Examenprogramma VWO 2010 Domein: Golven en straling Subdomein: Radioactiviteit Samenvatting

1. Examenprogramma VWO 2010Domein: Golven en stralingSubdomein: RadioactiviteitSamenvatting Ioniserende straling ISP

2. Inhoud • 1 Soorten ioniserende straling • 2 Radioactief verval • 3 Effecten van ioniserende straling • 4 Kernsplijting en kernfusie • 5 Kernenergie Examenprogramma VWO 2010

3. 1 Soorten ioniserende straling •Atoombouw • Röntgenbuis • Röntgenstraling • Kernstraling • Ioniserend vermogen • Doordringend vermogen • Bronnen • Detectie Examenprogramma VWO 2010

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) Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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: Ef = h·f Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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: Examenprogramma VWO 2010

11. Ioniserend en doordringend vermogen Examenprogramma VWO 2010

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 en beeld-schermen • • fall-out door nucleaire rampen en kernbomproeven Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

17. 2 Radioactief verval • • Halveringstijd • • Activiteit • • Vervalvergelijking Examenprogramma VWO 2010

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: Examenprogramma VWO 2010

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: • • vervalkromme Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

25. 3 Effecten van ioniserende straling • •Bron – straling – ontvanger • • Bestraling en besmetting • • Dosis en dosisequivalent • • Beschermingsmaatregelen • • Afwegen van risico’s Examenprogramma VWO 2010

26. besmetting bron ioniserende straling ontvanger radioactiviteit bestraling soorten straling ioniserend vermogen doordringend vermogen dosis dosisequivalent absorptie halveringsdikte radioactieve stof radioactief verval activiteit halveringstijd Bron – straling – ontvanger • schema: Examenprogramma VWO 2010

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 Examenprogramma VWO 2010

28. Dosis en dosisequivalent • • de dosisD is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal: • • eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg) • • het dosisequivalentH is de dosis, gecorrigeerd voor het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling: • • eenheid: sievert (Sv) • • weegfactor: Qα = 20 en Qβ = Qγ = Qrö = 1 Examenprogramma VWO 2010

29. Beschermingsmaatregelen • • het jaarlijkse dosisequivalent 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 Examenprogramma VWO 2010

30. Afwegen van risico’s • • vergroten van de afstand tot de bron • • 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 Examenprogramma VWO 2010