ioniserend vermogen doordringend vermogen • α-straling groot klein • β-straling matig • röntgenstraling • γ-straling ISP | VWO

Bronnen natuurlijke stralingsbronnen: achtergrondstraling • kosmos • bodem, water en lucht > voedsel en bouwmaterialen kunstmatige stralingsbronnen • medische toepassingen: diagnose en therapie • kernreactoren, opslagplaatsen van radioactief afval • deeltjesversnellers • consumentenproducten zoals rookmelders • fall-out door nucleaire rampen en kernbomproeven ISP | VWO

Detectie Geiger-Müller telbuis • gasgevulde metalen cilinder (kathode) met op de cilinderas een metalen draad (anode) • spanning van 1 kV • vooral gevoelig voor β- deeltjes • deeltje veroorzaakt ionisatie van één of meer gasatomen • vrijgemaakte elektronen versnellen naar anode en ioniseren daarbij meer gasatomen: er ontstaat een lawine van elektronen die een spanningspuls levert • elektronische teller telt het aantal pulsen ISP | VWO

Detectie Bellenvat • vat met doorzichtige vloeistof • temperatuur vloeistof vlak onder kookpunt • invallende straling zorgt voor ionisaties • door drukverlaging gaat de vloeistof spontaan koken: rond de ionen vormen zich damp- bellen • banen van de deeltjes zijn zichtbaar als bellenspoor • gekromde banen onder invloed van magnetisch veld • meestal wordt een foto van het bellenspoor gemaakt ISP | VWO

Detectie Dradenkamer • een rij dicht op elkaar liggende anode-draden is gespannen tussen twee kathode-platen • invallende straling zorgt voor ionisaties • de draden detecteren de door ionisatie vrijgekomen elektronen • een computerprogramma berekent het ionisatiespoor deeltje anode-draden kathode-platen ISP | VWO

Detectie Dosismeter • bevat materiaal dat de energie van de invallende straling absorbeert • vroeger een fotografische film – na ontwikkelen bepaalt de zwarting de dosis • tegenwoordig thermoluminescentie – straling brengt atomen in aangeslagen toestand, na verhitting komt energie vrij in de vorm van licht: de lichtintensiteit bepaalt de dosis. • uitvoering als badge ISP | VWO

2 Radioactief verval • Halveringstijd • Activiteit • Vervalvergelijking ISP | VWO

Halveringstijd • bij radioactief verval verandert een instabiele kern in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling • de halveringstijd t1/2 is de tijd waarin de helft van het aanwezige aantal instabiele kernen vervalt • het aantal aanwezige instabiele kernen Nt neemt exponentieel af in de loop van de tijd t: 𝑵 𝐭 = 𝑵 𝟎 ∙ (½) 𝒕/ 𝒕 𝟏/𝟐 = 𝑵 𝟎 ∙ 𝒆 −𝝀∙𝒕 • vervalconstante: 𝝀= 𝐥𝐧 𝟐 𝒕 𝟏/𝟐 ISP | VWO

Activiteit • de activiteit A is het aantal vervallende kernen per seconde: 𝑨=− 𝐝𝑵 𝐝𝒕 • eenheid: becquerel (Bq) • de activiteit At neemt expo- nentieel af in de loop van de tijd t: 𝑨 𝐭 = 𝑨 𝟎 ∙ (½) 𝒕/ 𝒕 𝟏/𝟐 = 𝑨 𝟎 ∙ 𝒆 −𝝀∙𝒕 • de vervalkromme geeft At als functie van t ISP | VWO

Vervalvergelijking X He Y • α-verval: • het α-deeltje is een heliumkern • behoudsprincipes: massagetal: A = (A – 4) + 4 atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2 A Z X A-4 Z-2 Y He 4 2 ISP | VWO

Vervalvergelijking X β- Y • β–-verval: • het β–-deeltje is een elektron • behoudsprincipes: massagetal: A = A + 0 atoomnummer: Z = (Z + 1) – 1 • bij β–-verval vervalt een neutron in de kern tot een proton en een elektron: • het elektron wordt door de kern uitgestoten A Z X Z+1 Y β- ISP | VWO

Vervalvergelijking X β+ Y • β+-verval: • het β+-deeltje is een positron: het antideeltje van het elektron • behoudsprincipes: massagetal: A = A + 0 atoomnummer: Z = (Z – 1) + 1 • bij β+-verval vervalt een proton in de kern tot een neutron en een positron: • het positron wordt door de kern uitgestoten A Z X Z-1 Y β+ ISP | VWO

Vervalvergelijking Y γ • γ-verval: • het γ-deeltje is een foton Am Z Y A γ • γ-verval: • het γ-deeltje is een foton • na α- of β-verval bezit de kern vaak nog teveel energie: de kern bevindt zich in een aangeslagen toestand (aangegeven door de letter m achter het massagetal) • de kern raakt deze energie kwijt door het uitzenden van een γ-foton • γ-straling wordt dus uitgezonden in combinatie met α- of β-straling ISP | VWO

Vervalvergelijking • K-vangst: • de kern trekt een elektron uit de K-schil de kern in • daar combineert het ‘ingevangen’ elektron met een proton tot een neutron: • het ‘gat’ in de K-schil wordt gevuld door een elektron uit de L- of M-schil onder uitzenden van een röntgen-foton ISP | VWO

3 Effecten van ioniserende straling • Bron – straling – ontvanger • Bestraling en besmetting • Dosis en equivalente dosis • Beschermingsmaatregelen • Afwegen van risico’s ISP | VWO

Bron – straling – ontvanger • schema: ioniserende straling bron ontvanger besmetting radioactiviteit bestraling radioactieve stof radioactief verval activiteit halveringstijd soorten straling ioniserend vermogen doordringend vermogen dosis equivalente dosis absorptie halveringsdikte ISP | VWO

Bestraling en besmetting • bij bestraling absorbeert een ontvanger straling ‘van buitenaf’: uitwendige bestraling • bij besmetting heeft een ontvanger zelf radioactieve stoffen binnengekregen (op of in het lichaam) en ontvangt daardoor straling ‘van binnenuit’: inwendige bestraling ioniserende straling bron ontvanger besmetting radioactiviteit bestraling ISP | VWO

Dosis en dosisequivalent • de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal: 𝑫= 𝑬 𝐬𝐭𝐫 𝒎 • eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg) • de equivalente dosis H is de dosis, gecorrigeerd voor het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling: 𝑯= 𝒘 𝐑 ∙𝑫 • eenheid: sievert (Sv) • weegfactor: wR,α = 20 en wR,β,γ,rö = 1 ISP | VWO

Beschermingsmaatregelen • de jaarlijkse equivalente dosis van zo’n 2 mSv als gevolg van de natuurlijke achtergrondstraling is onontkoombaar • de ontvangen extra dosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven • er zijn drie mogelijkheden om het stralingsrisico voor stralingswerkers te beperken: • verkorten van de tijd dat de stralingswerker met de bron bezig is • afscherming van de bron • vergroten van de afstand tot de bron ISP | VWO

Afwegen van risico’s • toepassingen moeten gerechtvaardigd zijn • de ontvangen stralingsdosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven • bij medisch diagnostische stralingstoepassingen steeds nagaan of er alternatieven zijn (zoals MRI of echoscopie) • voor medisch therapeutische stralingstoepassingen (bestraling) geldt een andere afweging: het risico van niet behandelen tegenover het risico van de stralingsdosis • deze stralingsdosis valt niet onder de dosislimiet ISP | VWO

4 Medische beeldvorming • Beeldvormingstechnieken • Stralingsdosis ISP | VWO

Beeldvormingstechnieken • ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek (tracer, PET) • geluidsgolven echografie • radiogolven magnetic resonance imaging (MRI) absorptie en transmissie van röntgenstraling uitzenden van γ-straling door tracer bij radioactief verval; annihilatie −1 𝟎 𝐞 en 1 𝟎 𝐞 terugkaatsen van ultrasone geluidsgolven uitzenden van radiogolven door waterstofkernen in een magnetisch veld ISP | VWO

Stralingsdosis • ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek • geluidsgolven echografie • radiogolven magnetic resonance imaging (MRI) klein 0,1 mSv groot 10 mSv matig 5 mSv geen ISP | VWO

5 Kernsplijting en kernfusie • Bindingsenergie en massadefect • Bindingsenergie per nucleon • Energie bij kernsplijting en kernfusie ISP | VWO

Bindingsenergie en massadefect • de energie die nodig is voor het afbreken van de atoomkern tot ‘losse’ nucleonen (protonen en neutronen) – en dus de energie die vrijkomt bij het opbouwen van die kern uit ‘losse’ nucleonen – is de bindings-energie Eb • de totale massa van de ‘losse’ nucleonen is groter dan de massa van de kern • het verschil in massa is het massadefect Δm • volgens de equivalentie van massa en energie (E = m·c2) geldt: 𝑬 𝐛 =∆𝒎∙ 𝒄 𝟐 Eb ISP | VWO

Bindingsenergie per nucleon • de bindingsenergie Eb gedeeld door het massagetal A is de bindingsenergie per nucleon: Eb/A • de bindingsenergie per nucleon hangt af van het massagetal – en is dus per element verschillend • bij fusie van twee lichte kernen en bij splijting van een zware kern komt bindingsenergie vrij fusie splijting ISP | VWO

Energie bij kernsplijting en kernfusie • de vrijkomende energie bij kernsplijting of kernfusie is gelijk aan het verschil in bindingsenergie van de kernen voor en na de reactie • de vrijkomende energie is te berekenen uit het massadefect: het verschil tussen de som van de kernmassa’s voor en na de reactie 𝑬 𝐛 =∆𝒎∙ 𝒄 𝟐 =( 𝒎 𝐯𝐨𝐨𝐫 − 𝒎 𝐧𝐚 )∙ 𝒄 𝟐 • de kernmassa m is te berekenen uit de atoommassa (gecorrigeerd voor de aanwezige elektronen) en de atomaire massa-eenheid u ISP | VWO

6 Kernenergie • Kernsplijting • Kettingreactie • Kernreactor • Splijtstofstaven • Moderator • Regelstaven • Splijtstofcyclus • Kernafval • Veiligheidsaspecten • Milieuaspecten ISP | VWO

Kernsplijting • bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten • een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235: • bij deze splijtingsreactie is sprake van een massa-defect: er komt energie vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten • de splijtingsproducten zijn instabiel en vervallen onder uitzenden van α-, β- en/of γ-straling ISP | VWO

Kettingreactie • bij de splijting van U-235 ontstaan twee of drie vrije neutronen • deze vrije neutronen kunnen op hun beurt weer nieuwe uraniumkernen splijten: zo ontstaat een kettingreactie. ISP | VWO

Kernreactor • in een kernreactor is sprake van een gecontroleerde kettingreactie van kernsplijtingen om energie vrij te maken: elke kernsplijting veroorzaakt één volgende kernsplijting • de energie wordt gebruikt om stoom te maken • de stoom drijft een turbine/ generator-combinatie aan • de kerncentrale levert elek- trische energie ISP | VWO

Splijtstofstaven • in de kernreactor zit de splijtstof (U-235) in splijtstof-staven • natuurlijk uranium bestaat vooral uit U-238 en slechts voor 0,7% uit het splijtbare U-235 • voor het kernsplijtingsproces is verrijkt uranium met 3 tot 5% U-235 nodig • uit het U-238 in de splijtstofstaven ontstaat plutonium (Pu-239) door absorptie van neutronen: ISP | VWO

Moderator • voor splijting van een uraniumkern is een langzaam neutron nodig • de neutronen die ontstaan bij splijting van een uraniumkern zijn hoog energetisch • om deze neutronen zodanig af te remmen dat ze een nieuwe uraniumkern kunnen splijten – en zo de kettingreactie in stand kunnen houden – is een moderator nodig • in een kerncentrale is de moderator meestal water ISP | VWO

Regelstaven • de kettingreactie van kernsplijtingen wordt onder controle gehouden met regelstaven • deze regelstaven bestaan uit een materiaal dat neutronen absorbeert zonder dat er verdere reacties optreden: boor of cadmium • in een kritische reactor veroorzaakt precies één van de bij splijting vrijkomende neutronen een nieuwe splijtingsreactie • de kernreactor levert dan een constant vermogen ISP | VWO

Splijtstofcyclus • schema: uranium- winning verrijking productie splijtstofstaven kerncentrale opwerking radioactief afval ISP | VWO

Kernafval • in een kerncentrale, maar ook in ziekenhuizen en onderzoekscentra wordt kernafval geproduceerd • laag- en middelradioactief afval zoals kleding, papier, water- en luchtfilters wordt in Nederland boven-gronds opgeslagen bij de COVRA • hoogradioactief kernsplijtingsafval gaat vanuit Nederland naar Frankrijk voor opwerking • bij opwerking wordt het overgebleven uranium en het gevormde plutonium uit het kernsplijtingsafval gehaald voor hergebruik als splijtstof ISP | VWO

Veiligheidsaspecten • in een Nederlandse kerncentrale wordt zorgvuldig gelet op de veiligheid door: • ontwerp van de centrale met veiligheidsomhulling • correct onderhoud van de centrale • regels en procedures bij het werken met de centrale • toezicht van de overheid op naleving van de regels ISP | VWO

Milieuaspecten • bij normaal functioneren levert een kerncentrale een extra stralingsdosis van niet meer dan 10 μSv per jaar per persoon • een kerncentrale van 1000 MW verbruikt per dag 3,2 kg uranium, een kolencentrale heeft voor eenzelfde energieproductie 10.600 ton steenkool nodig • de voorraden splijtstof (uranium) en fossiele brand-stof (aardgas, aardolie en steenkool) zijn eindig • een thermische centrale (op fossiele brandstof) draagt bij aan versterking van het broeikaseffect, een kerncentrale levert hoogradioactief kernsplijtings-afval ISP | VWO

Informatie • onder achtergrondinformatie op het leerlingendeel van deze website staat aanvullende informatie over onder andere de eigenschappen, de effecten en de toepassingen van ioniserende straling ISP | VWO