Samenvatting Ioniserende straling VWO

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

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

3. 1 Soorten ioniserende straling •Atoombouw • Röntgenbuis • Röntgenstraling • Kernstraling • Ioniserend vermogen • Doordringend vermogen • Bronnen • Detectie

4. Atoombouw •kern (protonen en neutronen) en elektronenwolk (elektronen in schillen) • atoomnummerZ: aantal protonen in de kern •massagetalA: 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)

5. 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

6. 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:

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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: • • de doorlaatkromme geeft Id • als functie van d

11. Ioniserend en doordringend vermogen

12. 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

13. 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

14. 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

15. deeltje kathode-platen anode-draden 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

16. 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

17. 2 Radioactief verval • • Halveringstijd • • Activiteit • • Vervalvergelijking

18. Halveringstijd • • bij radioactief verval verandert eeninstabiele kern in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling • • de halveringstijdt1/2 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: • •vervalconstante:

19. Activiteit • • de activiteitA is het aantal vervallende kernen per seconde: • •eenheid: becquerel (Bq) • • de activiteit At neemt expo- • nentieel af in de loop van • de tijd t: • •de vervalkromme geeft At • als functie van t

20. 4 He A X 2 Z A-4 Y Z-2 Vervalvergelijking • •α-verval: • • het α-deeltje is een heliumkern • • behoudsprincipes: • massagetal: A = (A – 4) + 4 • atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2

21. A A X Y Z Z+1 β- Vervalvergelijking • •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

22. A X Z A Y Z-1 β+ Vervalvergelijking • •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

23. Am Y Z γ A Y Z Vervalvergelijking • •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

24. 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

25. 3 Effecten van ioniserende straling • •Bron – straling – ontvanger • • Bestraling en besmetting • • Dosis en equivalente dosis • • Beschermingsmaatregelen • • Afwegen van risico’s

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

27. bron ioniserende straling ontvanger besmetting radioactiviteit bestraling 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

28. Dosis en dosisequivalent • • de dosisD is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal: • •eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg) • •de equivalente dosisH is de dosis, gecorrigeerd voor het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling: • • eenheid: sievert (Sv) • • weegfactor: wR,α = 20 en wR,β,γ,rö= 1

29. 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

30. 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

31. 4 Medische beeldvorming • •Beeldvormingstechnieken • • Stralingsdosis

32. Beeldvormingstechnieken • ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek (tracer, PET) •geluidsgolven echografie • radiogolven magneticresonance imaging (MRI) absorptie en transmissie van röntgenstraling uitzenden van γ-straling door tracer bij radioactief verval; annihilatie en terugkaatsen van ultrasone geluidsgolven uitzenden van radiogolven door waterstofkernen in een magnetisch veld

33. Stralingsdosis • ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek •geluidsgolven echografie • radiogolven magneticresonance imaging (MRI) klein 0,1 mSv groot 10 mSv matig 5 mSv geen geen

34. 5 Kernsplijting en kernfusie • •Bindingsenergie en massadefect • • Bindingsenergie per nucleon • • Energie bij kernsplijting en kernfusie

35. Eb 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-energieEb • • de totale massa van de ‘losse’ nucleonen is groter dan de massa van de kern • • het verschil in massa is het massadefectΔm • •volgens de equivalentie van massa en energie (E = m·c2) geldt:

36. splijting fusie 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

37. 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 • de kernmassa m is te berekenen uit de atoommassa (gecorrigeerd voor de aanwezige elektronen) en de atomaire massa-eenheidu

38. 6 Kernenergie • •Kernsplijting • • Kettingreactie • • Kernreactor • • Splijtstofstaven • • Moderator • • Regelstaven • • Splijtstofcyclus • • Kernafval • • Veiligheidsaspecten • • Milieuaspecten

39. • 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 Kernsplijting

40. 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.

41. 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

42. 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:

43. 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

44. 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

45. kerncentrale productie splijtstofstaven uranium- verrijking opwerking splijtstofstaven uranium- winning radioactief afval Splijtstofcyclus • • schema:

46. 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

47. 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

48. 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

49. 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