reeks 5 major Zie nano p.37 e.v.
FIJNSTRUCTUUR VAN ATOMEN HOOFDSTUK 1: FIJNSTRUCTUUR VAN ATOMEN 1.1 Het algemene bouwpatroon van een atoom 1.2 De fijnstructuur van atoomkernen
1.1 Het algemene bouwpatroon van een ATOOM Neutron: n Proton: p Elektron: e nuclide A X eerst een woordje uitleg over radioactiviteit: daarom gaan we naar het atoom de kern van een atoom bestaat uit protonen en neutronen, waarrond zich de electronen bewegen de afmetingen van een atoom zijn van de orde van enige tienmiljoensten van een millimeter wanneer de kern zou overeenkomen met de grootte van een knikker en men plaatst die in het midden van een voetbalveld, dan zijn de electronen ongeveer te vinden ter hoogte van de goal. het electron zelf is enkele duizenden maal kleiner dan een proton of electron Dus het grootste deel bestaat uit lege ruimte, en vrijwel de gehele massa zit in de kern: een soort van mini-zonnestelsel Z A: massagetal Z: atoomgetal X: chemisch symbool A = Z + N
A E massagetal symbool Z atoomnummer protonen (+) neutronen (o) kern (+) nucleonen atoom elektronenwolk (-) elektronen (-) Elementaire deeltjes van atoom A E Z massagetal symbool atoomnummer massagetal A = aantal p + aantal n atoomnummer Z = aantal p = aantal e- aantal n = A – Z NB. De kenmerkende (identificerende) eigenschap van een atoom is het aantal protonen dus Z
Elementaire deeltjes : zeer klein daarom: fundamentele eigenschappen (massa en lading) vergelijken (relatieve lading en massa!) Lading : vgl. met eenheidslading = 1,6. 10-19 C Massa : vgl. met a.m.u. = u = 1/12 massa 12C-atoom = 1,66.10-27 kg
Opdracht Onderstaande tabel bevat een aantal gegevens van isotopen. Vul deze tabel aan. Element Nuclide Atoomnummer Z Massagetal A Aantal p+ Aantal n0 Aantal e- .. ... 88 38 65 159 86 136 Sr 38 38 50 Tb 65 65 94 65 Rn 86 222 86
Waterstof en haar isotopen Neutron: n Proton: p isotopen hebben hetzelfde aantal protonen Electron: e hier een voorbeeld van de verschillende vormen van het waterstofatoom: de twee linkse zijn stabiele waterstofatomen, de rechtse is instabiel of radioactief isotopen zijn nukliden die in hun kern allemaal hetzelfde aantal protonen bevatten, maar een verschillend aantal neuronen. een stabiele waterstofkern bevat slechts één proton, terwijl zwaar water of deuterium één proton en één neutron bevat. het onstabielen waterstofatoom tritium bevat één proton en twee neutronen 1 2 3 H H H 1 1 1 zware waterstof of deuterium (stabiel) waterstof tritium (onstabiel)
1.2 fijnstructuur van de atoomkern * Isotopen Een element wordt gekenmerkt door het aantal p = Z Een nuclide = atoomsoort met bepaald aantal p en bepaald aantal n 35Cl 37Cl Van één element kunnen verschillende nucliden bestaan. Dit noemt men isotopen. -zelfde Z : zelfde aantal p en e- zelfde plaats in PSE zelfde chemische eigenschappen -verschillend A : verschillend aantal n verschillende massa komen in bepaalde verhouding voor in natuur Bij chloor is 75,53% 35Cl en 24,47% 37Cl 17 17
* Atoommassa (van een element) p.40 A = nuclidemassa van een welbepaald atoom (nuclide) uitgedrukt in kg of in atoommassa-eenheid u vb Ar = relatieve nuclidemassa van een atoom onbenoemd Atoommassa van een element Ar(X) is het gemiddelde van alle relatieve nuclidemassa’s van alle isotopen van dat element, rekening houdend met de procentuele natuurlijke samenstelling
Verband tussen gemiddelde relatieve nuclidemassa en atoommassa Ar(X) Berekening gemiddelde Ar 75,5% van de isotopen van Cl zijn nucliden 35Cl met Ar = 34,97 24,5 % van de isotopen van Cl zijn nucliden 37Cl met Ar = 36,96 Gemiddeld heeft één Cl-atoom een relatieve massa = 35,45 (= waarde in PSE)
Informatiebron voor isotopensamenstelling http://www.webelements.com/webelements/elements/text/O/isot.html
Antwoord: de relatieve atoommassa van het element lood is 1.2.2 Opgaven Bereken de atoommassa van het element Pb waarvan de isotopen met Ar =204, Ar= 206, Ar =207 en Ar= 208 in de natuur respectievelijk voorkomen voor 1,5%, 23,6%, 22,6% en 52,3%. Antwoord: de relatieve atoommassa van het element lood is Ar (Pb) = 207,24
Twee isotopen van boor bezitten elk respectievelijk 5 en 6 neutronen Twee isotopen van boor bezitten elk respectievelijk 5 en 6 neutronen. De gemiddelde relatieve atoommassa van boor bedraagt 10,82. Bereken het procentueel voorkomen van elke isotoop. Nuclidemassa’s zijn respectievelijk 10,01u en 11,01u 2 isotopen van boor 5B bezit 5 p+ dus Antwoord: isotoop 10B komt voor voor 18% en isotoop 11B komt voor voor 82%
Er zijn 3 isotopen van Li. Van welk Li- isotoop verwacht je het hoogste procentueel voorkomen. Verklaar. Ar(Li) = 6,941 De Ar ligt zeer dicht bij de waarde ‘7’ zodat de isotoop 7Li het hoogste procentueel voorkomen heeft. Ofwel er net evenveel 6Li aanwezig als 8Li
Oplossingen: zie volgende dia’s Volgende tabel bevat onvolledige gegevens over natuurlijke isotopen. Vul de tabel aan.. Gemiddelde relatieve atoommassa van het element Nucliden Relatieve nuclidemassa van de isotopen Procentueel voorkomen van de isotopen Ar(Cu)=63,546 oefening 1 65Cu 65Cu 62,930 64,928 ........ ........ Ar(C) = 12,011 oefening 2 12C 13C 12,000 .......... 98,903 1,097 Ar(Mg)= ......... oefening 3 24Mg 25Mg 26Mg 24,0 25,0 26,0 78,6 10,1 11,3 Ar(Ne)= ......... oefening 4 20Ne 21Ne 22Ne 19,992-20,994-21,991 90,92 0,257 8,823 69,17 % 30,83 % 13,003 24,327 20,171 Oplossingen: zie volgende dia’s
Gemiddelde relatieve atoommassa van het element Nucliden Relatieve nuclidemassa van de isotopen Procentueel voorkomen van de isotopen Ar(Cu)=63,456 oefening 1 63Cu 65Cu 62,930 64,928 ........ ........ 69,17 % 30,83 % Antwoord: isotoop 63Cu komt voor voor 69,17 % en isotoop 65Cu komt voor voor 30,83 %
Gemiddelde relatieve atoommassa van het element Nucliden Relatieve atoommassa van de isotopen Procentueel voorkomen van de isotopen Ar(C) = 12,011 oefening 2 12C 13C 12,000 .......... 98,903 1,097 13,003 Antwoord: Ar (13C) = 13,003
Antwoord: de gemiddelde Ar (12Mg) = 24,327 Gemiddelde relatieve atoommassa van het element Nucliden Relatieve nuclidemassa van de isotopen Procentueel voorkomen van de isotopen Ar(Mg)= ......... oefening 3 24Mg 25Mg 26Mg 24,0 25,0 26,0 78,6 10,1 11,3 24,327 Antwoord: de gemiddelde Ar (12Mg) = 24,327
Antwoord: de gemiddelde Ar (10Ne) = 20,171 Gemiddelde relatieve atoommassa van het element Nucliden Relatieve nuclidemassa van de isotopen Procentueel voorkomen van de isotopen Ar(Ne)= ......... oefening 4 20Ne 21Ne 22Ne 19,992 - 20,994 - 1,991 90,92 0,257 8,823 20,171 Antwoord: de gemiddelde Ar (10Ne) = 20,171
Stabiliteit van atoomkernen (p.41) Stabiliteitkromme p.42
C. Stabiliteitkromme Stabiele nucliden : p+ en n0 in de kern samengehouden door de zeer sterke kernkrachten Kernkrachten > elektrostatische afstoting vormen de stabiliteitband in stabiliteitkromme Lage atoomnummers N = 1 (rechte) Z Hogere atoomnummers N > 1 Z Onstabiele nucliden boven en onder stabiliteitband : Kernkrachten < elektrostatische afstoting *een onaangepaste N verhouding Z
natuurlijke radioactiviteit H. Becquerel (1896) : uraanertsen produceren een doordringende straling Eigenschappen van die natuurlijke radioactieve straling zwarting fotografische plaat ioniseren van de lucht oplichting van een fluorescerende stof spontaan proces (zonder energietoevoer) niet beïnvloedbaar door temperatuur of druk niet beïnvloedbaar door chemische reacties P. en M. Curie : via een chemische scheiding ontdekken ze in pechblende U3O8 2 sterkere radioactieve elementen Po en Ra nadien werden in U- en Th-ertsen: nog een 40-tal andere radioactieve elementen ontdekt atoomnummers 81 tot 92
Becquerel
Pierre en Marie CURIE
Natuurlijke stralingstypen + - Ra + - Rutherford : plaatste een radiumzout in elektrisch veld : gevolg : de straling valt uiteen in 3 soorten stralen doordringingsvermogen : < <
RADIOACTIVITEIT radioactief verval met deeltjes: a- stralen twee protonen en twee neutronen radioactief verval met deeltjes: a- stralen negatief geladen elektron b-- stralen b+- stralen positief geladen elektron of positron de meeste atomen zijn stabiel, andere zijn dat niet en bestaan uit een onevenwichtige samenstelling van protonen, neutronen en electronen. Deze streven wel naar stabiliteit en doen dat door middel van radioactief verval radioactief verval gaat gepaard met uitzenden van deeltjes of straling: in het geval van deeltjes kunnen kernen alfa deeltjes uitzenden: twee protonen en twee electronen, of beta-min-deeltjes (electronen) of beta-plus-deeltjes (positronen of positief geladen electronen). Deze laatste wordt gebruikt bij PET. Daarover straks meer. in het geval van straling spreken we van gamma-stralen: nucleaire geneeskunde werkt hoofdzakelijk met deze vorm van stralen radioactiviteit oefent een bepaald storend effect uit op omliggende andere atomen, die dan op hun beurt beschadigd en op hun beurt radioactief kunnen worden de schadelijkkheid is het grootst voor alfa, dan komt beta en gamma is het minst schadelijk radioactief verval met straling: g- stralen
RADIOACTIVITEIT Aluminium 6 mm a- deeltjes b--deeltjes g- stralen dikke betonlaag papier a- deeltjes b--deeltjes hoe dieper de radioactiviteit kan doordringen in de materie, hoe meer schade ze kan veroorzaken de doordringbaarheid is klein voor alfa, groter voor beta en het grootst voor gamma (KLIK) alfadeeltjes dringen weinig door in de materie, worden reeds tegengehouden door papier, doch zijn het meest schadelijk: zullen dus het meeste schade veroorzaken op korte afstand betadeeltjes dringen al sterker door en worden tegengehouden door een metaal-laag gammastralen zijn zeer indringend, en het minst schadelijk, en worden pas tegengehouden door een dikke betonlaag g- stralen
aard van de -straling Corpusculair : Helium-kernen Elektrische lading is 2 x positief Relatieve massa = mHelium-kern = 4 u v <c ( c = lichtsnelheid=300000 km/s) groot ioniserend vermogen gering doordringingsvermogen 2He2+ 4
Hoe ontstaan α- stralingen? Uitzending van -deeltjes 226 222 4 0 Ra Rn + α + 88 86 2 0 natuurlijke desintegratie = radioactief verval er ontstaat een nieuw element = Transmutatie ( het radiumatoom wordt een radonatoom)
NIRAS Soorten radioactiviteit
aard van de --straling p.45 e -1 Corpusculair : elektronen (die in de kern ontstaan zijn en door die kern worden uitgezonden) Elektrische lading is negatief Kleine relatieve massa (~ 1/2000 u) v = 95% van de lichtsnelheid (dus snelle elektronen) klein ioniserend vermogen groot doordringingsvermogen
Hoe ontstaan β- stralingen? Uitzending van --deeltjes (elektronen, gevormd in de kern door omvorming van een neutron in een proton en met grote snelheid uit kern gestoten) 1 1 0 n p + e 0 1 -1 210 210 0 0 Pb Bi + e + 82 83 -1 0 - - + - neutron
aard van de -stralen p.45 Elektromagnetische trillingen = fotonen (lichtdeeltjes met een oorsprong in de kern) energiepakketjes geen lading geen massa v = c zeer sterk doordringingsvermogen
Hoe ontstaan stralen elektronenvangst van een elektron uit de K-schil : omzetting in kern van proton in neutron 1 0 1 p + e n 1 -1 0 88 0 88 Y + e Sr + + X-str. 39 -1 38 Bij elektronenvangst ontstaat een nieuw element want Z vermindert met één (maar A blijft ongewijzigd).
Halfwaardetijden p.45 halveringstijden T1/2 is specifiek voor het verval van een bepaald radionuclide
Intensiteit van de straling p45 Activiteit Bq aantal Dosis Gy joule/kg Dosisequivalent Sv joule/kg
Opdrachten 1 Bereken met behulp van bovenstaande gegevens de stralingsdosis waaraan jij persoonlijk het voorbije jaar werd blootgesteld. ……….. 2 Bereken het gemiddelde van de klas. Ligt dit tussen 1 en 2mSv? ………..
NIRAS Soorten radioactiviteit
1.4.2 Het gebruik van radio-isotopen in wetenschappelijk onderzoek
Het gebruik van radio-isotopen in de geneeskunde A Radiotherapie
B Medische beeldvorming Radio-isotopen bvb. met injectiespuit in lichaam brengen Radioactieve straling : plaats van isotopen in lichaam detecteren door stralingdetectie met scintillatie-camera straling moet zwak, niet gevaarlijk zijn: anders vernietiging van cellen Voorbeeld 1: schildklieronderzoek Scintigram van schildklier probleem in linkerdeel knobbeltje (tussen kruisjes) = kanker
B Medische beeldvorming Botscan breuk in handwortelbeentje bij vrouw van 66 jaar Voorbeeld 2: maken van een botscan
1.4.4 Het gebruik van radio-isotopen in wetenschappen en techniek als ‘tracer’ = ‘spooraanwijzer’ radio-isotopen zijn als ‘schapen met een bel om hun hals’ :
Enkele voorbeelden Voorbeeld 1: stromingssnelheid van een vloeistof Voorbeeld 2: vervoer van aardolieproducten in pijpleidingen
Voorbeeld 3: Door welke delen van een plant wordt een bepaalde meststof opgenomen? radio-isotopen van een bepaald element: dezelfde chemische eigenschappen als niet-radio-actief element:
Opdrachten Een kip maakt de kalkschaal van een ei met voedsel dat diezelfde dag geconsumeerd is, de inhoud van het ei met voedsel van een maand ervoor. Hoe hebben radio-isotopen kunnen helpen bij deze verrassende ontdekking? In een wetenschappelijk experiment worden wespen uit een bepaald nest gevoed met radioactieve honing? Wat zou de bedoeling kunnen zijn van de onderzoekers? Een riviertje verdwijnt ergens spoorloos in de grond. Waar komt het weer bovengronds? Kunnen radio-isotopen helpen? Hoe? Radioactief Ca toevoegen aan voedsel van bepaalde dag – kalkschaal ei van die dag onderzoeken op straling – positief ? – schaal gemaakt met voedsel van die dag Wespen van dat nest identificeren t.o.v. wespen van andere nesten – activiteiten van die wespen volgen Ja – radio-isotopen toevoegen aan water voor het ondergronds verdwijnt - een Geigerteller plaatsen op verschillende plaatsen waar riviertjes terug bovengronds komen - waar radioactiviteit gemeten wordt stroomt water van het bewuste riviertje!
In industrie ‘tracer’ = ‘spooraanwijzer’ maar ook als ‘indicatie van fouten’ Voorbeeld 1: Controle dikte platen Voorbeeld 2: Vullen van bvb. colaflesjes tot bepaald niveau
Toepassingen voor isotopen radiotracers http://www.nrg-nl.com/general/reports_nl/radiotracers/radiotracers.html http://www.nrg-nl.com/public/medical_nl/reactorandcyclotron/ geneeskunde http://www.helsingborgslasarett.se/4.10e35d5f7ef1c076e7fff11233.html http://www.urenco.nl/info/stable/medical/page.html http://www.rnc.vu.nl/tabel.html#top