Faculteit Btawetenschappen Ioniserende Stralen Practicum ISP Samenvatting Ioniserende

Faculteit Bètawetenschappen Ioniserende Stralen Practicum | ISP Samenvatting Ioniserende straling VWO

Inhoud 1 2 3 4 5 6 Soorten ioniserende straling Radioactief verval Effecten van ioniserende straling Medische beeldvorming Kernsplijting en kernfusie Kernenergie ISP | VWO 2

1 Soorten ioniserende straling • Atoombouw • Röntgenbuis • Röntgenstraling • Kernstraling • Ioniserend vermogen • Doordringend vermogen • Bronnen • Detectie ISP | VWO 3

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) ISP | VWO 4

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 5

Röntgenstraling ISP | VWO 6

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 elektron • γ-straling: fotonen – ontstaat doordat de atoomkern vanuit een aangeslagen toestand terugvalt naar de grondtoestand ISP | VWO 7

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 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 stralingsdeeltje en de dichtheid van het materiaal ISP | VWO 9

Doordringend vermogen ISP | VWO 10

Ioniserend en doordringend vermogen soort straling ioniserend doordringend vermogen • α-straling groot klein • β-straling matig klein matig groot • röntgenstraling • γ-straling ISP | VWO 11

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 12

Detectie Geiger-Müller telbuis • gasgevulde metalen cilinder (kathode) met op de cilinderas een metalen draad (anode) • spanning van 1 k. V • vooral gevoelig voor βdeeltjes • 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 13

Detectie Bellenvat • vat met doorzichtige vloeistof • temperatuur vloeistof vlak onder kookpunt • invallende straling zorgt voor ionisaties • door drukverlaging gaat de vloeistof spontaan koken: rond de ionen vormen zich dampbellen • banen van de deeltjes zijn zichtbaar als bellenspoor • gekromde banen onder invloed van magnetisch veld • meestal wordt een foto van het bellenspoor gemaakt ISP | VWO 14

Detectie Dradenkamer • 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 kathode-platen anode-draden ISP | VWO 15

Detectie Dosismeter • bevat materiaal dat de energie van 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 16

2 Radioactief verval • Halveringstijd • Activiteit • Vervalvergelijking ISP | VWO 17

Halveringstijd ISP | VWO 18

Activiteit ISP | VWO 19

Vervalvergelijking • α-verval: • het α-deeltje is een heliumkern • behoudsprincipes: massagetal: A = (A – 4) + 4 atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2 ISP | VWO 4 2 A Z X A-4 Z-2 Y He 20

Vervalvergelijking • β–-verval: • het β–-deeltje is een elektron • behoudsprincipes: β massagetal: A = A + 0 atoomnummer: Z = (Z + 1) – 1 • bij β–-vervalt een neutron in de kern tot een proton en elektron: A Z X A Z+1 Y • het elektron wordt door de kern uitgestoten ISP | VWO 21

Vervalvergelijking • β+-verval: • het β+-deeltje is een positron: het antideeltje van het A elektron ZX • behoudsprincipes: + β massagetal: A = A + 0 atoomnummer: Z = (Z – 1) + 1 A Z-1 Y + • bij β -vervalt een proton in de kern tot een neutron en een positron: • het positron wordt door de kern uitgestoten ISP | VWO 22

Vervalvergelijking • γ-verval: Am Z Y A Z Y γ • 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 ISP | VWO 23

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 röntgenfoton ISP | VWO 24

3 Effecten van ioniserende straling • Bron – straling – ontvanger • Bestraling en besmetting • Dosis en equivalente dosis • Beschermingsmaatregelen • Afwegen van risico’s ISP | VWO 25

Bron – straling – ontvanger • schema: besmetting ioniserende straling bron radioactiviteit radioactieve stof radioactief verval activiteit halveringstijd ISP | VWO ontvanger bestraling soorten straling ioniserend vermogen doordringend vermogen dosis equivalente dosis absorptie halveringsdikte 26

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 besmetting ioniserende straling bron radioactiviteit ISP | VWO ontvanger bestraling 27

Dosis en dosisequivalent ISP | VWO 28

Beschermingsmaatregelen • de jaarlijkse equivalente dosis van zo’n 2 m. Sv 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 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 | VWO 30

4 Medische beeldvorming • Beeldvormingstechnieken • Stralingsdosis ISP | VWO 31

Beeldvormingstechnieken • ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek (tracer, PET) • • geluidsgolven echografie • radiogolven magnetic resonance imaging (MRI) ISP | VWO 32

Stralingsdosis • ioniserende straling klein röntgenfotografie computertomografie (CT) groot nucleaire diagnostiek matig • geluidsgolven echografie • radiogolven magnetic resonance imaging (MRI) ISP | VWO 0, 1 m. Sv 10 m. Sv 5 m. Sv geen 33

5 Kernsplijting en kernfusie • Bindingsenergie en massadefect • Bindingsenergie per nucleon • Energie bij kernsplijting en kernfusie ISP | VWO 34

Bindingsenergie en massadefect Eb ISP | VWO 35

Bindingsenergie per nucleon • de bindingsenergie Eb gedeeld door het massagetal A is de bindingsenergie per nucleon: Eb/A • de bindingsenergie per nucleon hangt af van het massagetal – en is dus per element splijting verschillend fusie • bij fusie van twee lichte kernen en bij splijting van een zware kern komt bindingsenergie vrij ISP | VWO 36

Energie bij kernsplijting en kernfusie • ISP | VWO 37

6 Kernenergie • Kernsplijting • Kettingreactie • Kernreactor • Splijtstofstaven • Moderator • Regelstaven • Splijtstofcyclus • Kernafval • Veiligheidsaspecten • Milieuaspecten ISP | VWO 38

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 massadefect: 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 ISP | VWO 39

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 40

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 elektrische energie ISP | VWO 41

Splijtstofstaven • in de kernreactor zit de splijtstof (U-235) in splijtstofstaven • 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: ISP | VWO 42

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 43

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 44

Splijtstofcyclus • schema: productie splijtstofstaven uraniumverrijking uraniumwinning ISP | VWO kerncentrale opwerking splijtstofstaven radioactief afval 45

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 bovengronds 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 46

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 47

Milieuaspecten • bij normaal functioneren levert een kerncentrale een extra stralingsdosis van niet meer dan 10 μSv per jaar 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 brandstof (aardgas, aardolie en steenkool) zijn eindig • een thermische centrale (op fossiele brandstof) draagt bij aan versterking van het broeikaseffect, een kerncentrale levert hoogradioactief kernsplijtingsafval ISP | VWO 48

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 | VWO 49