Faculteit Btawetenschappen Ioniserende Stralen Practicum ISP Samenvatting Ioniserende

Faculteit Bètawetenschappen Ioniserende Stralen Practicum | ISP Samenvatting Ioniserende straling HAVO

Inhoud 1 2 3 4 5 Soorten ioniserende straling Radioactief verval Effecten van ioniserende straling Medische beeldvorming Kernenergie ISP | HAVO 2

1 Soorten ioniserende straling • • Atoombouw Röntgenstraling Kernstraling Ioniserend vermogen Doordringend vermogen Bronnen Detectie ISP | HAVO 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 | HAVO 4

Röntgenstraling • bron: röntgenbuis • eigenschappen: ioniserend en doordringend vermogen • soort straling: fotonen (energie groter dan fotonenergie bij licht en uv-straling) ISP | HAVO 5

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) ISP | HAVO 6

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 7

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 | HAVO 8

Doordringend vermogen • röntgen- en γ-straling: halveringsdikte • halveringsdikte d 1/2: afstand waarover een materiaal de helft van de invallende fotonen heeft geabsorbeerd – 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 halveringsdikte is de intensiteit een factor 2 kleiner ISP | HAVO 9

Doordringend vermogen ISP | HAVO 10

Ioniserend en doordringend vermogen • soort straling ioniserend vermogen doordringend vermogen α-straling groot klein matig groot β-straling • röntgenstraling • γ-straling • ISP | HAVO 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 | HAVO 12

Detectie • • Geiger-Müller telbuis vooral gevoelig voor β-deeltjes deeltje veroorzaakt ionisatie van gasatomen in de telbuis de vrijgemaakte elektronen leveren een spanningspuls elektronische teller telt het aantal pulsen ISP | HAVO 13

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 | HAVO 14

2 Radioactief verval • Halveringstijd • Activiteit • Vervalvergelijking ISP | HAVO 15

Halveringstijd ISP | HAVO 16

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 17

Activiteit ISP | HAVO 18

Activiteit N 0 Nt ISP | HAVO 19

Vervalvergelijking • α-verval: • het α-deeltje is een heliumkern • behoudsprincipes: massagetal: A = (A – 4) + 4 atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2 ISP | HAVO 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 | HAVO 21

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 | HAVO 22

3 Effecten van ioniserende straling • • • Bron – straling – ontvanger Bestraling en besmetting Dosis en equivalente dosis Beschermingsmaatregelen Afwegen van risico’s ISP | HAVO 23

Bron – straling – ontvanger • schema: besmetting ioniserende straling bron radioactiviteit radioactieve stof radioactief verval activiteit halveringstijd ISP | HAVO ontvanger bestraling soorten straling ioniserend vermogen doordringend vermogen dosis equivalente dosis absorptie halveringsdikte 24

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 | HAVO ontvanger bestraling 25

Dosis en equivalente dosis ISP | HAVO 26

Dosis en equivalente dosis ISP | HAVO 27

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 | HAVO 28

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 29

4 Medische beeldvorming • Beeldvormingstechnieken • Stralingsdosis ISP | HAVO 30

Beeldvormingstechnieken • ioniserende straling röntgenfotografie absorptie en transmissie van computertomografie (CT) röntgenstraling nucleaire diagnostiek uitzenden van γ-straling door tracer bij radioactief verval • geluidsgolven echografie terugkaatsen van ultrasone geluidsgolven • radiogolven magnetic resonance uitzenden van radiogolven imaging (MRI) door waterstofkernen in een magnetisch veld ISP | HAVO 31

Stralingsdosis • ioniserende straling klein röntgenfotografie computertomografie (CT) groot nucleaire diagnostiek matig • geluidsgolven echografie • radiogolven magnetic resonance imaging (MRI) ISP | HAVO 0, 1 m. Sv 10 m. Sv 5 m. Sv geen 32

5 Kernenergie • • • Kernsplijtingsenergie Kettingreactie Kernreactor Splijtstofstaven Moderator Regelstaven Splijtstofcyclus Kernafval Veiligheidsaspecten Milieuaspecten ISP | HAVO 33

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 ISP | HAVO 34

Kernsplijtingsenergie ISP | HAVO 35

Kernsplijtingsenergie rekenvoorbeeld • splijtingsreactie: • voor splijting isotoop massa 235, 044·u na splijting isotoop massa 139, 921·u 93, 915·u 2, 017·u totaal 235, 854·u 1, 008·u totaal 236, 052·u • massadefect: m = 0, 198·u = 0, 198· 1, 66· 10– 27 = 3, 29· 10– 28 kg ISP | HAVO 36

Kernsplijtingsenergie • • • rekenvoorbeeld (vervolg) massadefect: m = 0, 198·u = 0, 198· 1, 66· 10– 27 = 3, 29· 10– 28 kg energie: E = m·c 2 = 3, 29· 10– 28·(3, 00· 108)2 = 2, 96· 10– 11 J energie in elektronvolt (e. V): 1 e. V = 1, 60· 10– 19 J 1 J = 1/1, 60· 10– 19 = 6, 25· 1018 e. V energie: E = 2, 96· 10– 11· 6, 25· 1018 = 1, 85· 108 e. V = 185 Me. V bij de splijting van U-235 in Xe-140 en Sr-94 komt dus 185 Me. V energie vrij ISP | HAVO 37

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 38

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 | HAVO 39

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 | HAVO 40

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 kunnen houden – is een moderator nodig • in een kerncentrale is de moderator meestal water ISP | HAVO 41

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 42

Splijtstofcyclus • schema: productie splijtstofstaven uraniumverrijking uraniumwinning ISP | HAVO kerncentrale opwerking splijtstofstaven radioactief afval 43

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 | HAVO 44

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 45

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 | HAVO 46

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 47