Samenvatting

Ioniserende stralingVWO

Faculteit BètawetenschappenIoniserende Stralen Practicum | ISP

2

Inhoud

1 Soorten ioniserende straling2 Radioactief verval3 Effecten van ioniserende straling4 Medische beeldvorming5 Kernsplijting en kernfusie6 Kernenergie

ISP | VWO

3

1 Soorten ioniserende straling

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

ISP | VWO

4

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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:

ISP | VWO

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

42He

0-1e

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

11

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

13

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

ISP | VWO

14

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 gemaaktISP | VWO

15

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

ISP | VWO

16

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

ISP | VWO

17

2 Radioactief verval

• Halveringstijd• Activiteit• Vervalvergelijking

ISP | VWO

18

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:

ISP | VWO

19

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:

• de vervalkromme geeft Atals functie van t

ISP | VWO

20

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

ISP | VWO

21

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)

ISP | VWO

22

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+

ISP | VWO

23

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

ISP | VWO

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

A AZ Z -

0-1 1X + e Y

1 0 11 -1 0p + e n

ISP | VWO

25

3 Effecten van ioniserende straling

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

ISP | VWO

26

Bron – straling – ontvanger

ioniserendestralingbron ontvanger

besmetting

radioactiviteit bestraling

radioactieve stofradioactief vervalactiviteithalveringstijd

soorten stralingioniserend vermogendoordringend vermogen

dosisequivalente dosisabsorptiehalveringsdikte

• schema:

ISP | VWO

27

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 bestralingISP | VWO

28

Dosis en dosisequivalent

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

• eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg)• de equivalente dosis H 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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

31

4 Medische beeldvorming

• Beeldvormingstechnieken• Stralingsdosis

ISP | VWO

32

Beeldvormingstechnieken

• ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek

(tracer, PET)• geluidsgolven

echografie• radiogolven

magnetic resonance imaging (MRI)

absorptie en transmissie van röntgenstralinguitzenden van γ-straling door tracer bij radioactief verval; annihilatie en terugkaatsen van ultrasone geluidsgolvenuitzenden van radiogolven door waterstofkernen in een magnetisch veld

ISP | VWO

33

Stralingsdosis

• ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek• geluidsgolven

echografie• radiogolven

magnetic resonance imaging (MRI)

klein 0,1 mSvgroot 10 mSvmatig 5 mSv

geen

geen

ISP | VWO

34

5 Kernsplijting en kernfusie

• Bindingsenergie en massadefect• Bindingsenergie per nucleon• Energie bij kernsplijting en kernfusie

ISP | VWO

35

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-energie Eb

• de totale massa van de ‘losse’ nucleonen is groter dan de massa van de kern

• het verschil in massa is het massadefect Δm

• volgens de equivalentie van massa en energie (E = m·c2) geldt:

Eb

ISP | VWO

36

Bindingsenergie per nucleon

• de bindingsenergie Eb gedeeld door het massagetal A is de bindingsenergie per nucleon: Eb/A

• de bindingsenergie pernucleon hangt af vanhet massagetal – en isdus per elementverschillend

• bij fusie van twee lichtekernen en bij splijting van een zware kern komtbindingsenergie vrij

fusie

splijting

ISP | VWO

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-eenheid u

ISP | VWO

38

6 Kernenergie

• Kernsplijting• Kettingreactie• Kernreactor• Splijtstofstaven• Moderator• Regelstaven• Splijtstofcyclus• Kernafval• Veiligheidsaspecten• Milieuaspecten

ISP | VWO

39

Kernsplijting

• 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

235 1 144 89 192 0 56 36 0

235 1 140 94 192 0 54 38 0

U + n Ba + K r +3 nU + n Xe + Sr +2 n

ISP | VWO

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.

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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:

238 1 239 092 0 94 -1U + n Pu+2 e

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

45

Splijtstofcyclus

• schema:

uranium-winning

uranium-verrijking

productiesplijtstofstaven

kerncentrale

opwerkingsplijtstofstaven

radioactiefafval

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

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

ISP | VWO

49ISP | VWO

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