Bestaand (les)materiaal

Bestaand (les)materiaal
Loran de Vries
Database www.adrive.com
Email: [email protected]
ww: Natuurkunde4life
NiNa lesmateriaal



Leerlingenboekje in Word
Docentenhandleiding
Antwoorden op de opgaven
Hadronenkwartet


Speelkaarten
Regels
Videomateriaal

youtubenatuurkunde.wikia.com

Korte fragmenten
BBC documentaires
Van quantum tot quark


Nederlandse Tijdschrift artikelen


Natuur (Wetenschap)
en Techniek 36 artikelen
Nikhef archief
(177 Krantenartikelen)
Engelse Tijdschrift artikelen

The physics teacher
(48 artikelen)

Physics Education
American journal
of physics

Boeken
Populair wetenschappelijk (NL)
Populair wetenschappelijk (Eng)
Middelbare schoolniveau (NL)
Middelbare schoolniveau (Eng)
Universitair niveau
Websites
Ioniserende straling
Atomen bouwen met protonen neutronen en elektronen
bepaalt atoomsoort
massagetal A:
aantal protonen Z en
neutronen N
A=Z+N

A: aantal protonen Z en neutronen N
A=Z+N

Kernen met een gelijk aantal protonen maar een
verschillend aantal neutronen heten isotopen.





Gelijk atoomnummer, maar een verschillend massagetal
Isotoop betekent ‘dezelfde plaats’ (in het periodiek
systeem)
1
Waterstof-1
1H
Waterstof-2 (deuterium) 2H
1
Waterstof-3 (tritium)
3
1H

Beschouw de volgende kernen N
Deze kernen hebben hetzelfde…
12
7
a)
b)
c)
aantal protonen
aantal neutronen
aantal kerndeeltjes
13
7
N
14
7
N

Beschouw de volgende kernen C
Deze kernen hebben hetzelfde…
12
6
a)
b)
c)
aantal protonen
aantal neutronen
aantal kerndeeltjes
13
7
N
14
8
C

Beschouw de volgende kernen C
Deze kernen hebben hetzelfde…
14
6
a)
b)
c)
aantal protonen
aantal neutronen
aantal kerndeeltjes
14
7
N
14
8
O
Meer dan 3000 isotopen, 266 stabiel
BiNaS tabel 25 Isotopen
63
29

Cu
Koper-63 heeft 29 protonen
en 63 – 29 = 34 neutronen
204
82
Pb
206
82
Pb
207
82
Pb
Lood-204 heeft 82 protonen en 122 neutronen
Lood-206 heeft 82 protonen en 124 neutronen
Lood-207 heeft 82 protonen en 125 neutronen
Tabel 99 (periodiek systeem)
203,97304· 0,0148
205,97446· 0,236
206,97589· 0,226
207,97664· 0,523 +
207,1771 ≈ 207,2 u
Instabiele kernen -verval

 (alpha) straling: kern zendt He-4 kern uit
4
2
238
92
U  24 He 
238  4
92  2
238
92
U  24 He 
234
90
He
X
Th
157
72
Hf
Wat is de correcte dochterkern van moederkern
na alfa verval?
a)
b)
c)
153
72
Hf
153
70
Yb
157
70
Yb
157
72
Hf
Waarom zijn er neutronen nodig?







Protonen stoten elkaar af
(gelijke lading)
De sterke kernkracht is de
aantrekkingskracht tussen
protonen en neutronen
De sterke kernkracht
voorkomt dat kernen zichzelf
opblazen.
Neutronen zijn ongeladen en zorgen voor extra ‘lijm’
Sterke kernkracht werkt alleen op korte afstand.
Na 3 protondiameters is deze al nul.
De elektromagnetische afstoting van protonen werkt wel over grote
afstand.
Dus grotere kernen hebben meer neutronen nodig.




Deeltjes in een kleine kern ervaren een
grote aantrekkende sterke kernkracht
Deeltjes aan de uiteinden van een groot atoom
zitten verder van elkaar en voelen de sterke
kernkracht minder, maar elektrische afstoting
nog wel.
Neutronen zijn ongeladen en zorgen voor extra ‘lijm’
Dus grotere kernen hebben meer neutronen nodig.
Grotere kernen hebben voor stabiliteit meer neutronen.
Na Bismut lukt dit niet meer. Isotopen Z > 83 instabiel.
Alpha verval
238
92
U  24 He 

234
90
Th
Instabiele kernen - verval
- (bèta min) straling:
neutron vervalt tot proton en een elektron.
1
0
234
90
n
Th 
1
1
234
91
p

Pa 
0
1
0
1
e-
e
234
90
Th 
234
90 1
X
0
1
e
234
90
Th 
234
91
Pa 
0
1
e
157
72
Hf
Wat is de correcte dochterkern van moederkern
na - verval?
a)
b)
c)
183
72
Hf
183
73
Ta
184
73
Ta
184
72
Hf
+ verval en K-vangst


+ (bèta +) straling of positron emissie:
proton vervalt tot neutron en een positron
(positief geladen elektron).
K-vangst of elektronen vangst
uit de K-schil
(binnenste elektronenbaan)
1
1
22
12
p 
Mg 
0
1
e
0
1
e
1
0
n
22
11
Na
1
1
22
12
p 
1
0
Mg 
22
11
n
 01 e 
Na  01 e
157
72
Hf
De cobalt isotoop Co vervalt naar de
nikkel isotoop Ni
Hier is sprake van…
60
27
60
28
a)
b)
c)
d)
e)
alpha verval
bèta - verval
bèta + verval
gamma verval
K-vangst
Kernen met ‘teveel neutronen’ vertonen - verval
Kernen met ‘teveel protonen’ vertonen + verval of K-vangst
- verval
+ verval
(radio)Activiteit



Activiteit geeft aan hoeveel kernen er per
seconde vervallen
Als een preparaat 104 ’s per seconde uitzendt,
vervallen er dus 104 kernen per seconde.
A = 104 Bq (becquerel)
Definitie:
N (t )
A
t
A is de activiteit in becquerel (Bq)
 Met N(t) het aantal nog niet vervallen kernen
 In de tijd t vervallen N kernen.
 Minteken is nodig want N neemt af


Hoe groter het aantal radioactieve kernen N(t)
hoe groter de activiteit met  een constante.
N (t )
 N (t )
t
1
N (t )  t
N (t )
1
dN (t )  dt
N (t )
t
N (t )
1
N (t  0) N (t ) dN   dt
0
N (t )
t
ln |N (0)  t |0
ln N (t )  ln N (0)  t
want g log a - g log b = g log
a
b
N (t )
 t
ln
N (0)
N (t )
 e  t  N (t )  N (0)e  t ook geldt A(t )  A(0)e  t
N (0)
Halveringstijd



Wanneer een kern vervalt, is niet te voorspellen.
Over heel veel radioactieve kernen kunnen we wel een
voorspelling doen.
De tijd waarin de helft van het oorspronkelijke aantal
kernen vervallen is, noemen we de halveringstijd t1/2
t
1 t1/2
N (t )  N (0) 
2
Verband tussen halveringstijd t1/2 en vervalconstante 
N (t )  N (0)e  t
1
2
N (0)  N (0)e
ln 2
op t =t 1 is de helft vervallen, dus N (t )  21 N (0)
2
2
 t 1
e 2
ln 21  t 1
1
2
 t 1
1
2
 t 1
want g log a p  p 
2
 ln 2  t 1   
2
g
log a
ln 2
t1
2
N (t )  N (0)e  t
N (t )  N (0)e
 ln 2
met  
t
t1/2

 N (0) e
ln 2
t1
2
 ln 2

t
t1/2
t
1 t1/2
N (t )  N (0)
2
(want e
 ln 2
e
ln 21
e
ln 1
2
 21 )
157
72
Hf
We starten met 1000 radioactieve atomen.
Hoeveel halveringstijden zijn er verstreken als er 750 atomen
zijn vervallen?
a)
b)
c)
d)
0,25
1,5
2,0
2,5
α, β,γ-straling

α-straling
bestaat uit
heliumkernen

β-straling
bestaat uit elektronen

γ-straling
α, β,γ-straling
snelheid
ioniserend
vermogen
Doordringend
vermogen
α-straling
Groot
(15000 km/s)
Zeer groot,
energie snel kwijt
Niet ver; 1 dm in
lucht, niet door
kleding
β-straling
300000 km/s
Kleiner
Groter; enkele
meters in lucht
γ-straling
hoog
weinig
Zeer groot, door
laagioniserend
vermogen
door kleine massa
Dosis en dosis-equivalent:
E
D
• Geabsorbeerde dosis =
m
geabsorbeerde energie/massa orgaan
str
• Eenheid =
J/kg = Gray (Gy)
H
• Dosis-equivalent =
kwaliteitsfactor x dosis
• Eenheid = Sievert (Sv)
 QD
Stralingsbelasting:
•Achtergrondstraling: 2 mSv/jaar (Ned.)
•Röntgenfoto:
0,01– 1 mSv/foto
•Wintersport:
0,03 mSv/week
•50 % overlijdt bij:
4 Sv (gehele lichaam)
Sv - Bq
Sv is een zeer grote eenheid
meestal µSv (microSievert)
Bq is een zeer kleine eenheid
meestal MBq (megaBequerel)