Stevin 2016 - vwo - 08 Radioactiviteit

 

Embed or link this publication

Description

Stevin 2016 - vwo - 08 Radioactiviteit

Popular Pages


p. 1

8 Radioactiviteit Nie tv oo r ge b rui ko ps ch oo l Deze leerlingen in ‘witte pakken’ zaaien tijdens hun examenstunt paniek in de school omdat ze met een luid tikkende Geigerteller radioactiviteit waarnemen! Wat voor radioactieve bron hebben ze ontdekt?

[close]

p. 2

154 8 Radioactiviteit 8.1 Ioniserende straling In deze paragraaf komen eigenschappen van radioactieve stoffen ter sprake. We hopen dat je er snel aan went dat we hier over dingen praten die je niet kunt zien. Proef 1 Ontladen van een elektroscoop De elektroscoop hieronder bestaat uit een isolerende voet met daarop een metalen plaatje waaraan een stukje sigarettenvloei is geplakt. Je geeft de elektroscoop een elektrische lading door hem aan te raken met een gewreven staaf perspex (plus) of pvc (min); het vloeitje slaat uit.  Als we een brandende lucifer op een paar centimeter afstand houden, verdwijnt die uitslag.  De uitslag van de elektroscoop verdwijnt ook als we er een radiumpreparaat bij in de buurt houden. Ionisatie Nie tv oo r Als aan moleculen of atomen energie wordt toegevoerd − bijvoorbeeld door een botsing met een ander deeltje − kunnen ze in stukken uiteenvallen. Deze brokstukken zijn geladen en worden ionen genoemd. Meestal vinden de ionen elkaar terug en komt de energie waarmee ze gevormd zijn weer tevoorschijn in de vorm van licht. ge b rui ko ps ch oo l Ioniserende straling Alfa- , bèta- en gammastraling Denk aan een vlam: daarin vinden chemische reacties plaats. De reactieproducten botsen met grote snelheden tegen elkaar en maken elkaar stuk. Bij het herstel ontstaat het licht van de vlam. Met dit model van een vlam is te verklaren waarom de elektroscoop zijn uitslag verliest. Stel de lading was negatief door een teveel aan elektronen. De positieve ionen uit de vlam gaan dan naar de elektroscoop en pikken daar de overtollige elektronen op. De elektroscoop wordt daardoor neutraal. Hoewel je niets ziet, ‘straalt’ de radiumbron blijkbaar iets uit, waardoor de moleculen in de lucht ionen worden. Behalve door de straling uit radium kunnen moleculen ook geïoniseerd worden door ultraviolet licht en röntgenstraling. Deze stralingssoorten worden nuttig toegepast, maar ze zijn niet ongevaarlijk: als de ionisaties in ons lichaam plaatsvinden, kunnen we er flink ziek van worden. Rond 1900 werd ontdekt dat de straling uit uranium en sommige andere atoomsoorten uit drie componenten bestaat. Later werden die alfa(α)-, bèta(β)- en gamma(γ)-stralen genoemd. Het echtpaar Curie probeerde die stralen af te buigen met elektrische en magnetische velden en vond daarbij dat één van de drie soorten uit elektronen kon bestaan. Rutherford gebruikte een sterker magnetisch veld en ontdekte dat er ook positief geladen deeltjes zijn. De gammastralen konden niet worden afgebogen.

[close]

p. 3

8.1 Ioniserende straling Met deze figuur wordt schematisch weergegeven dat je α’s moeilijk kunt afbuigen met elektrische en magnetische velden, β’s makkelijk en γ’s niet  α-stralen Een α-deeltje is niets anders dan een zeer snel bewegend He2+-ion; dat is een heliumatoom dat beide elektronen is kwijtgeraakt. Rutherford kwam daar als volgt achter: hij plaatste een α-straler in een glazen buis met elektroden die hij daarna vacuüm zoog. Dat vacuüm controleerde hij door een spanning over de elektroden te zetten: er gebeurde niets in de buis. Na enige tijd herhaalde hij dat en kon hij in de buis het licht waarnemen dat kenmerkend is voor helium. Rutherford maakte voor α’s en β’s dit schema: tv oo r  β-stralen Een β-deeltje dat zijn energie heeft afgestaan, is niet te onderscheiden van een elektron. De dracht van β’s is groter dan die van α’s − in lucht enkele meters − want hun ioniserend vermogen is kleiner. In metaal kunnen ze enkele millimeters doordringen. Van buitenaf dringen ze ons lichaam een paar centimeter binnen. De β’s halen bijna het wereldsnelheidsrecord: 300 000 km/s maar door hun veel kleinere massa hebben ze toch minder kinetische energie dan α’s. α’s en β’s zijn voor ons gevaarlijk door de combinatie van lading en kinetische energie. Ze kunnen in kleine gebieden in ons lichaam grote schade aanrichten. Nie ge b De snelheid van α’s is in de orde van 15000 km/s. Doordat ze ‘groot’ en geladen zijn, is hun ioniserend vermogen zeer groot. Omdat iedere ionisatie van een molecuul in de lucht energie kost, raken α’s hun vaart snel kwijt. De afstand die ze kunnen afleggen, hun dracht, is in lucht hoogstens 1 dm. In papier is de dracht heel klein: één vel (en dus ook kleding) houdt de meeste α’s al tegen. rui  γ-stralen De γ’s zijn wat later ontdekt dan de α’s en de β’s omdat ze geen massa en geen lading hebben. Het bleek om ‘onzichtbaar licht’ te gaan, dat ‘harder’ (energierijker) is dan röntgenstraling. Doordat ze weinig ioniserend vermogen hebben, is hun dracht groot. Afhankelijk van de energie gaat γ-straling door dikke loden platen en betonnen muren heen. Net als röntgenstraling dringt γ-straling vrij gemakkelijk door menselijk weefsel, dat voornamelijk H, C, O en N bevat, maar moeilijker door botten en tanden die uit zwaardere elementen als P en Ca bestaan. γ’s zijn gevaarlijk door hun zeer grote doordringend vermogen. Sta je in de buurt van een γ-bron dan kunnen moleculen overal in je lichaam worden geïoniseerd. Het gemeenschappelijk kenmerk van α-, β-, γ- en röntgenstraling is hun ioniserend vermogen, vandaar dat we ze samenvatten onder de naam ioniserende straling. Als die ionisaties in ons lichaam plaatsvinden, treden er beschadigingen op die tot zweren, kanker of genetische afwijkingen kunnen leiden. De strengste veiligheidseisen worden gesteld als het om de ogen gaat of om organen met snel delende cellen, zoals lymfeklieren en geslachtscellen. Kinderen zijn extra kwetsbaar omdat ze in de groei zijn. Zwangere vrouwen zullen dus bij voorkeur met ultrasoon geluid (echoscopie) worden onderzocht in plaats van met röntgenstraling. Röntgenlaboranten dragen als bescherming een loodschort. Opmerking Röntgenstraling komt uit de elektronenwolk en niet uit de kern van een atoom. (Zie p. 174.) ko ps ch oo l 155

[close]

p. 4

156 De isotopentabel 8 Radioactiviteit Ieder element blijkt voor te komen in lichte en zware uitvoeringen. Deze varianten heten de isotopen van het element. In tabel 25A van Binas vind je een aantal isotopen met hun halveringstijden en de soort straling die ze uitzenden.  Hoe stabieler een kernsoort is, hoe groter de halveringstijd van die kernsoort. Halveringstijden blijken uiteen te lopen van minder dan 1 s tot meer dan 109 jaar.  Behalve α, β− en γ zie je ook β+.  In de laatste kolom vind je de energie van de straling die wordt uitgezonden. Daarvoor gebruiken kernfysici niet de joule maar een aparte eenheid, de mega-elektronvolt (MeV). 1 eV = 1,6∙10−19 J dus 1 MeV = 1,6∙10−13 J Massa en lading; nucleonen tv oo r Het eenvoudigste atoom is waterstof (H), dat bestaat uit één proton met daaromheen één elektron. In tabel 25A zie je dat er behalve de gewone waterstof ook nog twee zware varianten vermeld staan: met één en met twee extra neutronen in de kern. Deze hebben aparte namen gekregen deuterium en tritium. Ze worden aangeduid met 2H en 3H. Door de ontdekking van het neutron was de bouw van bijvoorbeeld een heliumatoom te begrijpen. Er zitten twee protonen (p) in de kern die voor de lading en de helft van de massa zorgen. De rest van de massa komt voor rekening van twee neutronen (n). ge b In de loop van de 20e eeuw is ontdekt dat iedere atoomkern uit positieve protonen en even zware neutrale neutronen bestaat. Rondom de kern draaien evenveel negatieve elektronen rond als er protonen in de kern zitten, zodat het atoom als geheel neutraal is. Een kern die alleen maar uit protonen zou bestaan, zou uit elkaar spatten omdat de positieve ladingen elkaar afstoten. De neutronen functioneren als een soort lijm waardoor de kern bij elkaar wordt gehouden. Het aantal protonen in de kern bepaalt met welk element we te maken hebben. Waterstof heeft één proton in de kern, helium twee en lithium drie. Meitnerium heeft het grootste aantal protonen in de kern, namelijk 109. Nie rui ko ps ch oo l Een kern noteren we zo: A ZX In een compleet heliumatoom draaien twee elektronen (e) in de elektronenwolk om de kern, zodat het atoom neutraal is. De massa van de elektronen is verwaarloosbaar. Protonen en neutronen worden nucleonen genoemd omdat kernen hieruit zijn opgebouwd (nucleus betekent kern).  Het aantal nucleonen in de kern wordt het massagetal (A) genoemd; we schrijven dit links boven het symbool.  Het aantal protonen (Z) schrijven we links onder. Z bepaalt de lading van de kern en de plaats in het periodiek systeem. De twee protonen in de heliumkern blijken, behalve met twee, ook met één, vier of zes neutronen aan elkaar gelijmd te kunnen worden. Er zijn dus vier soorten heliumkernen. De vier atoomsoorten worden de isotopen van helium genoemd omdat ze op dezelfde plaats in het periodiek systeem staan (iso betekent gelijk en topos plaats). In tabel 25A vind je slechts een selectie van alle mogelijke isotopen. Van helium worden er maar drie van de vier vermeld. De vier soorten helium worden zo genoteerd: 3 4 6 8 2 He 2 He 2 He 2 He Eigenlijk is die 2 overbodig, want uit de notatie He volgt al Z = 2 omdat dit atoom op de tweede plaats in het periodiek systeem staat. We kunnen dus ook schrijven: 3 He 4 He 6 He 8 He Neutronstraling Neutronen hebben geen lading en missen het ioniserend vermogen van ’s en ’s. Daardoor zijn ze pas laat ontdekt. Als neutronen door een stof met veel waterstofkernen (protonen) schieten, is er een kans op een voltreffer. Omdat protonen en neutronen even zwaar zijn, kan een proton daardoor uit zijn eigen atoom worden geknikkerd. Je houdt neutronen dan ook niet tegen met dikke lagen lood, wel met een waterbad.

[close]

p. 5

8.1 Ioniserende straling Kernverval; vervalvergelijkingen Als kernen deeltjes uitstoten, kunnen we dat in vervalvergelijkingen weergeven.  α-verval Bij het uitstoten van een α verdwijnen twee protonen en twee neutronen uit de kern en komt energie vrij. Bijvoorbeeld bij 226Ra: 226 4 222 88 Ra  2 He  86 Rn (+ energie) Je ziet dat het aantal nucleonen en de lading niet veranderen: 226 = 4 + 222 en 88 = 2 + 86 Soms wordt die overtollige energie geloosd door het uitstoten van een α- of β-deeltje dat de energie meeneemt. In andere gevallen wordt een γ uitgezonden. Ook combinaties komen veel voor. Bij γ-straling is dus geen sprake van kernverval, want de kern verandert niet van soort. Je kunt dus ook geen vervalvergelijking opstellen. Voorbeeld Verval van 238 rui Oplossing a 238  234 92 U  90Th  β-verval Bij het uitstoten van een β− wordt in de kern een 1 neutron ( 0 n ) omgezet in een proton ( 1 1 p ) plus een elektron. Ook daarbij komt energie vrij: 1 0 1 0 n  1 e  1 p (+ energie) We schrijven voor het β−-deeltje 0 1 e omdat de massa te verwaarlozen is en de lading één negatieve elementairlading is. Bij de β−-straler 40K wordt dit: 40 0 40 19 K  1 e  20 Ca (+ energie) U  Als U vervalt, ontstaat er weer een radioactieve kern en daarna weer, ... totdat tenslotte het stabiele 206Pb ontstaat. a Wat zijn de eerste drie ‘vervalproducten’? ►In deze vervalreeks kom je na een paar stappen terecht bij 218Po. b Op welke manieren vervalt die kern tot 214Bi? Gammastraling tv oo r  Positronen Bij 13N staat β+ in de laatste kolom van tabel 25A. β+ betekent dat de kern positieve elektronen kan uitzenden. Deze positronen hebben precies dezelfde massa als ‘gewone’ elektronen en zijn 1+ geladen. Dit is de vervalvergelijking: 13 0 13 7 N  1e  6 C Positronen worden ook wel anti-elektronen genoemd. Ze zijn in 1932 ontdekt. De nucleonen zitten in de kern niet vast op hun plaats, maar voeren nog allerlei bewegingen uit. Daardoor kan een kern teveel energie bezitten en instabiel zijn. We zeggen dan dat de kern in aangeslagen toestand is. Nie ge b b Bij 218Po staat dat zowel α- als β−-verval mogelijk is. In beide gevallen kom je na twee stappen terecht bij 214Bi: Voorbeeld Andere tabellen dan 25A  Er zijn situaties waarin je aan tabel 25A niet genoeg hebt en dat je ook tabel 40A of 99 nodig hebt. Andere wetenswaardigheden vind je in 40B. a Geef de namen van moeder- en dochterkern van deze twee β−-stralers: 160Tb en 169Er. b Wie heeft cadmium ontdekt? Waar komt de naam vandaan? Oplossing a Bij β−-stralers ga je een stap in het periodiek systeem vooruit: terbium → dysprosium en terbium → thulium. b In 40B staat: in 1817 door Stromeyer. Genoemd naar Kadmeia, een streek bij de Nijl. ko ps ch oo l 157 238   234 91 Pa   234 92 U  ...

[close]

p. 6

158 Radioactiviteit 8 Radioactiviteit In 1896 experimenteerde Becquerel met kristallen van een uraniumzout. Die lichtten op na bestraling door de zon. Misschien zou die fosforescentie ook de bron zijn van de pas ontdekte röntgenstraling. Hij zette daarom de kristallen op een fotografische plaat die in zwart papier gepakt was en wachtte op de zon. Die liet het echter afweten en hij borg de kristallen en de plaat in een la. Toen hij later die plaat voor de zekerheid ontwikkelde, bleek hij belicht te zijn op de plaats waar de kristallen gelegen hadden. De kristallen zelf zonden dus straling uit; zon of geen zon. Het echtpaar Curie, leerlingen van Becquerel, noemde dit spontane uitstralen radioactiviteit. Zij vonden later nog twee onbekende radioactieve elementen die zij polonium (Po) en radium (Ra) noemden. Radium leek op barium en paste precies op de nog open plaats met nummer 88 in het periodiek systeem (zie tabel 99). Natuurlijke radioactiviteit Radioactiviteit heeft een slechte naam en wordt vaak gezien als een ongewenst produkt van de moderne natuurkunde. Gedeeltelijk is dat terecht. Daar staat tegenover dat radioactiviteit ook in de natuur voorkomt: we zijn er altijd aan blootgesteld. Men spreekt dan van natuurlijke radioactiviteit. In de natuur komen 274 stabiele en 65 instabiele kernsoorten voor. Van de laatste zijn de bekendste uranium, thorium, radium en kalium. Op zandgronden vind je meer uranium en thorium in de bodem dan op veengronden; in klei zit relatief veel kalium. Thorium in de bodem zorgt ervoor dat radongas via de kruipruimtes onze huizen binnenkomt. Ook ontvangen wij straling van bouwmaterialen zoals sommige soorten gipsplaat. In ons lichaam komt radioactief 40K voor, een β-straler, die je met een geigerteller gemakkelijk in urine kunt aantonen. Verder ontvangen wij vanuit de kosmos voortdurend allerlei soorten ioniserende straling. Als je een dag aan het strand ligt, ontvang je meer ioniserende straling dan wanneer je die dag in een radiologisch laboratorium gewerkt had. Nie tv oo r ge b rui ko ps ch oo l Bij radioactieve processen komt relatief veel energie vrij. Daardoor zijn radioactieve gesteenten wat warmer dan soortgelijke niet-actieve gesteenten. In het inwendige van de aarde komt vooral dankzij uranium en thorium veel energie vrij, waardoor gesteentes smelten. Door deze processen worden vulkanisme, magnetisme en continentverschuiving verklaard. Bij kernbomproeven en rampen zoals in Tsjernobyl is radioactief materiaal over grote afstanden verspreid. De straling die wij daarvan ontvangen is niet te onderscheiden van de natuurlijke straling. Samen zorgen zij voor de achtergrondstraling. Gevaren Radioactiviteit mag dan een natuurlijk verschijnsel zijn, grootschalige toepassing ervan vereist zorgvuldige voorzorgsmaatregelen. De eerste die dat ondervond was Becquerel zelf. Hij liep eens enkele uren rond met een radiumpreparaat in zijn vestzak. Na een paar dagen kreeg hij hoofdpijn en ontstond er een zweer op zijn huid die pas na twee maanden genas. Ioniserende straling is zo gevaarlijk omdat je die niet kunt zien, horen, proeven of ruiken en de gevolgen pas later merkbaar zijn; na enige uren of na vele jaren. Marie Curie en veel andere radiologen van het eerste uur stierven aan leukemie. Wijzerplaten van horloges en wekkers werden vroeger lichtgevend gemaakt door wat radium bij zinksulfide te voegen. De vrouwen die hun penselen met de mond in vorm brachten, werden inwendig besmet door deze α-straler. Zij stierven vrijwel allen aan stralingsziekten. Een α-straler is vooral gevaarlijk bij inwendige besmetting als die zich op één plaats in de darmen of de longen vastzet. Door een gezonde huid dringen α’s niet heen. Bij bestraling van buitenaf zijn vooral γ’s gevaarlijk.

[close]

p. 7

8.1 Ioniserende straling Detectie van ioniserende straling Activiteit; becquerel Stralingsdetectoren laten niet de straling zelf zien. Ze maken gebruik van stoffen die reageren op de ionisaties die de straling veroorzaakt. We bekijken hier een paar detectiemogelijkheden. De rest komt later in dit hoofdstuk.  Fotografisch materiaal Het oudste voorbeeld van detectie met een vaste stof is de fotografische plaat van Becquerel.  De vonkenteller De vonkenteller is het eenvoudigste apparaat waarmee je ionisaties in lucht zichtbaar kunt maken. Hij bestaat uit een zéér dunne koperdraad vlak tussen twee gepolijste metalen platen. De spanning tussen de draad en de platen is een paar duizend volt. Dat is zó hoog dat er net geen vonk overspringt, maar als je een radioactief preparaat in de buurt brengt, wordt de lucht geïnoniseerd en dus geleidend. Je ziet dan vonken overspringen. Voor de veiligheid zijn in de kring weerstanden van 1 MΩ opgenomen. Een stof is radioactief als er een of meer radioactieve elementen in zitten. Als zo’n element een α of een β uitzendt, verandert de kern en wordt het een ander element. Bijvoorbeeld: de α-straler radium (een metaal) verandert in radon (een edelgas). Zo’n verandering wordt verval genoemd. De activiteit A van een radioactief voorwerp geeft aan hoeveel kernen er in dat voorwerp per seconde vervallen. De eenheid van A is de becquerel (Bq). Als een preparaat 104 α’s per seconde uitzendt, vervallen er dus 104 kernen per seconde en is A = 104 Bq. We schrijven hiervoor niet 104 Hz, want we gebruiken de hertz voor periodieke verschijnselen en de becquerel voor toevallige. A(t) hangt af van het aantal nog niet vervallen kernen N(t). In de tijd Δt vervallen er ΔN kernen. Voor de activiteit geldt dus: A = −ΔN/Δt. Het minteken is nodig omdat N afneemt. Met de notaties voor differentiëren wordt dat: A(t )   d N (t )   N (t ) dt rui  De geiger-müller-teller In een GM-teller (geiger-müller-telbuis) bevindt zich een gas dat geleidend gemaakt wordt door binnenkomende ioniserende straling. Iedere keer dat dat gebeurt, gaat er een stroompje lopen door de weerstand R en hoor je in de luidspreker een tik. Het is ook mogelijk om de stroompulsjes te registreren met een teller. Zo’n stroompje heeft ongveer 10−4 s nodig om uit te sterven, zodat de teller in die ‘dode tijd’ geen nieuw deeltje kan registreren. Een GM-teller kan dus ongeveer 104 deeltjes per seconde tellen. Hij is vooral in gebruik om het aantal deeltjes per seconde te meten bij veiligheidscontroles. Nie tv oo r ge b Proef 2 Tossen met munten Radioactief verval is een statistisch proces, waarop je kansrekening kunt toepassen, net zoals hier: we tossen allemaal met vier munten en leggen ‘kop-boven’ weg. De overgebleven munten worden geteld en daarmee wordt weer getost. Kop-boven wordt weggelegd en de rest wordt geteld; ... . Het resultaat zal er ongeveer zo uitzien, want na één beurt ben je gemiddeld de helft van de munten kwijt: ko ps ch oo l 159 activiteit

[close]

p. 8

160 De halveringstijd 8 Radioactiviteit Bij radioactieve elementen verschilt het tempo van uitzenden van α’s, β’s en γ’s van soort tot soort. Bij radium moet je 16 eeuwen wachten voor je de helft van de activiteit kwijt bent. De boeken van Marie Curie staan vol met radioactieve vingerafdrukken en die blijven dus nog eeuwen straling uitzenden. Bij radioactief fosfor is al na veertien dagen de helft van de fosforkernen vervallen. De tijd waarin de helft van de oorspronkelijke kernen vervalt, noemen we de halveringstijd t½. Hier zie je een model van het radioactief verval van het fosfor. Ieder rondje stelt bijvoorbeeld 109 kernen voor. Na 214 dagen is het actieve deel nog eens gehalveerd en is er nog maar een kwart actief. Na 314 dagen nog maar (½)3, ... . rui ge b Na n halveringstijden is het aantal actieve, nog niet vervallen kernen N(t) nog (½)n van het oorspronkelijke aantal N(0). We geven dat zo in formule weer: t /t1/2 N (t )  N (0)  ( 1 2) halveringstijd We kunnen dit ook schrijven als: λ wordt de vervalconstante genoemd. Ga zelf na dat hiervoor geldt: λ∙t½ = ln2. Combineren met de definitie voor A(t) leidt tot: 2 A(t) = −N ′(t) = λ∙N(t) = ln  N (t ) t1/2 ln 2 A( t )  t  N ( t ) 1/2 Nie tv oo r N (t )  N (0)  2t /t  N (0)  et 1/2 activiteit en halveringstijd ko ps ch oo l De laatste actieve kern De halveringsdikte d /d1/2 I (d )  I (0)  ( 1 2) De activiteit van een bron wordt steeds kleiner, maar pas na oneindig lang wachten vervalt de laatste kern. Wanneer één bepaalde kern zal vervallen, is niet te voorspellen, net zo min als je kunt aangeven welke kern de laatste zal zijn. Alleen is statistisch zeker dat 50% van de oorspronkelijk aanwezige kernen na één halveringstijd vervallen zal zijn. Als γ-straling op een laag materiaal met dikte d valt, wordt een deel door dat materiaal geabsorbeerd. De dikte waarbij de intensiteit wordt gehalveerd, heet de halveringsdikte d½ (zie tabel 28F van Binas). Na n halveringsdikten is de intensiteit van de doorgelaten straling nog (½)n van de intensiteit bij het begin. Voor de gemeten intensiteit I(d) na een dikte d bestaat net zo’n formule als voor de halveringstijd: halveringsdikte Voor de activiteit A (Bq) en de intensiteit I (W/m2) gelden soortgelijke formules. Na één halveringstijd tikt een GM-teller nog maar half zo vaak. Radioactief afval Langs chemische weg is er geen oplossing te vinden voor radioactief afval. Chemische processen spelen zich af aan de buitenkant van de elektronenwolken van atomen, maar radioactiviteit is een eigenschap van instabiele kernen. De chemische verbinding doet daarbij niet ter zake. Alle verbindingen waar bijvoorbeeld radium in zit, zijn radioactief. Giftige (chemische) stoffen kunnen soms worden verbrand of ontleed bij hoge druk en temperatuur. Bij radioactieve stoffen helpt dat niet. Het uitzenden van straling door radioactieve kernen is niet te beïnvloeden. Wat men ook geprobeerd heeft om met druk, temperatuur of magneten de uitzending te storen, het mocht niet baten. Men hoopt dat het ooit lukt om radioactieve kernen om te zetten in soorten met een korte halveringstijd. Voorlopig blijft alleen goed verpakken over als oplossing.

[close]

p. 9

8.1 Ioniserende straling Proef 3 De halveringstijd van radon Proef 4 Radondochters vangen De halveringstijd van het edelgas radon is te meten met een ‘ionisatievat’; dit is een metalen bus met een geïsoleerde metalen stift. Tussen de stift en de wand bevindt zich een spanning van 100 V. Iedere α uit het radon maakt de lucht in het vat een beetje geleidend. Daardoor gaat er een stroompje lopen van ongeveer 10−10 A. Hang een gewreven ballon gedurende een uur voor een luchtafzuigend ventilatiekanaal. De positief geladen radondochters in de lucht, worden door de negatief geladen ballon aangetrokken en gevangen. De radondochters op de ballon zijn radioactief. Laat de ballon leeglopen en zet er een GM-teller vlakbij in de buurt. Je meet dan een activiteit die duidelijk hoger is dan de achtergrondstraling. Probeer een A(t)-grafiek te maken waarmee je t1/2 kunt bepalen. Bij zo’n experiment treden altijd fluctuaties op. Om die zichtbaar te maken is een deel van de grafiek uitvergroot. Uitleg Leerlingen in witte pakken Zelfs zonder radioactieve stof in de buurt hoor je zo nu en dan een tik in een GM-teller. Die is afkomstig van de achtergrondstraling die ons vanuit de aarde en de kosmos bereikt. Als je de activiteit van een preparaat meet, moet je die dus verminderen met de gemiddelde waarde van de achtergrondstraling. Dat de leerlingen in de kruipruimte meten, zal wel te maken hebben met de aanwezigheid van radongas. tv oo r Nie ge b rui 110 47 Ag Voorbeeld Activiteit en halveringstijd  Als zilver (107Ag en 109Ag) wordt bestraald met neutronen, ontstaan de radioactieve isotopen 108 Ag en 110Ag. a Geef de dochterkernen van 108Ag en 110Ag. b Leg uit dat je na korte tijd alleen nog maar te maken hebt met 108Ag. ►Stel dat het bestraalde zilver na die korte tijd een activiteit heeft van 8,0 kBq. c Hoeveel atoomkernen 108Ag zitten er dan op dat moment in het preparaat? Oplossing 0 108 a 108 47 Ag  1 e  48 Cd en 110  0 1 e  48 Cd b Zie tabel 25A: de halveringstijd van 110Ag is 5,7 keer zo klein als die van 108Ag. c Je hebt nu de formule A(t )  ln 2  N (t ) nodig. t1/2 ko ps ch oo l 161 t½ = 2,37∙60 = 1,42∙102 s. Invullen geeft N = 1,6∙106 radioactieve atoomkernen 108Ag.

[close]

p. 10

162 Radon 8 Radioactiviteit ge b Buitenshuis vind je in Nederland als laagste activiteit ten gevolge van radon 1 Bq/m3 en als hoogste 9 Bq/m3 (in Groningen). Binnenshuis hangt de activiteit sterk af van de constructie van de woning. De gemiddelde activiteit bedraagt 29 Bq/m3 met uitschieters tot 100 Bq/m3. Radon draagt in Nederland voor ongeveer 40% bij aan de stralingsbelasting. Andere bronnen zijn straling uit de aarde, voedsel en kosmische straling. Naast deze natuurlijke bronnen heb je nog de belasting door medisch onderzoek (ongeveer 20%). (Lees) Ouderdomsbepaling In de natuur vinden we drie soorten koolstof: 12C, 13 C en 14C. Van deze drie komt 12C het meeste voor (99%) en is 14C een β-straler. Het aantal 14 C-kernen neemt dus af, maar tegelijkertijd wordt deze kernsoort in de bovenste lagen van de dampkring aangevuld. Nie tv oo r rui Om de isotopen 238U en 232Th te vinden, hoef je niet naar speciale mijngebieden te gaan; ook in de Nederlandse bodem kom je ze tegen. Beide isotopen vervallen via een paar tussenstappen naar stabiele isotopen van lood (238U naar 206Pb en 232 Th naar 208Pb). Op zich zouden deze radioactieve stoffen in de bodem niet zo’n probleem vormen, ware het niet dat in beide gevallen een isotoop van het edelgas radon wordt gevormd, respectievelijk 222Rn en 220 Rn met halveringstijden van 4 dagen en 1 minuut. Doordat edelgassen met geen enkele stof een chemische reactie aangaan, ontsnapt het radon uit de bodem en dient het als vervoermiddel van radioactiviteit. De schadelijkheid van het radon wordt veroorzaakt door zijn radioactive vervalproducten die wél chemisch reageren en daardoor makkelijk in longweefsel achterblijven. Men schat het aantal gevallen van longkanker in Nederland als gevolg van radondochters op 400−800 per jaar. ko ps ch oo l Stikstof wordt daar namelijk gebombardeerd door kosmische straling en daarbij ontstaat 14C. In de loop van vele miljoenen jaren is zo een zeker evenwicht ontstaan en is de verhouding 12C : 14C in de lucht, nu en lang geleden, vrijwel constant, namelijk 1012 : 1. Ook in planten en dieren zul je dus diezelfde verhouding vinden, totdat ze sterven, want dan wordt het koolstof niet meer aangevuld via voedsel en ademhaling. Vanaf dat moment neemt dus het percentage 14C af. De halveringstijd waarmee dat gebeurt, is ongeveer 6000 jaar. Stel dat men nu bij een archeologische vondst een stukje linnen vindt waarvan het 14C-gehalte 50% is van dat van vers linnen, dan weet men dat het om een 6000 jaar oude vondst gaat. Men kan op die manier nog de ouderdom bepalen als die hoogstens tien halveringstijden is, dus 60000 jaar. Bij gesteentes faalt deze methode omdat het dan vaak om miljoenen jaren gaat. In die gevallen wordt de verhouding uranium/lood of kalium/argon onderzocht. Uranium vervalt namelijk in een paar stappen tot lood en kalium vervalt tot argon. Op die manier is de ouderdom van maanstenen onderzocht en kwam men tot een leeftijd van 4,6 miljard jaar. Een eeuw geleden berekende Kelvin dat de aarde niet ouder kon zijn dan ongeveer 100 miljoen jaar. Hij had een model opgesteld waarin hij de aarde als een hete bol voorstelde die langzaam afkoelde. Dat bracht Darwin in de problemen omdat die nu zijn hele evolutie in dat relatief korte tijdperk moest zien te persen. Na de ontdekking van Becquerel in 1896 werd echter duidelijk dat de aarde niet alleen maar afkoelt. Radioactief uranium, thorium en kalium zorgen voor energie die de afkoeling langzamer laat verlopen dan Kelvin dacht en zo kreeg Darwin’s evolutie meer tijd. Ook onderzoek van gesteentes leidde tot een leeftijd van de aarde van 4,57 miljard jaar; dus net zo oud als de maan. (OuNa 15)

[close]

p. 11

8.1 Ioniserende straling Opgaven 8.1 1 A B C D - Je onderzoekt in hoeverre de straling van vier radioactieve bronnen wordt tegengehouden door lagen van verschillend materiaal. een blad papier heeft geen invloed maar 1 mm aluminium houdt alles tegen; een blad papier houdt alles tegen; papier en aluminium hebben geen effect; 1 cm lood houdt de helft tegen; een blad papier houdt een deel tegen; een extra laagje aluminium geeft geen nieuw effect en pas 1 cm lood houdt de helft van de dan nog doorgelaten straling tegen. Beredeneer van al deze preparaten of ze α’s, β’s en/of γ’s uitzenden. 6 Een bron die alleen uit stof P zou moeten bestaan, is verontreinigd met stof Q. AP = 80 Bq en t½,P = 4 jaar AQ = 40 Bq en t½,Q = 2 jaar - Bereken de activiteit na 1 jaar. 7 Je zet steeds meer plaatjes van 0,5 mm dik van stof A (d1/2 = 2 mm) achter elkaar en meet de intensiteeit I van de doorgelaten straling. a Teken de I(x)-grafiek (de doorlaatkromme) tot x = 6 mm ►Een plaatje van A is 4 mm dik en voor een plaatje van B geldt: dikte én d1/2 zijn 5 mm. b Hoeveel straling wordt geabsorbeerd door A en B samen? De activiteit van 14C in de schedel van een archeologische vondst is acht keer zo klein als bij een levend mens. - Uit welke tijd is die schedel? De activiteit van 1 g 226Ra is 3,7∙1010 Bq. a Bereken de energie van een α in joule. b Bereken het vermogen dat vrijkomt. c In hoeveel weken zou zo’n bron 100 g water van 20 ºC aan de kook kunnen brengen als er geen warmte weglekt? (Om 1 g water 1 ºC te verhitten is 4,2 J nodig). Een generator in een Marssonde bevat plutoniumoxide en levert 280 W elektrisch vermogen. 238Pu is een α-straler met t½ = 86 j; Ek,α = 5,5 MeV. Het rendement van de omzetting Ek →Ee is 7%. a Toon aan dat het vermogen van de α’s 4,0 kW is. b Bereken A van het plutonium. c Na hoeveel jaar is het vermogen van de generator gedaald tot 100 W? Alchemisten probeerden kwik (Hg) om te zetten in goud (Au). Stel dat je deeltjes uit de kern zou kunnen halen of er aan toevoegen. a Wat zou je met een kwikkern moeten doen om er een goudkern van te maken? b En hoe zou je goud kunnen maken uit lood? 2 a Waarom is een α-straler in je longen of in je 4 5 Een vloeistof bevat 24Na; 1 cm3 ervan heeft een activiteit van 240 Bq en wordt ingespoten in het bloed van een patiënt. Zes uur later blijkt de activiteit van 1 cm3 bloed 18 ± 4 deeltjes per 10 min te zijn. a Welke activiteit zou in 1 cm3 bloed direct na het inspuiten gemeten zijn? b Hoeveel liter bloed heeft de patiënt? tv oo r Door het ongeluk in Tsjernobyl zijn sommige paddestoelen besmet met 137Cs. a Welke deeltjes zendt deze isotoop uit? b Tot hoeveel % is de activiteit afgenomen na 175 jaar? Nie ge b 3 Radiologische laboranten dragen soms een loden schort. a Bij welke straling is dat niet nodig? b Leg uit waarom een GM-teller die geschikt is voor α’s een zeer dun venster heeft. rui 9 10 11 slokdarm meestal erger dan inwendige besmetting met een γ-straler? ►In een lokaal heeft enige tijd een γ-bron op tafel gestaan. b Heeft het zin om het lokaal na afloop te ventileren in verband met achtergebleven straling? 8 ko ps ch oo l 163

[close]

p. 12

164 8 Radioactiviteit 8.2 Toepassingen en gevaren van straling In deze paragraaf leer je hoe ioniserende straling wordt toegepast en hoe we de gevaren ervan proberen te beperken. Zie ook hoofdstuk 9, Kijken in het lichaam. Toepassingen van straling In de gezondheidszorg en in de techniek wordt op allerlei manieren gebruik gemaakt van ioniserende stralen.  Sterilisatie Voedsel kan worden gesteriliseerd door het te verhitten (pasteuriseren) maar ook door het met γ’s of röntgen te bestralen. Deze methode van conserveren wordt nogal gewantrouwd, maar dat is niet terecht, want er blijft immers geen straling achter in het voedsel. Mannetjes van schadelijke insecten worden soms bestraald; ze kunnen dan wel paren maar geen nageslacht meer verwekken. Zo werden in een periode van twee maanden ruim 1 miljoen bestraalde schroefwormvliegjes losgelaten boven Curaçao. Sinsdien is het vliegje op dit eiland uitgeroeid.  Tracers Stofwisseling in menselijke organen en planten kan onderzocht worden met behulp van tracers, dat zijn radioactieve stoffen die als merkteken dienen. Dit zijn scintigrammen van bladeren van twee planten die radioactief koolstof hebben binnengekregen. De linker plant geeft een donkerder afdruk omdat hij het voedsel beter opnam. ge b In zee kan zand radioactief worden gemerkt om te onderzoeken hoe het wordt verplaatst door zeestromingen. Nie tv oo r rui ko ps ch oo l Besmetting en bestraling  Energieproductie De energie die bij radioactieve processen vrijkomt, kan gebruikt worden als energiebron in plaats van een batterij. Apparaten op de maan, in satellieten, op de zuidpool en in onbewoonde weerstations worden zo van elektriciteit voorzien. In pacemakers zat vroeger een batterijtje dat op plutonium werkt. Deze pacemakers doen het nog steeds maar liggen nu goed beveiligd in Petten opgeslagen omdat ze zo gevaarlijk zijn.  Kankerbestrijding Kankercellen zijn iets gevoeliger voor straling dan gezonde cellen omdat ze zich sneller delen. Men bestraalt een tumor met γ’s uit 60Co en wel van alle kanten zodat het omliggende weefsel zo min mogelijk schade ondervindt. Bij sommige soorten kanker is het mogelijk de stabiele isotoop 10B in een stof te verwerken die zich bij voorkeur hecht aan tumorweefsel. Na toedienen van dit middel bestraalt men de patiënt met langzame neutronen die deze reactie opwekken: n + 10B → α + 7Li De α’s die zo in de tumor ontstaan, doden de slechte cellen. (Extra) De woorden besmetting en bestraling worden soms wat slordig door elkaar gebruikt. Onder besmetting verstaan we dat er radioactief materiaal op of in je lichaam terecht is gekomen. Ook land kan besmet raken, zoals bijvoorbeeld gebeurde na het ongeluk in Tsjernobyl. Op grote gebieden van Europa sloegen toen radioactieve isotopen van die kerncentrale neer. Onder bestraling verstaan we dat je vanuit een bron door α’s, β’s of andere deeltjes wordt getroffen.

[close]

p. 13

8.2 Toepassingen en gevaren van straling Gevaren van ioniserende straling Kernstraling, röntgenstraling en UV zijn schadelijk omdat ze energie aan het lichaam afgeven. Toch is dat vlak na de bestraling niet zo duidelijk te zien als bij een verbranding. Als iemand van 50 kg door straling 500 J ontvangt, dan is het vrijwel zeker dat hij binnen een maand overlijdt, maar bij opname van 500 J in de vorm van warmte neemt je temperatuur slechts met 0,0025 ºC toe. Het gevaar van straling is dat die je lichaamscellen vernietigt of breuken maakt in het DNA van de cel. Als er weinig van die breuken zijn, kan je lichaam het DNA repareren. Als het er veel zijn, lukt dat niet en ontstaan er problemen bij de celdeling. Meestal gaat de cel dan alsnog dood, maar hij kan zich ook ontwikkelen tot kankerhaard. Dosis en dosisequivalent H = WR∙D 1 Sv = 1 J/kg Ook is het volgende van belang:  Werd je uitwendig bestraald doordat je dicht bij een bron kwam, of werd je inwendig besmet met radioactief materiaal?  Werd je langdurig bestraald in een laag tempo, of met een grote dosis ineens?  Werd je hand bestraald of ook je ogen of andere gevoelige organen?  Op jonge leeftijd is de schade groter, want delende cellen stapelen fout op fout. Nadat een dosis ook gecorrigeerd is voor de soort cellen die bestraald zijn, krijg je de effectieve dosis. Dosislimieten De schade die je oploopt, hangt af van de stralingsweegfactor WR van de straling. (Zie tabel 27D3 van Binas.) Nadat een dosis op die manier gecorrigeerd is voor de soort straling krijgen we het dosisequivalent H. De eenheid van H is ook J/kg, maar wordt nu sievert (Sv) genoemd. Nie tv oo r Voor β-, γ- en röntgenstraling is deze factor 1. Protonen zijn 5 keer erger; voor neutronen ligt WR tussen 5 en 20 en voor α’s is die factor 20. ge b Estraling m 1 Gy = 1 J/kg D definitie dosis gray rui Bij het bepalen van de schade moet je weten hoeveel energie je ontvangen hebt, waarmee je bestraald bent en welke organen getroffen zijn. De energiedosis of kortweg de dosis D geeft aan hoeveel energie door 1 kg weefsel geabsorbeerd is. De SI-eenheid is de gray: Als iemand in korte tijd een hoge dosis over het hele lichaam ontvangt, zijn dit grofweg de gevolgen (zie ook de tabellen 27D van Binas): 1 Sv tijdelijke afname van de witte bloedlichaampjes en tijdelijke steriliteit bij de man 3 Sv ernstige stralingsziekten en blijvende steriliteit bij de vrouw 10 Sv sterfte binnen twee maanden 50 Sv sterfte binnen een paar uur In principe is iedere dosis bij algehele bestraling schadelijk − er is geen drempel voor het krijgen van kanker. Vooral bij kleine doses kan het echter jaren duren voor de schadelijke gevolgen blijken. Als een of ander orgaan een dosis ontvangt, zal er pas schade aan dat orgaan ontstaan als veel cellen tegelijk beschadigd worden. Hier geldt in veel gevallen dus wèl een drempel. De ooglens bijvoorbeeld vertroebelt pas als hij meer dan 2 Sv ineens ontvangt of meer dan 5,5 Sv in een laag bestralingstempo. ko ps ch oo l 165 dosisequivalent sievert

[close]

p. 14

166 De kans op ziekte door straling 8 Radioactiviteit De kans om bij een lage dosis en een laag dosistempo kanker te krijgen is in de loop der jaren steeds hoger geschat. Op het ogenblik gaat men uit van 5∙10−5 per mSv. Dat wil zeggen: als 100 000 mensen 1 mSv ontvangen, zullen binnen twintig jaar 5 mensen kanker krijgen. Een Nederlander ontvangt gemiddeld zo’n 2,5 mSv per jaar uit verschillende bronnen, waarvan ≈ 2 mSv door achtergrondstraling. Met 15 miljoen mensen komt dat dus neer op bijna 2000 kankergevallen in 20 jaar. Vergelijk dat met 32 000 sterfgevallen per jaar door kanker. De kans op genetische afwijkingen blijkt veel kleiner te zijn dan men vroeger dacht. Men gaat nu uit van 1∙10−5 per mSv. Deze kans wordt 2,5 keer zo hoog als het bestralingstempo hoog is. Stralingsnormen ge b Er zijn normen opgesteld voor de straling die mensen extra mogen ontvangen boven de achtergrondstraling.  Voor gezonde volwassen mensen is dat 1 mSv per jaar over het hele lichaam gedurende vijf achtereenvolgende jaren.  Voor kinderen in de groei is de norm veel lager.  Voor zwangere vrouwen gelden aparte normen. In de eerste week geldt een alles-of-niets effect: het embryo sterft of overleeft de bestraling zonder schade. In de tweede tot de vijftiende week worden de organen gevormd en dan is de kans op misvormingen zeer groot. De drempel voor schade wordt dan geschat op 50 mSv.  Voor werkers op een radiologisch laboratorium geldt een hogere norm van 100 mSv per 5 jaar. rui Het Nie tv oo r Bij het opstellen van zulke normen gaat men als volgt te werk: de kans dat iemand aan een ‘gewone’ kanker overlijdt, is vrij groot en bij het aanhouden van de norm mag die kans met slechts een paar % toenemen. ko ps ch oo l ALARA-principe Verder houdt men rekening met de variaties in de dosis door de natuurlijke straling, die in de orde is van 1 mSv/j. Zo zijn er in Brazilië, India en Iran gebieden waar de bevolking van nature blootgesteld is aan zo’n 100 mSv/j. Hoewel het niet is gelukt de schadelijkheid daarvan aan te tonen, is er toch bij de overheid een tendens om de normen steeds verder aan te scherpen. Het gevolg daarvan is dat patiënten die een radiotherapie hebben gehad in verband met kanker een tijd in quarantaine worden gehouden totdat de radioactieve isotopen uit hun lichaam verdwenen zijn. Veel stralingsdeskundigen vinden dit een overbodige maatregel. Mensen die beroepshalve met radioactiviteit in aanraking komen, dragen een dosimeter op hun kleding waarmee achteraf de hoeveelheid en de soort van de ontvangen straling bepaald kan worden. In de dosimeter bevindt zich fotografisch materiaal dat veel dikker en vooral gevoeliger is dan de films van Becquerel. Je moet bij stralingsrisico’s voor- en nadelen tegen elkaar afwegen. Zoals: accepteer je bij een röntgenfoto van een kies de kans van 1 op 2 miljoen om over twintig jaar kanker te krijgen? Altijd speelt het ALARA-principe een rol: All exposures should be kept as Low As Reasonably Achievable, economic and social factors being taken into account.

[close]

p. 15

8.2 Toepassingen en gevaren van straling Energie en massa; massadefect Voorbeeld De bommen op Japan Het onderwerp radioactiviteit is niet compleet als je nooit met de beroemde formule van Einstein E = mc2 hebt kennisgemaakt. De beroemdste formule van de natuurkunde is echter geen CE-stof. De andere onderdelen zoals MeV en u zijn dat wel! Bij het verval van radioactieve kernen via α-, βof γ-straling, komt spontaan energie vrij. Sommige kernen zijn niet stabiel, ze vallen uiteen en hebben na afloop dus minder energie. De vrijkomende energie ontstaat niet uit niets. De vraag is dus waar de energie bij kernreacties vandaan komt. Volgens Einstein is er bij de vervalreactie massa verdwenen. Hij had al in 1905 gesteld dat massa een speciale vorm van energie is. Met andere woorden: als massa verdwijnt, moet je daar energie voor terugvinden. In plaats van twee aparte behoudswetten (voor massa en energie) stelde Einstein dus één behoudswet voor: de wet van behoud van energie! Volgens die wet is massa één van de vormen waarin energie kan voorkomen. Anders gezegd: de kg is ook een eenheid van energie en de joule is ook een eenheid van massa. De beroemde wet van Einstein luidt: E = m∙c2 Hierin stelt m de massa voor die verdwijnt (het massadefect) en c de lichtsnelheid in vacuüm. De (mega)elektronvolt  Bij de bommen op Japan in 1945 verdween ongeveer 1 g massa. (Lees) a Hoeveel energie kwam daarbij vrij (in de vorm van hitte en straling)? b Hoeveel kg steenkool moet je verbranden om evenveel energie vrij te krijgen? Oplossing a E = 1∙10−3∙(3∙108)2 = 9∙1013 J. b In tabel 28B van Binas vind je voor de stookwaarde van steenkool 29∙106 J/kg. De massa die je moet verbranden is dus: 13 m  9  10 6  3  106 kg Een nieuwe eenheid voor massa rui In de kernfysica is het de gewoonte om de massa’s van deeltjes niet in kg op te geven maar in atomaire massa-eenheden, u. In tabel 7B van Binas vind je de waarde van u uitgedrukt in kg en in MeV: 1 u = 1,66054∙10−27 kg = 931,49 MeV Per definitie is de massa van één compleet atoom 12 C gelijk aan 12 u (zie tabel 25A). Voorbeeld De energie van een α uit tv oo r In de kernfysica is het de gewoonte om de energie van deeltjes niet in joule op te geven maar in (mega)elektronvolt (M)eV. In tabel 5 van Binas vind je: 1 eV = 1,602∙10−19 J dus 1 MeV = 1,602∙10−13 J Nie ge b Ra  Controleer dat het α-deeltje dat 226Ra uitstoot 4,79 MeV meeneemt. (In tabel 25A staan de massa’s van de complete atomen.) Oplossing 226 4 222 88 Ra  2 He  86 Rn Als we dit kernverval omzetten in een atoomverval door er overal de elektronen bij te rekenen, kunnen we tabel 25A gebruiken. mlinks = 226,02541 u en Σmrechts = 226,02017 u  Δm = 0,00524 u = 4,88 MeV Blijkbaar neemt het α-deeltje hiervan 98% voor zijn rekening en is de overige 2% voor de radonkern. ko ps ch oo l 167 29  10 226

[close]

Comments

no comments yet