Samenvatting Ioniserende straling HAVO

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

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

3. 1 Soorten ioniserende straling •Atoombouw • 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. Röntgenstraling • • bron: röntgenbuis • • eigenschappen: ioniserend en doordringend vermogen • • soort straling: fotonen (energie • groter dan fotonenergie bij licht • en uv-straling)

6. Kernstraling • • bron: instabiele istopen • • eigenschappen: ioniserend en doordringend vermogen • • soort straling:instabiele kern verandert in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling • • α-straling:heliumkernen ( ) • • β-straling:elektronen ( ) • • γ-straling:fotonen (energie groter dan fotonenergie bij röntgenstraling)

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

8. 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

9. 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 • af met de dikte d van het • materiaal: na elke halverings- • dikte is de intensiteit een • factor 2 kleiner

10. Doordringend vermogen • • voor de intensiteit Id van de doorgelaten straling als functie van de dikte d geldt: • met • • in deze formule is I0 de intensiteit van de invallende straling • • de doorlaatkromme geeft de • intensiteit Id als functie van de • dikte 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 • • vooral gevoelig voor β- deeltjes • • deeltje veroorzaakt ionisatie van gasatomen in de telbuis • • de vrijgemaakte elektronen leveren een spannings-puls • • elektronische teller telt het aantal • pulsen

14. 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

15. 2 Radioactief verval • • Halveringstijd • • Activiteit • • Vervalvergelijking

16. 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 af in de loop van de tijd t: na elke halveringstijd is het aantal instabiele kernen een factor 2 kleiner • •voor het aantal instabiele kernen Nt in de loop van de tijd t geldt: • met

17. Activiteit • • de activiteitA is het aantal vervallende kernen per seconde • • eenheid: becquerel (Bq) • • de activiteit At neemt af in de loop van de tijd t: na elke halveringstijd is de • activiteit een factor 2 kleiner • •de vervalkrommegeeft de • activiteit At als functie van • de tijd t

18. Activiteit • •voor de activiteit Atvan een radioactieve bron in de loop van de tijd t geldt: • met • •in deze formule is A0 de activiteit op het tijdstip • t = 0 s

19. Activiteit • •de activiteit Atvan een radioactieve bron op het tijdstip t is de helling van de raaklijn op dat tijdstip in het N,t-diagram: • •voor de gemiddelde activiteit • Agem over een periode Δt • geldt: N0 Nt

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. 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

23. 3 Effecten van ioniserende straling • •Bron – straling – ontvanger • • Bestraling en besmetting • • Dosis en equivalente dosis • • Beschermingsmaatregelen • • Afwegen van risico’s

24. 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:

25. 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

26. Dosis en equivalente dosis • • 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

27. Dosis en equivalente dosis • rekenvoorbeeld • • lichaamsweefsel met een massa van 5 kg absorbeert bij bestraling met α-straling 0,05 J stralingsenergie • • dosis: • •equivalente dosis:

28. 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

29. 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

30. 4 Medische beeldvorming • •Beeldvormingstechnieken • • Stralingsdosis

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

32. 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

33. 5 Kernenergie • •Kernsplijting • • Kernsplijtingsenergie • • Kettingreactie • • Kernreactor • • Splijtstofstaven • • Moderator • • Regelstaven • • Splijtstofcyclus • • Kernafval • • Veiligheidsaspecten • • Milieuaspecten

34. • bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten • een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235: • de splijtingsproducten zijn instabiel en vervallen onder uitzenden van α-, β- en/of γ-straling Kernsplijting

35. • bij kernsplijting is sprake van een massadefect: de totale massa van de kernen en losse kerndeeltjes is na de splijting kleiner dan voor de splijting • de ‘verdwenen’ massa – of: het massadefect m – is bij de splijting volgens de equivalentie van massa en energie omgezet in energie: • deze energie komt vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten • het massadefect m is te berekenen uit de atoom-massa’s en de atomaire massa-eenheidu Kernsplijtingsenergie

36. rekenvoorbeeld • splijtingsreactie: • voor splijting na splijting • massadefect: m = 0,198·u = 0,198·1,66·10–27 = 3,29·10–28 kg Kernsplijtingsenergie

37. rekenvoorbeeld (vervolg) •massadefect: m = 0,198·u = 0,198·1,66·10–27 = 3,29·10–28 kg • energie: E = m·c2 = 3,29·10–28·(3,00·108)2 = 2,96·10–11 J • energie in elektronvolt (eV): 1 eV = 1,60·10–19 J  1 J = 1/1,60·10–19 = 6,25·1018 eV • energie: E = 2,96·10–11·6,25·1018 = 1,85·108 eV = 185 MeV • bij de splijting van U-235 in Xe-140 en Sr-94 komt dus 185 MeV energie vrij Kernsplijtingsenergie

38. 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

39. 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

40. 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:

41. Moderator • • voor splijting van een uraniumkern is een langzaam neutron nodig • • de neutronen die ontstaan bij splijting van een uraniumkern hebben een grote snelheid • • 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

42. 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

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

44. 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

45. 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

46. 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

47. 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