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

Examenprogramma VWO 2010

Domein: Golven en stralingSubdomein: Radioactiviteit

Samenvatting

Ioniserende straling

ISP

ISP Examenprogramma VWO 2010 2

Inhoud

1 Soorten ioniserende straling2 Radioactief verval3 Effecten van ioniserende straling4 Kernsplijting en kernfusie5 Kernenergie


1 Soorten ioniserende straling

• Atoombouw • Röntgenbuis• Röntgenstraling• Kernstraling• Ioniserend vermogen• Doordringend vermogen• Bronnen• Detectie


Atoombouw

• kern (protonen en neutronen) en elektronenwolk (elektronen in schillen)

• atoomnummer Z: aantal protonen in de kern

• massagetal A: 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)

AZ X


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


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


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

42He

0-1e


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


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


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:

d/dI =I 1/21

d 0 2


Ioniserend en doordringend vermogen

soort straling ioniserend vermogen

doordringend vermogen

• α-straling groot klein• β-straling matig matig• röntgenstraling klein groot• γ-straling klein groot


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


DetectieGeiger-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


DetectieBellenvat

• vat met doorzichtige vloeistof• temperatuur vloeistof vlak onder kookpunt• invallende straling zorgt voor

ionisaties • door drukverlaging gaat de

vloeistof spontaan koken: rondde 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


DetectieDradenkamer

• 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

deeltje

anode-draden

kathode-platen


DetectieDosismeter

• bevat materiaal dat de energievan 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


2 Radioactief verval

• Halveringstijd• Activiteit• Vervalvergelijking


Halveringstijd

• bij radioactief verval verandert een instabiele kern in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling

• de halveringstijd t1/2 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:

t t tN N N1/2/ -λ1

t 0 02= = e

t1/2

ln 2λ =


Activiteit

• de activiteit A 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

NAt

Δ=- Δ

t t tA A A1/2/ -λ1

t 0 02= = e


Vervalvergelijking

• α-verval:

• het α-deeltje is een heliumkern• behoudsprincipes:

massagetal: A = (A – 4) + 4atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2

A AZ Z

-4 4-2 2X Y + He

AZX

A-4Z-2 Y

He42


Vervalvergelijking

• β–-verval:

• het β–-deeltje is een elektron • behoudsprincipes:

massagetal: A = A + 0atoomnummer: 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

A AZ Z

0+1 -1X Y + e

1 1 00 1 -1n p + e

AZX

AZ+1Y

β-

0-1e (β - deeltje)


Vervalvergelijking

• β+-verval:

• het β+-deeltje is een positron: het antideeltje van het elektron

• behoudsprincipes:massagetal: A = A + 0atoomnummer: 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

A AZ Z -

01 1X Y + e

1 1 01 0 1p n+ e

AZX

AZ-1Y

β+


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

A AZ Z

m Y Y +γ

AmZY

AZY

γ


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

A AZ Z -

0-1 1X + e Y

1 0 11 -1 0p + e n


3 Effecten van ioniserende straling

• Bron – straling – ontvanger• Bestraling en besmetting• Dosis en dosisequivalent• Beschermingsmaatregelen• Afwegen van risico’s


Bron – straling – ontvanger

ioniserendestralingbron ontvanger

besmetting

radioactiviteit bestraling

radioactieve stofradioactief vervalactiviteithalveringstijd

soorten stralingioniserend vermogendoordringend vermogen

dosisdosisequivalentabsorptiehalveringsdikte

• schema:


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

ioniserendestralingbron ontvanger

besmetting

radioactiviteit bestraling


Dosis en dosisequivalent

• de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal:

• eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg)• het dosisequivalent H 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

EDm

str=

H =Q D


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


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 Domein: Golven en straling Subdomein: Radioactiviteit Samenvatting

Documents

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