Natuurkunde - Hoofdstuk 5 - Samenvatting + Begrippen

§1 - Atoombouw

Een atoom bestaat uit een kern en elektronen die rond de kern bewegen. De kern bestaat uit protonen en neutronen.

Massa proton = massa neutron / Massa elektron is veel lager (verwaarloosbaar) Aantal proton (+) = aantal elektronen (-) → atoom elektrisch neutraal Atoom: elektronen weg of erbij → negatief of positief geladen ion. Straling met voldoende energie kan een atoom ioniseren: het stoot een elektron uit het

atoom.

Ioniserende straling: straling met voldoende energie die een elektron wegstoot van de kern, waardoor de atoom een positieve lading krijgt.

§2 - Röntgenstraling

Röntgenstraling zendt fotonen uit, die meer energie hebben dan zichtbaar licht, waardoor ze door je lichaam heen kunnen. De energie van een foton hangt af van de frequentie van de elektromagnetische straling: hoe groter de frequentie is, des te groter is de fotonenergie (Ef) → Fotonenergie <evenredig> frequentie.

Ef = h · f Ef = fotonenergie (J) - f = frequentie (Hz) - h=evenredigheidsconstante (6,626·10-34 J·s)

Röntgenfotonen hebben meestal een energie tussen de 10-16 J - 10-13 J.1 elektronenvolt (eV) = 1,6·10-19 J = 103 eV - 106 eV1 keV = 1·103 eV 1 Mev = 1·106 eV

1 Mev = 1·103 keV

Ioniseren van een atoom: het wegstoten van een elektron door een foton, waardoor het atoom een positieve lading krijgt.

Doordringend vermogen: de afstand die de straling kan afleggen door een bepaald soort materie heen.Ioniserend vermogen: het wegstoten van elektronen door de straling

Deze twee eigenschappen zijn het gevolg van de relatief grote energie van de fotonen van röntgenstraling.

Absorptie: het tegenhouden en opnemen van straling. Lichte gebieden: veel straling tegengehouden = absorptieDonkere gebieden: veel straling doorheen gegaan = transmissie

Foton verdwijnt → energie ervan wordt gebruikt om het atoom te ioniseren De fotonen worden apart geabsorbeerd door atomen in het materiaal, het ene foton eerder dan het andere. Hierdoor is de absorptie van röntgenstraling nooit volledig. Er zijn altijd fotonen die door het materiaal heen dringen.

Hoe groter de absorptie van röntgenstraling door een materiaal, des te kleiner is de intensiteit (I) van de doorgelaten straling.Intensiteit: de hoeveelheid energie (E) die in 1 seconden een dwarsdoorsnede van 1 m2 passeert.

Eenheid intensiteit: J/(s·m2) of W/m2 I = I0 · (12)n

I = intensiteitI0 = intensiteit invallende röntgenstralingn = halveringsdikte

De absorptie van röntgenstraling door een materiaal hangt af van het soort materiaal en de dikte van dat materiaal.Materiaalsoort: de absorptie van materialen zijn erg verschillend. Bv: weefsel: lage absorptie, lood: hoge absorptie.Materiaaldikte: hoe groter de dikte van het materiaal is, des te groter is de absorptie van röntgenstraling en des te kleiner is de intensiteit van de doorgelaten straling.

Dikte <evenredig> absorptie <omgekeerd evenredig> intensiteit doorgelaten straling

HalveringsdikteHalveringsdikte (d1/2): de dikte van een laagje dat de helft va de straling doorlaat.- Hoe groter de halveringsdikte hoe meer straling wordt doorgelaten. - Hoe groter de dichtheid van een materiaal is, des te kleiner is de halveringsdikte. - Hoe hoger de fotonenergie is, des te groter is de halveringsdikteGrote dichtheid = aantal elektronen per atoom groot → kans op absorptie groter.

I = I0 · (12)n + n =

dd1 /2 → I = I0 · (

12 )d/d1/2

I = intensiteitI0 = intensiteit invallende röntgenstralingn = halveringsdikted = dikte

§3 - KernstralingBij kernstraling komt er een deeltje uit de atoomkern. Dat deeltje bestaat uit:α-straling: 2 protonen & 2 neutronen - Dit zijn vergeleken met de rest grote en zware deeltjes.β-straling: 1 elektron - veel lichter en kleiner dan alfadeeltje.γ-straling: 1 foton - een elektromagnetische straling, met meer energie dan röntgenfotonen.

Soort straling

eigenschappen ioniserend vermogen

doordringend vermogen

Aard straling Verval Dracht

α-straling

- Groot ioniserend vermogen dus kan in een klein gebied veel schade aanrichten. - Makkelijk tegen te houden.

groot klein Helium-4 kernen

42 α of

42He

klein

β-straling

- Lager ioniserend vermogen dan α-straling dus richt minder schade aan- Een groter bereik door groter doordringend vermogen

matig matig elektronenβ -:

0−1e

β +: 01e

matig

γ-straling

- Groot doordringend vermogen, lood houdt niet alles tegen- Klein ioniserend vermogen

klein groot elektromagnetische straling

Uitstraling foton, samenstelling

atoomkern veranderd niet

Fotonen worden

niet afgeremd.

röntgen-straling

- Groot doordringend vermogen, lood houdt niet alles tegen- Klein ioniserend vermogen

klein groot Elektromagnetische straling

Uitstraling foton, samenstelling

atoomkern veranderd niet

Fotonen worden

niet afgeremd

Ioniserend vermogen: hoe goed een straling atomen van ioniseren.doordringend vermogen: hoe gemakkelijk een straling een stof kan doordringen.ActiviteitIn radioactieve stoffen zijn de atoomkernen instabiel: ze zenden op een willekeurig moment een stralingsdeeltje uit, waardoor hij verandert in een atoomkern van een andere stof. Dit is radioactief verval. Het aantal instabiele atoomkernen dat per seconden vervalt, noemen we de activiteit (A) van de bron. Dit wordt gemeten in de eenheid becquerel (Bq).

A = A0 · (12 )n

+

n = tt 1/2

↓

A = activiteit (Bq)A0 = activiteit op t=0 (Bq)n = aantal halveringstijden

t = tijdstip Zelfde eenheid! t1/2 = de halveringstijd

A = A0 · (12 )t/t1/2

HalveringstijdHalveringstijd (t1/2): de tijdsduur waarin de activiteit van een radioactieve bron 2x zo klein wordt → de tijdsduur waarin de helft van de instabiele atoomkernen vervallen.

Radiodiagnostiek: gebruik van ioniserende straling in de gezondheidszorg voor onderzoek. Meestal röntgenstraling, soms kernstraling (alleen in de afdeling nucleaire geneeskunde). Er wordt een stof in het lichaam aangebracht (tracer), waardoor de door de stof uitgezonden

straling gemeten kan worden. De tracer is meestal γ-straling, omdat α- en ϐ-straling geabsorbeerd wordt in het lichaam.

Er wordt wel iets γ-straling geabsorbeerd, maar hiervan is de halveringstijd klein zodat de activiteit laag blijft.

Radiotherapie: gebruik van straling voor het behandelen van patiënten. Gerichte γ- en ϐ-straling kunnen cellen als tumoren vernietigen. Uitwendige bestraling: stralingsbron bevindt zich buiten het lichaam; verzend γ-straling.

Inwendige bestraling: capsule met radioactieve ϐ-straling; klein doordringend vermogen, groot ioniserend vermogen.Deze ϐ-straling is effectiever dan γ-straling, omdat ϐ-straling beter wordt geabsorbeerd.

§4 - Radioactief verval

Kernstraling bestaat uit α-deeltjes (42He), ϐ-deeltjes (elektronen) en/of γ-fotonen.

Deeltje Bestaat uitα-deeltje 2 protonen + 2 neutronenϐ-deeltje elektronγ-deeltje foton

AtoomkernenDoordat er deeltjes wegschieten uit instabiele atoomkernen verandert de massa en/of de lading van de atoomkern → wordt kern van een andere atoomkern.

N = N0 ·( 12 )n + n =

tt 1/2 → N = N0 ·(

12 )t/t1/2

Atoomnummer (Z): het aantal protonen in de kern; geeft lading van de kern aan.Massagetal (A): neutronen + protonen in de kern.Bij radioactief verval: behoud van lading en massagetal.

N = instabiele atoomkernen t=0n = aantal halveringstijdent = tijd / t1/2=halveringstijd (zelfde eenheid)

Isotopen: kernen van dezelfde atoomsoort maar met een verschillend aantal neutronen. → hetzelfde atoomnummer, maar verschillend massagetal.

Vervalvergelijking - Alfastraling

2 protonen &

2 neutronen ; massagetal (A)= 4 - atoomnummer (Z)=2 42 α =

42He

Bij uitstoot: - 4 kerndeeltjes: massagetal (A)=-4, waarvan 2 protonen: atoomnummer (Z)=-2

22688 Ra →

22286 Rn +

42He

- Bètastraling Neutron uit kern → elektron + proton, waarbij de proton blijft zitten Massagetal (A)= gelijk

en de elektron wordt uitgestoten; -neutron, -elektron, +proton Atoomnummer (Z)=+1 10n →

11p +

0−1e VB:

13153 I →

13154 Xe +

0−1e

- Gammastraling Door een te grote hoeveelheid energie stoot een atoomkern meestal ook γ-straling uit.

Hierbij wordt 1 γ-foton uitgezonden. De samenstelling van de kern veranderd niet.

PositronstralingAls er ϐ+-verval is: als er naar verhouding teveel protonen (dan neutronen) in de atoomkern zitten.

Proton → neutron + positron11p →

10n +

01e

VB: 189 F →

188 O +

01e

Annihilatie: de vernietiging tussen een deeltje en een antideeltje die botsen, waardoor er twee γ-fotonen ontstaan; massa + kinetische energie → fotonenergiePaarvorming/creatie: omgekeerde annihilatie, waarbij deeltjes en antideeltjes ontstaan uit een γ-foton met voldoende energie; fotonenergie → massa + kinetische energieBehoud van het totale aantal kerndeeltjes en de totale elektrische lading.

Protonen- en neutronenstraling

Positron (antideeltje): uitgezonden deeltje door atoomkern: zelfde massa/lading als het elektron, maar dan een positieve lading.

Bij het beschieten van stabiele atoomkernen met bijvoorbeeld α-deeltjes kunnen kernreacties optreden waarbij een proton of een neutron vrijkomt: protonenstraling (p-straling) en neutronenstraling (n-straling).Behoud van het totale aantal kerndeeltjes en de totale elektrische lading.

Protonenstraling: 147 N +

42He →

178 O +

11p

Neutronenstraling: 94Be +

42He →

126 O +

10n

Activiteit

A = - (∆ N∆ t )raaklijn = -

dNdt

Activiteit A is groter naarmate het aantal instabiele atoomkernen N groter is, en naarmate de halveringstijd t1/2 van de radioactieve stof kleiner is.

A = ¿2t 1/2 · N =

0,693t 1/2 · N

Activiteit <recht evenredig> aantal instabiele atoomkernen Activiteit <omgekeerd evenredig> de halveringstijd

Atomaire massa-eenheid1. Zoek de atoommassa op in Binas T.25 (in u) u = 1,6·10-27 kg2. Bereken de massa van 1 atoom ma = atoommassa · u

3. Bereken aantal atomen N = massa

atoommassa (beide in

Kg)

§5 - Stralingsbelasting

Grootheid: Dosis (D): een maat voor de geabsorbeerde hoeveelheid stralingsenergie; stralingsenergie dat 1 kg van het bestraalde voorwerp heeft geabsorbeerd.Eenheid: Gray (Gy): 1 Gy = stralingsabsorptie van 1 J/kg

D = Estralingmassa

De aangerichte schade in het lichaam hangt af van: de dosis en van de soort straling.Grootheid: Equivalente dosis (H): maat voor de mogelijke schade in het lichaam.Eenheid: sievert (Sv): 1 Sv = 1·103 mSv = 1·106 µSv

H = WR · D

Stralingsweegfactor: getal hangt af van soort straling (Binas T.27D.3).

A = activiteit (Bq)

-(∆ N∆ t ) raaklijn = hellingsgetal (s-1) op tijdstip

A = activiteit (Bq)N = instabiele atoomkernent1/2 = halveringstijdIn2 = logaritme van 2 = 0,693

D = dosis (J/kg of Gy)Estraling = geabsorbeerde stralingsenergie (J)Massa (Kg)

H = equivalente dosis (Sv)WR = stralingsweegfactor (-)D = dosis (Gy)R = 'radiation'

Effecten Hoge equivalente dosis (>5 Sv): stralingsziekte op korte termijn Lage equivalente dosis (<250 mSv): kans op tumorvorming op lange termijn (door beschadigd

DNA)

AchtergrondstralingKosmische straling: snelle deeltjes en γ-straling uit het heelal.Achtergrondstraling: alle (kleine beetjes) straling op aarde.

Bestraling en besmettingBesmetting: radioactieve stoffen die zich in of op het lichaam zitten; uitwendige bestraling.

Alfa- en bètastralingBij botsing van α- en ϐ-straling tegen adnere atomen, wordt telkens een klein deel van hun energie gebruikt voor ioniseren. Hierdoor daalt de snelheid. Dracht: de afstand die α- en ϐ-deeltjes afleggen in een materiaal. Hangt af van: energie van de deeltjes, soort absorberend materiaal.

Röntgen- en gammastralingDe fotonen van röntgen en gammastraling kunnen niet worden afgeremd: ze bewegen altijd met de lichtsnelheid. De fotonen worden wel groten deels geabsorbeerd, hoewel dit nooit volledig is.

Uitwendige bestralingIn lichaam:α-straling : vrijwel ongevaarlijk; dracht erg klein, energie wordt al afgegeven in hoornlaag van huid.ϐ-straling: vrijwel ongevaarlijk; dracht iets groter, maar nog steeds vrijwel onschadelijk.γ-straling: gevaarlijk; dracht erg groot, kan ionisatie veroorzaken.

Inwendige bestralingIn lichaam:α-straling: gevaarlijk; groot ioniserend vermogen in een klein gebied.ϐ-straling: vrijwel ongevaarlijk; matig ioniserend vermogen.γ-straling: ongevaarlijk; laag ioniserend vermogen.

Biologische halveringstijd: de tijd die het kost om de helft van de radioactieve stof via natuurlijke weg uit het lichaam te halen.

StralingsbeschermingTijd: hoe korter het lichaam aan straling wordt blootgesteld, des te kleiner is de opgelopen dosis.Afstand: de radioactieve bron geeft geen evenwijdige bundel straling. Hoe verder weg van de bron, hoe lager de stralingsintensiteit.Afscherming: absorberend materiaal dragen tussen bron en lichaam (beton, lood, enz.)

§6 - Beeldvorming

Zie tabel §3 - Blz 3 Samenvatting

ZIE BINAS TABEL 29!