Samenvatting

Ioniserende stralingHAVO

Faculteit BètawetenschappenIoniserende Stralen Practicum | ISP

2ISP | HAVO

Inhoud

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

3

1 Soorten ioniserende straling

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

ISP | HAVO

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)

AZX

ISP | HAVO

5

Röntgenstraling

• bron: röntgenbuis • eigenschappen: ioniserend en doordringend

vermogen• soort straling: fotonen (energie

groter dan fotonenergie bij licht en uv-straling)

ISP | HAVO

6

Kernstraling

• bron: instabiele istopen• eigenschappen: ioniserend en doordringend

vermogen• soort straling: instabiele kern verandert in een

andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling • α-straling: heliumkernen ( ) • β-straling: elektronen ( ) • γ-straling: fotonen (energie groter dan fotonenergie

bij röntgenstraling)

42He

0-1e

ISP | HAVO

7

Ioniserend vermogen

• bij doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen

• stralingsdeeltje (bij α- en β-straling) of foton (bij röntgen- en γ-straling) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie

ISP | HAVO

8

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 | HAVO

9

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 af met de dikte d van het materiaal: na elke halverings-dikte is de intensiteit een factor 2 kleiner

ISP | HAVO

10

Doordringend vermogen

• voor de intensiteit Id van de doorgelaten straling als functie van de dikte d geldt: met

• in deze formule is I0 de intensiteit van de invallende straling

• de doorlaatkromme geeft deintensiteit Id als functie van dedikte d

ISP | HAVO

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 | HAVO

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 | HAVO

13

DetectieGeiger-Müller telbuis

• vooral gevoelig voor β- deeltjes• deeltje veroorzaakt ionisatie van gasatomen in de

telbuis• de vrijgemaakte elektronen leveren een spannings-

puls• elektronische teller telt het aantal

pulsen

ISP | HAVO

14

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 | HAVO

15

2 Radioactief verval

• Halveringstijd• Activiteit• Vervalvergelijking

ISP | HAVO

16

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 af in de loop van de tijd t: na elke halveringstijd is het aantal instabiele kernen een factor 2 kleiner

• voor het aantal instabiele kernen Nt in de loop van de tijd t geldt: met

ISP | HAVO

17

Activiteit

• de activiteit A is het aantal vervallende kernen per seconde

• eenheid: becquerel (Bq)• de activiteit At neemt af in de loop van de tijd t: na

elke halveringstijd is de activiteit een factor 2 kleiner

• de vervalkromme geeft de activiteit At als functie van de tijd t

ISP | HAVO

18

Activiteit

• voor de activiteit At van een radioactieve bron in de loop van de tijd t geldt: met

• in deze formule is A0 de activiteit op het tijdstip t = 0 s

ISP | HAVO

19

Activiteit

• de activiteit At van een radioactieve bron op het tijdstip t is de helling van de raaklijn op dat tijdstip in het N,t-diagram:

• voor de gemiddelde activiteitAgem over een periode Δt geldt:

N0Nt

ISP | HAVO

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 | HAVO

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 | HAVO

22

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 ZmY Y +γ

AmZY

AZY

γ

ISP | HAVO

23

3 Effecten van ioniserende straling

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

ISP | HAVO

24

Bron – straling – ontvanger

ioniserendestralingbron ontvanger

besmetting

radioactiviteit bestraling

radioactieve stofradioactief vervalactiviteithalveringstijd

soorten stralingioniserend vermogendoordringend vermogen

dosisequivalente dosisabsorptiehalveringsdikte

• schema:

ISP | HAVO

25

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 | HAVO

26

Dosis en equivalente dosis

• 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 | HAVO

27

Dosis en equivalente dosis

rekenvoorbeeld• lichaamsweefsel met een massa van 5 kg absorbeert

bij bestraling met α-straling 0,05 J stralingsenergie • dosis:• equivalente dosis:

ISP | HAVO

28

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 | HAVO

29

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 | HAVO

30

4 Medische beeldvorming

• Beeldvormingstechnieken• Stralingsdosis

ISP | HAVO

31

Beeldvormingstechnieken

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

echografie• radiogolven

magnetic resonance imaging (MRI)

absorptie en transmissie van röntgenstralinguitzenden van γ-straling door tracer bij radioactief verval

terugkaatsen van ultrasone geluidsgolvenuitzenden van radiogolven door waterstofkernen in een magnetisch veld

ISP | HAVO

32

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 | HAVO

33

5 Kernenergie

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

ISP | HAVO

34

Kernsplijting

• bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten

• een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235:

• 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 | HAVO

35

Kernsplijtingsenergie

• bij kernsplijting is sprake van een massadefect: de totale massa van de kernen en losse kerndeeltjes is na de splijting kleiner dan voor de splijting

• de ‘verdwenen’ massa – of: het massadefect m – is bij de splijting volgens de equivalentie van massa en energie omgezet in energie:

• deze energie komt vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten

• het massadefect m is te berekenen uit de atoom-massa’s en de atomaire massa-eenheid u

ISP | HAVO

36

Kernsplijtingsenergie

rekenvoorbeeld• splijtingsreactie:• voor splijting na splijting

• massadefect: m = 0,198·u = 0,198·1,66·10–27 = 3,29·10–28 kg

isotoop massa isotoop massa235,044·u 139,921·u

93,915·u 1,008·u 2,017·u

totaal 236,052·u totaal 235,854·u

235 1 140 94 192 0 54 38 0U+ n Xe+ Sr +2 n

23592U

10n

14054 Xe9438Sr

102 n

ISP | HAVO

37

Kernsplijtingsenergie

rekenvoorbeeld (vervolg)• massadefect:

m = 0,198·u = 0,198·1,66·10–27 = 3,29·10–28 kg• energie:

E = m·c2 = 3,29·10–28·(3,00·108)2 = 2,96·10–11 J • energie in elektronvolt (eV): 1 eV = 1,60·10–19 J

1 J = 1/1,60·10–19 = 6,25·1018 eV• energie:

E = 2,96·10–11·6,25·1018 = 1,85·108 eV = 185 MeV• bij de splijting van U-235 in Xe-140 en Sr-94 komt dus

185 MeV energie vrij

ISP | HAVO

38

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 | HAVO

39

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 | HAVO

40

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 | HAVO

41

Moderator

• voor splijting van een uraniumkern is een langzaam neutron nodig

• de neutronen die ontstaan bij splijting van een uraniumkern hebben een grote snelheid

• om deze neutronen zodanig af te remmen dat ze een nieuwe uraniumkern kunnen splijten – en zo de kettingreactie in stand kunnenhouden – is een moderator nodig

• in een kerncentrale is de moderator meestal water

ISP | HAVO

42

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 | HAVO

43

Splijtstofcyclus

• schema:

uranium-winning

uranium-verrijking

productiesplijtstofstaven

kerncentrale

opwerkingsplijtstofstaven

radioactiefafval

ISP | HAVO

44

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 | HAVO

45

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 | HAVO

46

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 | HAVO

47

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

ISP | HAVO