reader Radioactiviteit

Radioactiviteit.

Vragen vooraf.

Met deze vragenlijst willen we inzicht krijgen in de ideeën die mensen hebben over radioactiviteit en straling. Het is geen kennistoets maar een poging te weten te komen welke voorstellingen mensen hebben over dergelijke zaken die sinds lange tijd sterk in de belangstelling staan.Nadat het hoofdstuk behandeld is, word je verzocht de vragen nog een keer te maken om te zien in hoeverre je kennis al correct was of juist is toegenomen.

Opgave 1.Leerlingen leggen tijdens een experiment een appel voor een röntgenbuis en bekijken het doorlichten van de appel. Het opeten van de appel is daarna:a. gevaarlijk, omdat de appel straling bevatb. enige tijd gevaarlijk, zolang de straling in de appel nog actief isc. ongevaarlijk

Opgave 2.Radioactieve besmetting van een mens wil zeggen:a. dat de mens teveel straling bevatb. dat de mens teveel radioactieve stof bevat c. beide

Opgave 3.Na verblijf in een radioactief besmet gebied, is het goed te douchena. om eventuele straling er af te spoelenb. om eventuele radioactieve stoffen te verwijderenc. om eventuele straling en radioactieve stoffen eraf te spoelend. maar niet om bovenstaande redenen

Opgave 4.In een ruimte waar röntgenfoto's worden gemaakt staat een afzuiginstallatie. Wat is de beste periode om de afzuiginstallatie te laten werken met het oog op vermindering van het stralingsgevaar: a. telkens als een foto wordt gemaaktb. zolang er patiënten en personeel in de ruimte zijn c. dag en nachtd. hoeft om die reden niet aan te staan

Opgave 5.Hoe lang blijft de straling actief in het lichaam van een patiënt die door een uitwendige bron is bestraald?a. nul weken b. enkele wekenc. niet te zeggen

Opgave 6.Zwangere vrouwen krijgen het advies voorzichtig te zijn met het laten maken van röntgenfoto's:a. omdat de straling via het bloed en de placenta ook de ongeboren vrucht kan bereikenb. omdat de straling rechtstreeks de ongeboren vrucht schade kan toebrengen c. om beide genoemde redenen

Opgave 7.Bij welke patiënten kun je beter niet te dicht in de buurt komen?a. bij mensen die een radioactieve stof toegediend hebben gekregenb. bij mensen die door een radioactieve bron uitwendig bestraald zijnc. bij beiden d. onzin, beiden mag je benaderen

Opgave 8.In sommige industrieën is het gebruikelijk gevarengeld toe te kennen als iemand extra risico's loopt. Veronderstel dat schoonmakers van een röntgenafdeling in een ziekenhuis dit geld claimen vanwege het extra risico dat ze 's avonds lopen bij het schoonmaken van de afdeling:a. dat is terecht omdat de straling niet helemaal is verdwenenb. dat is terecht omdat de lucht niet helemaal is gezuiverd c. dat is terecht om beide bovengenoemde redenen d. dat is onterecht

Opgave 9.Zoals je misschien weet, is het niet aan te raden in korte tijd (bijvoorbeeld een half jaar) meerdere röntgenfoto's te laten maken zonder dringende noodzaak. Dat advies is gebaseerd op het feit data. straling enige tijd in het lichaam blijft b. alle straling een klein risico met zich meebrengt

Opgave 10.Geef van de onderstaande beweringen aan of ze juist of onjuist zijn.a. Van straling word je ziekb. Als je bestraald wordt, word je radioactiefc. Straling wordt alleen door mensen gemaaktd. Straling kan door de wind worden verspreide. in voedsel kan straling worden opgeslagenf. radioactieve stoffen zenden straling uitg. radioactieve straling bestaat nieth. als je naast een radioactieve bron staat, raak je besmet

Radioactiviteit

Opbouw van stoffen (herhaling)

Nagenoeg alles om je heen wat je kunt bedenken is gemaakt van een stof. Dit kunnen vaste stoffen, vloeistoffen of gasvormige stoffen zijn. Al deze stoffen zijn opgebouwd uit kleine deeltjes. Deze deeltjes heten de moleculen.

Pas veel later en bij het vak scheikunde worden deze moleculen uitgebreid behandeld. Vooralsnog kun je volstaan door te zeggen dat ijzer bestaat uit ijzermoleculen en water uit watermoleculen.

Deze moleculen zijn echter weer opgebouwd uit nog kleinere deeltjes, namelijk de atomen.Meestal zijn de onderstaande moleculen al bekend:Water H2O bestaat uit twee atomen waterstof H en één zuurstofatoom OKoolstofdioxide CO2 bestaat uit een koolstofatoom C en twee zuurstofatomen OKoolstofmono-oxide of koolmonoxide CO bestaat uit een koolstofatoom C en zuurstofatoom O

Er zijn ruim honderd verschillende atoomsoorten en de combinaties van deze atomen levert eenzeer groot aantal moleculen (stoffen) op. Er zijn vele miljoenen verschillende combinatiesmogelijk.

Atomen blijken op hun beurt weer opgebouwd te zijn uit nog kleinere deeltjes, namelijk:

protonen p (positieve + lading) die in een atoomkern zittenneutronen n (neutrale 0 lading)

elektronen e (negatieve – lading) die om de atoomkern heen cirkelen.

Zoals gezegd, zijn er ruim honderd verschillende atomen. Dit onderscheid wordt in eerste instantie bepaald door het aantal protonen. Een aantal voorbeelden.Heeft een atoomkern slechts één proton, dan is het waterstof HHeeft het atoomkern twee protonen, dan is het helium HeHeeft het atoomkern drie protonen, dan is het lithium LiEn zo gaat het dus door….Deze staan gesorteerd in het periodiek systeem van de elementen, welke op de volgende bladzijde te zien is.

Het aantal neutronen in de kern kan echter anders zijn.Atomen met eenzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen, noemen we isotopen. Hieronder zie je een aantal isotopen als model uitgetekend.

Alle protonen hebben een positieve lading. Deze stoten elkaar af. Op een bepaalde manier zorgen de neutronen er voor dat de protonen en neutronen in de kern bij elkaar blijven. De neutronen werken dus als een ‘soort lijm’ voor de protonen.

Helemaal aan het einde van de reader is een bijlage geplaatst waar de isotopen met soort straling en halveringstijd worden genoemd.

Opbouw van een atoom

Een atoom is altijd neutraal. Daarom zijn er bij een atoom evenveel protonen (positieve deeltjes) als elektronen (negatieve deeltjes). Indien dit niet zo is, heet het geen atoom, maar een ion.Hieronder zie je een model van hoe water is opgebouwd in de verschillende deeltjes.

In dit hoofdstuk gaan we niet in op het delen van elektronen en andere verbindingen.

Scheikundige notatie van een atoom

In het model zoals net genoemd zie je onder meer een zuurstofatoom, symbool O (van Oxygen).Dit atoom blijkt 8 protonen en ook 8 neutronen in de kern te hebben en ook 8 elektronen om de kern heen. De scheikundige notatie van dit atoom is:

Het bovenste getal geeft het aantal deeltjes in de kern (dus protonen + neutronen)Het onderste getal geeft aan hoeveel van deze deeltjes een proton zijn.

Hieronder een ander zuurstofatoom

Dit atoom heeft dus: 8 protonen (onderste getal)9 neutronen (17 – 8) 8 elektronen (bij een atoom dus gelijk aan het aantal protonen)

En heet: O = Oxygen = zuurstof

Opgave 11. Het molecuul van glucose (suiker) is C6H12O6 a. Uit hoeveel verschillende atoomsoorten bestaat dit molecuul?b. Hoeveel atomen is er van ieder soort?

Opgave 12.Hieronder zie je een atoom van koolstof.

- Bepaal het aantal protonen, neutronen en elektronen.

Ion

Zoals eerder vermeld heeft een atoom evenveel positieve protonen in de kern als negatieve elektronen om de kern. Een atoom is daarom altijd elektrisch neutraal.Het is echter relatief eenvoudig om een elektron toe te voegen of juist weg te halen.Het aantal protonen en elektronen is dan niet meer gelijk. In dat geval heet het geen atoom meer, maar een ion.Een atoom met een overschot aan elektronen noemen we een negatief ionEen atoom met een tekort aan elektronen noemen we een positief ion

Elektromagnetische straling:In de ons omringende natuur kennen we vele soorten straling, zoals radiogolven, radar, laser, licht, warmte en ultraviolette straling van de zon. Deze vorm van straling, ook wel elektromagnetische straling of EM-straling genoemd, is te zien als een golfverschijnsel dat zich met de snelheid van het licht door de ruimte verplaatst. De energie van deze elektromagnetische golven hangt af van hun frequentie (aantal trillingen per seconde) of samenhangende golflengte. Zo gaat onze datacommunicatie grotendeels met behulp van deze EM-straling, waarbij wij satellieten als ontvanger en/of zender gebruiken.

Ioniserende straling:De hierboven genoemde straling is niet de vorm van straling die we bedoelen als we het over radioactiviteit hebben. Bij radioactiviteit hebben we het over ioniserende straling.

Alle straling bezit energie. De energie van ioniserende straling is zo groot dat deze in staat is om, bij passage door het medium waardoor de straling gaat, één of meer elektronen van een atoom of molecuul te verwijderen waardoor het achtergebleven atoom of molecuul één of meer positieve ladingen krijgt. Het vervolgens ontstane atoom of molecuul kan zich nu binden met andere atomen of moleculen. Daardoor is ioniserende straling in staat biologische effecten te veroorzaken. Zo kunnen alle soorten ioniserende straling levende weefsels beschadigen, weefsels met veel celdelingen zijn hier het gevoeligst voor. Ioniserende straling wordt dus ook bewust gebruikt om cellen te doden, zoals bij radiotherapie het geval is. Voorbeelden van ioniserende straling zijn röntgenstraling, alfastraling, bètastraling en gammastraling.

LET OP: Radioactief wil zeggen dat er straling uitgezonden KAN worden. De straling zelf zendt op haar beurt niet ook nog een keer straling uit. De term ‘radioactieve straling’ die sommige mensen gebruiken is dus fout! Een stof kan radioactief zijn, de straling kan ioniseren en heet dan ook ioniserende straling.

Röntgenstraling werd in 1895 ontdekt door W.C. Röntgen. Hij ontdekte dat je met deze stralen o.a. de botten in een hand kon fotograferen. Met name de medische wereld was geïnteresseerd in deze nieuwe straling, omdat men hiermee het inwendige van de mens kon bekijken zonder hem open te snijden. Zelf noemde Röntgen zijn ontdekking X-stralen. Officieel is deze naam gewijzigd maar zo hier en daar kom je de naam X-stralen nog wel tegen. De belangrijkste eigenschap van röntgenstraling is, dat zij bij het passeren van materie verzwakt wordt, doordat een deel van de straling wordt geabsorbeerd en verstrooid. De verzwakking is afhankelijk van de aard van de te doordringen materie (atoomnummer, dichtheid en dikte) en van de gemiddelde hardheid van het stralenmengsel. Energierijke (harde) röntgenstralen (korte golflengte) hebben een groot doordringingvermogen, energiearme (zachte) röntgenstralen (lange golflengte) een gering doordringingvermogen.

Röntgenstraling is een elektromagnetische straling die bijvoorbeeld ontstaat door elektronovergangen in de elektronenschil of als gevolg van afremming van elektronen. Zo worden in een röntgenbuis elektronen door een hoge gelijkspanning versneld en op een metaalelektrode geschoten, waar zij door de materie worden afgeremd met als resultaat de uitgezonden röntgenstraling.

AlphastralingAlpha en bèta straling zijn geen (elektromagnetische) golven. Het zijn energierijke deeltjes die uitgestoten worden uit onstabiele atoomkernen. Bij alphastralen zijn de deeltjes relatief groot en zwaar. Het zijn heliumatomen(kernen) bestaande uit twee protonen en twee neutronen. Alphastralen hebben nauwelijks tot geen doordringend vermogen en worden snel afgeremd. Een blad papier of een luchtlaag van 3 cm kan de alfastralen al tegen houden.

Alpha straling ( α ): bestaat uit twee protonen en twee neutronen, notatie

Hierboven zie je dus het isotoop Uranium-238 vervallen doordat deze alpha-straling uitzendt.Hierdoor verandert het aantal protonen en dus de soort stof en ontstaat Thorium-234.Hieronder de bijbehorende vervalvergelijking.

BètastralingBètastraling is de door atoomkernen uitgezonden straling, bestaande uit elektronen, bij een radioactief vervalproces. Bètastralen worden goed geabsorbeerd door een laag materie van geringe dikte (bijv. enkele millimeters aluminium of 2 cm kunststof ).

Bèta straling ( β ): bestaat uit één elektron, notatie

Anders gezegd. Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen. Bij bèta straling zal eenneutron (0) in de kern zich opsplitsen in een proton (+) en een elektron (-).Een elektron mag niet in de kern aanwezig zijn en wordt weggeschoten, dit is de straling. Het overgebleven proton blijft in de kern. Er is nu dus één proton meer in de kern, dus het is een andere stof!

Hieronder het voorbeeld waarin de Thorium-234 bèta straling uitzendt, waardoor de kern van Protactinium (Pa) ontstaat. De vervalvergelijking is nu:

GammastralingIn bepaalde kernen zitten de nucleonen als het ware ongelukkig geschikt. Door de γ-straling of hoog energetische elektromagnetische straling met een snelheid van 300.000 km/s uit te zenden gaan de nucleonen zich herschikken tot een meer stabiele vorm. In tegenstelling tot bij alfa en beta straling worden hierbij geen deeltjes uitgezonden en treedt er geen transmutatie op. Soms worden de onstabiele kernen aangeduid door een m naast het massagetal te plaatsen, wij zullen dan niet doen.

Gammastraling is dus elektromagnetische straling, meestal met zeer kleine golflengte, die door vele soorten atoomkernen uitgestraald wordt. In tegenstelling tot röntgenstraling vindt gammastraling zijn oorsprong in een atoomkern. Gammastraling is zeer doordringend en laat zich het best afzwakken door zware materialen (zoals lood). Gammastraling is in feite straling bestaande uit energie.; dit komt terug in de vervalvergelijking

Gamma straling ( γ ): bestaat niet uit deeltjes, maar uit energie, notatie

Hieronder de vervalvergelijking van Thorium-234 na het uitzenden van gamma-straling.

Vervalvergelijkingen

Wanneer een radioactief atoom zijn straling uitzend, zal er vaak een geheel ander atoom over blijven. Een vervalvergelijking geeft aan welk atoom er overblijft.

Hieronder van iedere straling een voorbeeld van de bijbehorende vervalvergelijking.

Opgave 13.a. Uit hoeveel deeltjes bestaat alpha-straling?b. Uit hoeveel deeltjes bestaat gamma-straling?c. De stof is een bèta-straler. Geef de vervalvergelijking. (de stof Ba ontstaat)

Opdracht 14.Geef van de onderstaande isotopen de vervalvergelijking:

Een stof bestaat uit ontzettend veel atoomkernen. Het komt voor dat een stof radioactief is, maar verschillende soorten straling kan uitzenden. Dit doordat niet iedere kern dezelfde straling uitzendt.In zo’n situatie staat er in de tabel meerdere stralingen genoemd.Noteer in zo’n geval voor iedere straling de vervalvergelijking.

Voorbeeld.Strontium 89 kan zowel bèta-straling als gamma-straling uitzenden.We noteren dan:

Opdracht 15.Noteer de vervalvergelijking voor:

Wanneer je opdracht 15 correct hebt uitgevoerd, dan heb je ontdekt dat er andere stoffen gecreëerd zijn. Dit natuurlijk voornamelijk als gevolg van het wijzigen van het aantal protonen. Wanneer men echter naar de nieuwe stoffen kijkt, ontdekt men dat een aantal van deze ook weer radioactief is.Zodoende is het dus mogelijk om een tweede, derde of volgende vervalvergelijking te maken. Dit gaat net zo lang door totdat er een stabiele kern gevonden wordt, die geen straling kan uitzenden.In dit hoofdstuk zal hoogstens gevraagd worden de eerste twee vervalvergelijkingen te noteren.

Wel is het mogelijk om in plaats van een vervalvergelijking te noteren, gebruik te maken van een diagram. Kijk goed na de grootheden bij de assen en zodoende kan men na eenmaal rustig het resultaat van een straling gevonden te hebben, vrij snel doorwerken naar de volgende vervalvergelijkingen

Kijken we naar één enkele vervalvergelijking dan kan deze er zoals hieronder uitzien:

Nadat is ontdekt hoe het verval van alpha, of bèta er in het diagram uitziet, kun je deze ‘pijl’ daarna direct overnemen wanneer je weet welke straling bij het volgende verval komt.

Opdracht 16.Hieronder is een diagram met daarin een bepaald isotoop.a. Welke isotoop is ditb. Teken de vervalvergelijking van dit isotoop in het diagram

Opdracht 17.Neem onderstaande grafiek over en maak deze af totdat er geen verval meer is.De cirkel om het punt geeft aan dat er ook verval door gamma-straling is.

Halveringstijd

Wanneer je met een dobbelsteen gooit weet je niet precies wanneer je bijvoorbeeld een drie gooit.Wel is er een aardige kans dat wanneer je zes keer gooit er waarschijnlijk wel een keer een drie gegooid is. Indien je zestig keer gooit, zul je waarschijnlijk ieder getal tien keer gegooid hebben. We begrijpen allemaal dat dit echter ook anders kan zijn.Zo gaat het ook met het uitzenden van de ioniserende straling van radioactieve stoffen. Er is niet exact te voorspellen wanneer een radioactief deeltje vervalt, maar er is wel een indicatie wanneer hoogstwaarschijnlijk de helft van de deeltjes hun ioniserende straling uitgezonden hebben.

De halveringstijd, ook wel halfwaardetijd genoemd, is de tijd die het duurt totdat de helft van de aanwezige radioactieve isotopen vervallen is. De halveringstijd verschilt van isotoop tot isotoop en kan varieren van extreem kort (een fractie van een seconde bij Beryllium-8 bijvoorbeeld) tot extreem lang (miljarden jaren bij Uranium-238 bijvoorbeeld)

Voorbeeld.Een stof X heeft een halveringstijd van 20 jaar (t½ = 20 j) en er zijn 32000 actieve deeltjes. Dan geldt:

Tijd (jaren) Aantal actieve deeltjes Procentueel nog actief0 32.000 100 %20 16.000 50 %40 8.000 25 %60 4.000 12,5 %80 2.000 6,25 %

Bestraald of besmet.Een radioactieve bron kan straling uitzenden. Wanneer je in de buurt van zo’n bron staat, kan de straling je raken. We noemen dit radioactief bestraald. Door een afstand tot de bron te creëren of door bepaalde stoffen tussen jou en de bron te houden, kun je de bestraling al tegengaan.

Wanneer een radioactieve bron echter op of in je zit, dan kun je er niet van weglopen. Op zo’n moment noemen we de persoon radioactief besmet.

Dracht, doordringend vermogen en ioniserend vermogenInmiddels is duidelijk dat straling verschilt in wel of geen deeltje, soms klein en soms ‘groot’ deeltje en de snelheid kan ook nog eens verschillen. Al deze eigenschappen bepalen wat een bepaalde straling gaat doen, wanneer zo’n deeltje een stof raakt. Ook de stof die geraakt wordt maakt uit.

Alpha straling bestaat uit vier relatief grote deeltjes, terwijl bèta straling uit één klein deeltje bestaat. Wanneer deze beide doordringen in een stof, uiteraard bestaande uit moleculen, dan is de kans dat alpha straling op deze moleculen botst vele malen groter dan dat bèta straling botst. Dracht is hoever een deeltje gemiddeld komt voordat het geabsorbeerd wordt door een stof.

De straling die doordringt heeft altijd energie, voornamelijk bepaald door het soort straling en de bijbehorende snelheid. Wanneer deze straling bij de atomen van een stof komt, kan het zijn dat met deze energie een elektron van het atoom laat ontsnappen. Het aantal protonen en elektronen van dit atoom is dan niet meer gelijk en het atoom heet nu ion. Met ioniserend vermogen wordt bedoeld hoe goed straling in staat is om de atomen waar het deeltje langskomt te ioniseren.

Alpha- en beta-straling kan volledig geabsorbeerd worden in een materiaal. Bij gamma- en röntgenstraling kan dit echter niet. Hoeveel procent er wel wordt geabsorbeerd heeft te maken met de halveringsdikte Halveringsdikte wordt dus meestal gebruikt als het over elektromagnetische straling (zoals gamma straling) gaat. Niet elke gamma straling heeft dezelfde energie. De energie is onder andere afhankelijk van het atoom waar het uit ontstaat. Hoe meer energie er in de gamma straling zit hoe groter het doordringend vermogen (en hoe groter de halveringsdikte moet worden).De halveringsdikte is dus de benodigde dikte van een materiaal, die de intensiteit van invallende straling door absorptie en verstrooiing tot de helft terugbrengt.

Bij straling bestaande uit deeltjes wordt meestal gesproken over dracht. Dracht is de maximale afstand die het deeltje in een materiaal kan afleggen.Het materiaal dat de straling moet tegenhouden is ook van belang. Hoewel niet helemaal juist is een goede vuistregel dat hoe groter de dichtheid, hoe beter de straling wordt tegengehouden.

Soort straling ioniserend vermogen Doordringend vermogen en dracht

Alpha straling groot klein

Bèta straling matig matig

Gamma straling klein groot

Röntgen straling klein groot

Opgave 18.Na 24 uur is er 12,5% van een radioactieve stof over.Berken de halveringstijd.

Opgave 19.Hieronder zie je een atoomkern en drie soorten stralingen, genaamd I, II en III.Geef van iedere straling aan waar deze uit bestaat en hoe de stralingssoort heet.

Opdracht 20.Hieronder zie je tweemaal een verval van een isotoop.Noteer voor iedere illustratie de bijbehorende vervalvergelijking.

a.

b.

Opgave 21a. Wat is de halveringstijd van Fosfor-33?b. Je begint met een hoeveelheid van 100 mg Fosfor-33. Na hoeveel tijd is 75 mg hiervan

vervallen?c. Hoeveel van de 100 mg fosfor-33 is er nog over na een jaar?

Opgave 22.Lood heeft een halveringsdikte van 1,0 cm voor bepaalde gamma straling. De meester wil een radioactieve gamma straler opbergen in de kast. Hiervoor gebruikt hij een kistje van lood met wanden van 4 cm dikte.Bereken hoeveel straling er buiten het doosje waarneembaar is (geef je antwoord met de eenheid [%])

Opgave 23.In een fabriek worden staalplaten gemaakt. Hiervoor worden persen gebruikt die een stuk staal platdrukt tot het de gewenste dikte heeft. Om de dikte te meten gebruiken ze een radioactieve bron en een stralingsmeter.a. Welke straling is hiervoor het meest geschikt?b. De staalplaat heeft, voor deze straling, een halveringsdikte van 2,5cm. Wat gebeurt er met de

stralingsmeter als de plaat dikker is dan 2,5cm?

Opgave 24.Rond de beschadigde kerncentrale van Fukushima in Japan werd een “restricted area/evacuation area” afgekondigd van 20 km. a. Als de halveringsdikte van lucht voor gamma straling 15000 cm bedraagt, hoeveel is de

straling dan ongeveer afgenomen op 20 km afstand? b. Kan je met deze gegevens zeggen dat 20 km een geschikte afstand is? c. Zijn er misschien nog andere redenen (dan alleen gamma straling) die een veiligheidszone

van 20 km (on)nodig maken?

Opgave 25.Om werknemers (en soms patiënten) in een ziekenhuis te beschermen dragen ze vaak een lood schort. Dit is een schort met daarin een loodlaag. a. Als in een ziekenhuis een soort straling gebruikt wordt waarvoor lood een halveringsdikte

heeft van 0,1 mm hoe dik moet de loodlaag dan zijn om meer dan 80% bescherming te bieden?

b. Heeft het zin om een loodschort te gebruiken met 0,5 mm lood er in verwerkt? c. Heeft een loodschort met een 0,5 mm dikke loodlaag ook nog nadelen in het gebruik?

Maak eventueel gebruik van onderstaande grafiek:

Opdracht 26.We zijn dit hoofdstuk begonnen met 10 vragen om je inzicht te testen voordat je aan dit hoofdstuk begon.Bekijk deze vragen nog eens en geef eventueel een corrigerend antwoord indien nodig.