Stevin 2016 - havo - 08 Radioactiviteit

 

Embed or link this publication

Description

Stevin 2016 - havo - 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

148 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 Een simpele elektroscoop 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. ge b 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. rui 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. Alfa- , bèta- en gammastraling ko ps ch oo l Ioniserende straling 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. Het effect op de elektroscoop is hetzelfde. 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 niet uit de kern van een atoom. (Zie p. 167.) ko ps ch oo l 149

[close]

p. 4

150 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 vind je een selectie van alle 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+ en K-vangst vermeld. Van die laatste twee bespreken we β+ in Extra.  In de laatste kolom staat de energie van de straling die wordt uitgezonden uitgedrukt in elektronvolt (eV). 1 eV = 1,602∙10−19 J (tabel 5).  De namen, symbolen en atoomnummers van alle elementen staan in tabel 40A en tabel 99. Massa en lading; nucleonen tv oo r 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. Ununoctium heeft − op het moment dat dit boek verschijnt − het grootste aantal protonen in de kern, namelijk 118. Dit element moet nog een ‘echte’ naam krijgen (tabel 99). Het eenvoudigste atoom is waterstof (H), dit bestaat uit één proton met daaromheen cirkelend 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 of D en 3H of T. rui ge b Nie ko ps ch oo l Een kern noteren we zo: 1 en een neutron 0 n. A ZX 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). In een compleet atoom 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. ; een proton als 1 1p 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): 3 4 6 8 2 He 2 He 2 He 2 He Een nieuwe eenheid voor massa 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: 1 u = 1,66054∙10−27 kg Per definitie is de massa van één compleet atoom 12 C gelijk aan 12 u (zie tabel 25A).

[close]

p. 5

8.1 Ioniserende straling Kernverval; vervalvergelijkingen Röntgenstraling 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 Röntgenstraling bestaat, net als γ-straling, ook niet uit deeltjes. Ze is echter minder energierijk en komt niet uit de kernen van atomen, maar uit de zogenaamde elektronenwolk. Deze straling geeft scherpe schaduwen van botten en tanden op een film want zij gaat wel door zacht weefsel maar niet door het zwaardere bot. Voor het maken van een röntgenfoto is dus geen lens nodig. Zeer snel nadat Röntgen zijn ‘X-stralen’ had ontdekt, werden zij gebruikt om botbreuken op te sporen. Ook de tandarts gebruikt Rö-straling. Zie verder p. 167 van hoofdstuk 9. ge b Bij de β−-straler 40K wordt dit: 40 0 40 19 K  1 e  20 Ca (+ energie) rui 238  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. Voorbeeld Verval van 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 twee manieren vervalt die kern tot 214 Bi? Oplossing a 238  234 92 U  90Th Gammastraling Nie tv oo r Nucleonen kunnen in de kern allerlei bewegingen uitvoeren. Daardoor kan een kern teveel energie bezitten en instabiel zijn. We zeggen dan dat de kern in aangeslagen toestand is. 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. Bij γ-straling is dus geen sprake van kernverval, want de kern verandert niet van soort. Je kunt dus ook geen vergelijking opstellen. b Bij 218Po staat dat zowel α- als β−-verval mogelijk is. In beide gevallen kom je na twee stappen terecht bij 214Bi: ko ps ch oo l 151 238   234 91 Pa   234 92 U  ...

[close]

p. 6

152 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 Uitleg Leerlingen in witte pakken 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.  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. 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 radon. Activiteit; becquerel  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 als 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 rui 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). 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. 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 153

[close]

p. 8

154 De halveringstijd 8 Radioactiviteit Bij radioactieve elementen verschilt het tempo van uitzenden van α’s, β’s en γ’s ook 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 14 dagen is nog maar 50% van het aantal kernen actief. Na 28 dagen (= 214) is het actieve deel nog eens gehalveerd en is er nog maar 25% actief en na 42 dagen (= 314) nog maar 12,5%, enzovoort. rui Na 4 halveringstijden is 93,75% van het oorspronkelijke aantal kernen vervallen, want na 4 halveringstijden is er nog maar 6,25% over: 1 1 1 1 (1 2  2  2  2 )   2  = 0,0625 = 6,25 %. 4 ge b N = N0∙(½)n Voor de activiteit A (Bq) en de intensiteit I (W/m2) geldt hetzelfde. Na één halveringstijd tikt een GM-teller nog maar half zo vaak en is de intensiteit afgenomen tot 50%. Nie tv oo r In het algemeen geldt: na n halveringstijden is het aantal actieve, niet vervallen kernen N nog (½)n van het oorspronkelijke aantal N0. met n = t/t1/2 en n = 1, 2, 3, ... ko ps ch oo l A  N (t ) t (raaklijn) De activiteit A hangt af van het aantal nog niet vervallen kernen N. In de tijd Δt vervallen er ΔN kernen. Voor de activiteit geldt dus: A = −ΔN/Δt. Het minteken is nodig omdat N afneemt. In de breuk ΔN/Δt herken je de helling van de raaklijn in de N(t)-grafiek. De formule is ook bruikbaar voor de gemiddelde activiteit in het tijdsinterval Δt. activiteit op tijdstip t De laatste actieve kern 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. De halveringsdikte 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). Met de halveringsdikte reken je op dezelfde manier als bij de halveringstijd: na één halveringsdikte is de intensiteit van de doorgelaten straling 50% van de intensiteit bij het begin. Na twee halveringsdiktes nog maar 25%, enzovoort. Zie ook p. 167. De I(d)-grafiek van deze metingen heet de doorlaatkromme.

[close]

p. 9

8.1 Ioniserende straling Radioactief afval Proef 3 Radondochters zoeken 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. Misschien lukt het je om een I(t)-grafiek van de ballon te meten (Doen). Ter controle: de literatuurwaarde voor de (effectieve) halveringstijd voor radondochters is 45 min. Nie tv oo r ge b 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. rui Bij zo’n experiment treden altijd fluctuaties op. Om die zichtbaar te maken is een deel van de grafiek uitvergroot. 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. Proef 4 De halveringstijd van radon 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. ko ps ch oo l 155

[close]

p. 10

156 8 Radioactiviteit 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. Dat levert deze resultaten op: 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 laag aluminium van een paar mm 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. 2 a Bereken de massa van een  in kg in vier 3 a Hoe vervallen: 206 4 tv oo r Alchemisten probeerden kwik (Hg) om te zetten in goud (Au). In het periodiek systeem staan die twee vlak naast elkaar. Stel dat je deeltjes uit de kern zou kunnen halen of er aan toevoegen. a Wat zou je in principe met een kwikkern moeten doen om er een goudkern van te maken? ►211Pb ontstaat door α-verval. b Schrijf de vergelijkingen op voor het ontstaan en verval van 211Pb. In een kernreactor ontstaat 140Ba. Een half jaar na het stopzetten van de reactor is de activiteit van het barium 2,5∙1016 Bq. 1 a Hoeveel halveringstijden later is dat? Rond af op een heel getal. a2 Wat was de activiteit bij het stopzetten? ge b 10 Tl, 210Po en 213Bi? - Maak deze vervalvergelijkingen af: b1 ? → α + 234Pu b2 ? → β− + 224Ra 5 Nie rui 9 significante cijfers. (Gebruik tabel 25A.) b Bereken de energie in J en in eV van een  met een snelheid van 40 km/s. ko ps ch oo l 6 7 De isotoop 33P wordt kunstmatig gemaakt. a Zoek in tabel 25A de halveringstijd op. b Hoeveel procent is na 200 dagen vervallen? c Na hoeveel tijd is de activiteit afgenomen tot 6,25%? Na 24 uur is de radioactiviteit van een preparaat gedaald tot 12,5%. - Bereken de halveringstijd. 8 Vroeger zat er in rookmelders een klein beetje van de α-straler 241Am. Voor de veiligheid werken die tegenwoordig met een lichtsensor. a Kan de straling van 241Am bij normaal gebruik buiten het plastic doosje van de rookmelder komen? ►Als een huis echt in de fik gaat, verbrandt de rookmelder ook. b Leg uit waarom de oude rookmelders gevaarlijk voor de brandslachtoffers en de hulpdiensten kunnen zijn. In een lab wordt de activiteit van een radioactief edelgas gemeten. - Is dit 222Rn of 133Xe? Op p. 154 staat de N(t)-grafiek van een bron die 14 C bevat. a Bepaal A met de getekende raaklijn. b1 Hoeveel gram 14C bevatte de bron op t = 0 s? b2 Hoeveel gram 14C is op t = 3t1/2 verdwenen?

[close]

p. 11

8.2 Toepassingen en gevaren van straling 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. Toepassingen van straling De linker plant geeft een donkerder afdruk omdat hij het voedsel beter opnam. 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. In zee kan zand radioactief worden gemerkt om te onderzoeken hoe het wordt verplaatst door zeestromingen. ge b  Controle In de industrie worden diktes van lagen (bijvoorbeeld linoleum) en de kwalitieit van lasnaden gecontroleerd met behulp van β’s of γ’s. Een dikke laag absorbeert meer straling dan een dunne laag. Als een teller dan te veel of te weinig aanwijst, betekent dat een te dunne of te dikke laag.  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: 1 0n  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. Nie tv oo r rui + 10 5B De α’s die zo in de tumor ontstaan, doden de slechte cellen.  De badge/dosimeter Mensen die beroepshalve met radioactiviteit in aanraking komen, dragen een filmpje (badge) op hun kleding waarmee achteraf de hoeveelheid en de soort van de ontvangen straling bepaald kan worden. De gebruikte films zijn veel dikker en vooral gevoeliger dan die van Becquerel. ko ps ch oo l 157  4 2 +7 3 Li

[close]

p. 12

158 8 Radioactiviteit  Onderzoek van organen met γ’s; SPECT Voor onderzoek van menselijke organen worden γ-stralers gebruikt; bij hartpatiënten bijvoorbeeld wordt technetium ingespoten. Een zogenaamde scintillatiedetector buiten het lichaam registreert de straling. De γ’s die binnenin de patiënt worden afgegeven, gaan eerst door 40 000 kanaaltjes in lood. De γ’s die scheef invallen, komen niet door het lood heen zodat precies bekend is waar de straling vandaan komt. ge b Daarna treffen ze een kristal en produceren daar lichtflitsen (scintillaties) die geregistreerd worden door enige tientallen fotobuizen. De fotobuizen zijn aangesloten op een computer die berekent waar de γ’s op het kristal kwamen. Tijdens het onderzoek draait de detector rond de patiënt, zodat vanuit verschillende richtingen opnames gemaakt worden. Al die opnames worden door de computer samengesteld tot driedimensionale beelden van het hart. Om de opname weer te geven worden deze beelden in tien à twaalf doorsnedes opgedeeld. tv oo r Een combinatie van SPECT en CT (p. 170) levert goede resultaten bij onderzoek van darmkanker. Nie rui ko ps ch oo l Uiteindelijk produceert de computer een beeld waarin je allerlei doorsneden ziet van het hart, zowel in rust als na inspanning.  Energieproductie De energie die vrijkomt bij radioactieve processen 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. Het vermogen P van zo’n radioactieve bron kun je berekenen door de activiteit A van de bron te vermenigvuldigen met de energie van ieder uitgezonden deeltje: Pbron = A∙Edeeltje vermogen van een bron Met E = Pbron∙t kun je de totale energie berekenen. De formule zal ook van pas komen als je Estraling op p. 159 wilt uitrekenen. Voorbeeld De energie van een plutoniumbron a Controleer de eenheden in Pbron = A∙Edeeltje. ►De activiteit van een 238Pu-bron is 25 kBq. b Bereken hoeveel J na 1,0 minuut is uitgestraald. Oplossing a [P] = W = J/s [A] = Bq = s−1 [Edeeltje] =J  [A∙Edeeltje] = s−1J = J/s. b Binas 25A: E = 5,2 MeV = 8,3210−13 J. E = Pbront = 251038,3210−1360 = 1,2 J.

[close]

p. 13

8.2 Toepassingen en gevaren van straling Besmetting en bestraling 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 Fukushima. Op grote gebieden in de omgeving 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. Gevaren van ioniserende straling 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. Zie tabel 27D3. 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. H = WR∙D 1 Sv = 1 J/kg Dosis en dosisequivalent Estraling m 1 Gy = 1 J/kg D De schade die je oploopt, hangt af van de stralingsweegfactor WR van de straling. Nie tv oo r 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: ge b 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 gray rui 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. De kans op ziekte door straling 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. ko ps ch oo l 159 dosisequivalent sievert

[close]

p. 14

160 Dosislimieten 8 Radioactiviteit Als iemand in korte tijd een hoge dosis over het hele lichaam ontvangt, zijn dit grofweg de gevolgen (zie ook tabel 27D1): 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 Stralingsnormen 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. Nie tv oo r 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. ge b rui 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 wél 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 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. Bij de overheid is er een tendens om de normen steeds verder aan te scherpen. Op zich terecht, maar het gevolg 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. Een radonbad en schoenen passen Een eeuw geleden begon men ligstoelen te verhuren bij de ingang van uraniummijnen om een radonbad te kunnen nemen. Als je denkt dat die tijd voorbij is, moet je bij Google maar eens radonbad intikken, of radon health mines. Een ander beroemd voorbeeld van verkeerd gebruik van ioniserende straling is het apparaat waarmee je schoenen kon passen. Kinderen zagen m.b.v. Rö-straling door de schoen heen de botten van hun tenen wiebelen. Vooral de handen van de verkopers liepen gevaar omdat zij meerdere malen per dag tijdens het passen in de kinderschoenen knepen. Deze apparaten werden na 1950 verboden. De stralingsenergie per minuut op een hand (m = 300 gram) was bij deze machine 0,20 J; WR = 0,9. Na 10 s bestralen is het dosisequivalent veel meer dan de huidige stralingsnorm: W  E 0, 9  10 60  0, 20 H R   0,10 Sv m 0, 300

[close]

p. 15

8.2 Toepassingen en gevaren van straling Opgaven 8.2 11 Waarom is een α-straler in je longen of in je slokdarm meestal erger dan inwendige besmetting met een γ-straler? In een lokaal heeft enige tijd een γ-bron op tafel gestaan. - Heeft het zin om het lokaal na afloop te ventileren in verband met achtergebleven straling? 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 150 jaar? Om glaswerk bij kaarslicht een mysterieuze gloed te geven, werd vroeger uranium aan het glas toegevoegd. 16 12 Een ééncellige amoebe met een massa van 1∙10−9 kg sterft als hij 1∙10−6 J aan stralingsenergie met WR = 1 ontvangt. a Bereken de dodelijke effectieve dosis. ►Voor een kip (1,5 kg) is de dodelijke effectieve dosis 50 Sv. b Bereken de dodelijke hoeveelheid stralingsenergie door α’s (WR = 20) voor een kip. c Hoe zou het komen dat de dodelijke dosis voor de amoebe zo hoog is? Een stewardess vliegt gemiddeld 20 uur per week op 11 km hoogte. Daar ontvangt zij per uur 7,0 μSv. - Ga met Binas na of zij de stralingsbeschermingsnorm overschrijdt. Bij het werken met β−-stralers is een veiligheidsbril (4 mm dik glas) verplicht. Dit mag geen loodglas zijn. a Ga met tabel 25A van Binas na welke kernsoorten zouden ontstaan als stabiele loodkernen een β− invangen. b Leg het verbod op loodglas uit. 13 17 14 18 - Word je radioactief besmet of bestraald als je uit zo’n wijnglas drinkt? 15 b tv oo r a c d e Een bron met 137Cs heeft een activiteit van 3,7∙104 Bq. Zoek t½ op en leg uit waarom de activiteit van 137 Cs gedurende een uur vrijwel constant is. Bereken hoeveel kernen na 1,0 uur zijn vervallen. ►De bron zendt γ’s uit met een energie van 0,66 MeV. Een man van 60 kg werkt gedurende een uur dichtbij de bron en absorbeert 10% van de gammastraling. Bereken de energie die hij absorbeert. Bereken de dosis. ►WR = 0,8. Bereken het dosisequivalent. Nie ge b rui 19 20 21 ‘De intensiteit van de achtergrondstraling is een belangrijke maat om de schadelijkheid van andere straling te bepalen.’ - Verklaar deze uitspraak. Een vloeistof bevat 24Na; 1 cm3 ervan heeft een activiteit van 950 Bq en wordt ingespoten in het bloed van een patiënt. Als 29,6 uur later wordt gemeten blijkt de activiteit van 1 cm3 bloed 24 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? Een patiënt krijgt 131I toegediend. a Hoelang duurt het totdat de radioactiviteit in haar lichaam (afkomstig van 131I ) is gedaald tot 25%? b Na hoeveel tijd is 93,75% verdwenen? ko ps ch oo l 161

[close]

Comments

no comments yet