Bestand downloaden

Natuurkunde - Hoofdstuk 5 - Samenvatting + Begrippen
§1 - Atoombouw





Een atoom bestaat uit een kern en elektronen die rond de kern bewegen. De kern bestaat
uit protonen en neutronen.
Massa proton = massa neutron
/ Massa elektron is veel lager (verwaarloosbaar)
Aantal proton (+) = aantal elektronen (-) → atoom elektrisch neutraal
Atoom: elektronen weg of erbij → negatief of positief geladen ion.
Straling met voldoende energie kan een atoom ioniseren: het stoot een elektron uit het
atoom.
Ioniserende straling: straling met voldoende energie die een elektron wegstoot van de kern,
waardoor de atoom een positieve lading krijgt.
§2 - Röntgenstraling
Röntgenstraling zendt fotonen uit, die meer energie hebben dan zichtbaar licht, waardoor ze door je
lichaam heen kunnen.
De energie van een foton hangt af van de frequentie van de elektromagnetische straling: hoe groter
de frequentie is, des te groter is de fotonenergie (Ef) → Fotonenergie <evenredig> frequentie.
Ef = h · f
Ef = fotonenergie (J) - f = frequentie (Hz) - h=evenredigheidsconstante (6,626·10-34 J·s)
Röntgenfotonen hebben meestal een energie tussen de 10-16 J - 10-13 J.
1 elektronenvolt (eV) = 1,6·10-19 J
= 103 eV - 106 eV
3
6
1 keV = 1·10 eV
1 Mev = 1·10 eV
1 Mev = 1·103 keV
Ioniseren van een atoom: het wegstoten van een elektron door een foton, waardoor het atoom een
positieve lading krijgt.
Doordringend vermogen: de afstand die de straling kan afleggen door een bepaald soort materie
heen.
Ioniserend vermogen: het wegstoten van elektronen door de straling
Deze twee eigenschappen zijn het gevolg van de relatief grote energie van de fotonen van
röntgenstraling.
Absorptie: het tegenhouden en opnemen van straling.
Lichte gebieden: veel straling tegengehouden
= absorptie
Donkere gebieden: veel straling doorheen gegaan
= transmissie
Foton verdwijnt → energie ervan wordt gebruikt om het atoom te ioniseren
De fotonen worden apart geabsorbeerd door atomen in het materiaal, het ene foton eerder dan het
andere. Hierdoor is de absorptie van röntgenstraling nooit volledig. Er zijn altijd fotonen die door het
materiaal heen dringen.
Hoe groter de absorptie van röntgenstraling door een materiaal, des te kleiner is de intensiteit (I) van
de doorgelaten straling.
Intensiteit: de hoeveelheid energie (E) die in 1 seconden een dwarsdoorsnede van 1 m2 passeert.
1
2
I = I0 · ( )n
Eenheid intensiteit: J/(s·m2) of W/m2
I = intensiteit
I0 = intensiteit invallende röntgenstraling
n = halveringsdikte
De absorptie van röntgenstraling door een materiaal hangt af van het soort materiaal en de dikte van
dat materiaal.
Materiaalsoort: de absorptie van materialen zijn erg verschillend. Bv: weefsel: lage absorptie, lood:
hoge absorptie.
Materiaaldikte: hoe groter de dikte van het materiaal is, des te groter is de absorptie van
röntgenstraling en des te kleiner is de intensiteit van de doorgelaten straling.
Dikte <evenredig> absorptie <omgekeerd evenredig> intensiteit doorgelaten straling
Halveringsdikte
Halveringsdikte (d1/2): de dikte van een laagje dat de helft va de straling doorlaat.
- Hoe groter de halveringsdikte hoe meer straling wordt doorgelaten.
- Hoe groter de dichtheid van een materiaal is, des te kleiner is de halveringsdikte.
- Hoe hoger de fotonenergie is, des te groter is de halveringsdikte
Grote dichtheid = aantal elektronen per atoom groot → kans op absorptie groter.
1
I = I0 · (2)n
+
𝑑
n = 𝑑1/2
1
→ I = I0 · (2)d/d1/2
I = intensiteit
I0 = intensiteit invallende röntgenstraling
n = halveringsdikte
d = dikte
§3 - Kernstraling
Bij kernstraling komt er een deeltje uit de atoomkern. Dat deeltje bestaat uit:
α-straling: 2 protonen & 2 neutronen - Dit zijn vergeleken met de rest grote en zware deeltjes.
β-straling: 1 elektron - veel lichter en kleiner dan alfadeeltje.
γ-straling: 1 foton - een elektromagnetische straling, met meer energie dan röntgenfotonen.
Soort
straling
αstraling
eigenschappen
- Groot ioniserend
vermogen dus kan in een
klein gebied veel
schade aanrichten.
- Makkelijk tegen te
houden.
- Lager ioniserend
vermogen dan α-straling
dus richt minder schade
aan
- Een groter bereik door
groter doordringend
vermogen
- Groot doordringend
vermogen, lood houdt
niet alles tegen
- Klein ioniserend
vermogen
βstraling
γstraling
röntgenstraling
- Groot doordringend
vermogen, lood houdt
niet alles tegen
- Klein ioniserend
vermogen
ioniserend
vermogen
groot
doordringend
vermogen
klein
Aard straling
Verval
Dracht
Helium-4
kernen
4
4
α of He
2
2
klein
matig
matig
elektronen
β -:
0
e
−1
β +: 0 e
1
klein
groot
elektromagnetische
klein
groot
Elektromagnetische
straling
straling
Uitstraling foton,
samenstelling
atoomkern
veranderd niet
Fotonen
worden
niet
afgeremd.
Uitstraling foton,
samenstelling
atoomkern
veranderd niet
Fotonen
worden
niet
afgeremd
Ioniserend vermogen: hoe goed een straling atomen van ioniseren.
doordringend vermogen: hoe gemakkelijk een straling een stof kan doordringen.
Activiteit
In radioactieve stoffen zijn de atoomkernen instabiel: ze zenden op een willekeurig moment een
stralingsdeeltje uit, waardoor hij verandert in een atoomkern van een andere stof. Dit is radioactief
verval.
Het aantal instabiele atoomkernen dat per seconden vervalt, noemen we de activiteit (A) van de
bron. Dit wordt gemeten in de eenheid becquerel (Bq).
1
2
A = A0 · ( )n
+
𝑡
n = 𝑡1/2
↓
1
A = A0 · (2)t/t1/2
matig
A = activiteit (Bq)
A0 = activiteit op t=0 (Bq)
n = aantal halveringstijden
t = tijdstip
t1/2 = de halveringstijd
Zelfde eenheid!
Halveringstijd
Halveringstijd (t1/2): de tijdsduur waarin de activiteit van een radioactieve bron 2x zo klein wordt →
de tijdsduur waarin de helft van de instabiele atoomkernen vervallen.
Radiodiagnostiek: gebruik van ioniserende straling in de gezondheidszorg voor onderzoek.
 Meestal röntgenstraling, soms kernstraling (alleen in de afdeling nucleaire geneeskunde).
 Er wordt een stof in het lichaam aangebracht (tracer), waardoor de door de stof uitgezonden
straling gemeten kan worden.
 De tracer is meestal γ-straling, omdat α- en ϐ-straling geabsorbeerd wordt in het lichaam.
Er wordt wel iets γ-straling geabsorbeerd, maar hiervan is de halveringstijd klein zodat de
activiteit laag blijft.
Radiotherapie: gebruik van straling voor het behandelen van patiënten.
 Gerichte γ- en ϐ-straling kunnen cellen als tumoren vernietigen.
 Uitwendige bestraling: stralingsbron bevindt zich buiten het lichaam; verzend γ-straling.
Inwendige bestraling: capsule met radioactieve ϐ-straling; klein doordringend vermogen,
groot ioniserend vermogen.
Deze ϐ-straling is effectiever dan γ-straling, omdat ϐ-straling beter wordt geabsorbeerd.
§4 - Radioactief verval
Kernstraling bestaat uit α-deeltjes (4He), ϐ-deeltjes (elektronen) en/of γ-fotonen.
Deeltje
α-deeltje
ϐ-deeltje
γ-deeltje
2
Bestaat uit
2 protonen + 2 neutronen
elektron
foton
Atoomkernen
Doordat er deeltjes wegschieten uit instabiele atoomkernen verandert de massa en/of de lading van
de atoomkern → wordt kern van een andere atoomkern.
N=
1
N0 ·( 2)n
+
n=
𝑡
𝑡1/2
→
N = N0 ·(
1 t/t1/2
)
2
N = instabiele atoomkernen t=0
n = aantal halveringstijden
t = tijd / t1/2=halveringstijd (zelfde eenheid)
Atoomnummer (Z): het aantal protonen in de kern; geeft lading van de kern aan.
Massagetal (A): neutronen + protonen in de kern.
Bij radioactief verval: behoud van lading en massagetal.
Isotopen: kernen van dezelfde atoomsoort maar met een verschillend aantal neutronen.
→ hetzelfde atoomnummer, maar verschillend massagetal.
Vervalvergelijking - Alfastraling
4
4
α = He
2
2

2 protonen & 2 neutronen ; massagetal (A)= 4 - atoomnummer (Z)=2

Bij uitstoot: - 4 kerndeeltjes: massagetal (A)=-4, waarvan 2 protonen: atoomnummer (Z)=-2
226
222
4
Ra →
Rn + He
88
86
2

- Bètastraling
Neutron uit kern → elektron + proton, waarbij de proton blijft zitten
en de elektron wordt uitgestoten; -neutron, -elektron, +proton
1
n → 1p + 0 e
0
1
−1

VB:
Massagetal (A)= gelijk
Atoomnummer (Z)=+1
131
I → 131Xe + 0 e
53
54
−1
- Gammastraling
Door een te grote hoeveelheid energie stoot een atoomkern meestal ook γ-straling uit.
Hierbij wordt 1 γ-foton uitgezonden. De samenstelling van de kern veranderd niet.
Positronstraling
Als er ϐ+-verval is: als er naar verhouding teveel protonen (dan neutronen) in de atoomkern zitten.

1
p → 1n + 0e
0
1
1
Proton → neutron + positron
VB:
18
F → 18O + 0e
9
8
1
Positron (antideeltje): uitgezonden
deeltje door atoomkern: zelfde
massa/lading als het elektron, maar dan
een positieve lading.
Annihilatie: de vernietiging tussen een deeltje en een antideeltje die botsen, waardoor er twee
γ-fotonen ontstaan;
massa + kinetische energie → fotonenergie
Paarvorming/creatie: omgekeerde annihilatie, waarbij deeltjes en antideeltjes ontstaan uit een
γ-foton met voldoende energie;
fotonenergie → massa + kinetische energie
Behoud van het totale aantal kerndeeltjes en de totale elektrische lading.
Protonen- en neutronenstraling
Bij het beschieten van stabiele atoomkernen met bijvoorbeeld α-deeltjes kunnen kernreacties
optreden waarbij een proton of een neutron vrijkomt: protonenstraling (p-straling) en
neutronenstraling (n-straling).
Behoud van het totale aantal kerndeeltjes en de totale elektrische lading.
Protonenstraling: 14N + 4He →17O + 1p
7
2
8
1
Neutronenstraling: 9Be + 4He →12O + 1n
4
2
6
0
Activiteit
A = activiteit (Bq)
A=-
∆𝑁
( ∆𝑡 )raaklijn
=-
𝑑𝑁
𝑑𝑡
∆𝑁
-( ∆𝑡 ) raaklijn = hellingsgetal (s-1) op tijdstip t
Activiteit A is groter naarmate het aantal instabiele atoomkernen N groter is, en naarmate de
halveringstijd t1/2 van de radioactieve stof kleiner is.
A=
in2
t1/2
·N=
0,693
t1/2
·N
A = activiteit (Bq)
N = instabiele atoomkernen
t1/2 = halveringstijd
In2 = logaritme van 2 = 0,693
Activiteit <recht evenredig> aantal instabiele atoomkernen
Activiteit <omgekeerd evenredig> de halveringstijd
Atomaire massa-eenheid
1. Zoek de atoommassa op in Binas T.25 (in u)
2. Bereken de massa van 1 atoom
3. Bereken aantal atomen
u = 1,6·10-27 kg
ma = atoommassa · u
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
N=
(beide in Kg)
𝑎𝑡𝑜𝑜𝑚𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
§5 - Stralingsbelasting
Grootheid: Dosis (D): een maat voor de geabsorbeerde hoeveelheid stralingsenergie; stralingsenergie
dat 1 kg van het bestraalde voorwerp heeft geabsorbeerd.
Eenheid: Gray (Gy): 1 Gy = stralingsabsorptie van 1 J/kg
D=
𝐸𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙𝑖𝑛𝑔
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
D = dosis (J/kg of Gy)
Estraling = geabsorbeerde stralingsenergie (J)
Massa (Kg)
De aangerichte schade in het lichaam hangt af van: de dosis en van de soort straling.
Grootheid: Equivalente dosis (H): maat voor de mogelijke schade in het lichaam.
Eenheid: sievert (Sv): 1 Sv = 1·103 mSv = 1·106 µSv
H = equivalente dosis (Sv)
WR = stralingsweegfactor (-)
D = dosis (Gy)
R = 'radiation'
Stralingsweegfactor: getal hangt af van soort straling (Binas T.27D.3).
H = WR · D
Effecten
 Hoge equivalente dosis (>5 Sv): stralingsziekte op korte termijn
 Lage equivalente dosis (<250 mSv): kans op tumorvorming op lange termijn (door beschadigd
DNA)
Achtergrondstraling
Kosmische straling: snelle deeltjes en γ-straling uit het heelal.
Achtergrondstraling: alle (kleine beetjes) straling op aarde.
Bestraling en besmetting
Besmetting: radioactieve stoffen die zich in of op het lichaam zitten; uitwendige bestraling.
Alfa- en bètastraling
Bij botsing van α- en ϐ-straling tegen adnere atomen, wordt telkens een klein deel van hun energie
gebruikt voor ioniseren. Hierdoor daalt de snelheid.
Dracht: de afstand die α- en ϐ-deeltjes afleggen in een materiaal. Hangt af van: energie van de
deeltjes, soort absorberend materiaal.
Röntgen- en gammastraling
De fotonen van röntgen en gammastraling kunnen niet worden afgeremd: ze bewegen altijd met de
lichtsnelheid. De fotonen worden wel groten deels geabsorbeerd, hoewel dit nooit volledig is.
Uitwendige bestraling
In lichaam:
α-straling : vrijwel ongevaarlijk; dracht erg klein, energie wordt al afgegeven in hoornlaag van huid.
ϐ-straling: vrijwel ongevaarlijk; dracht iets groter, maar nog steeds vrijwel onschadelijk.
γ-straling: gevaarlijk; dracht erg groot, kan ionisatie veroorzaken.
Inwendige bestraling
Zie tabel §3 - Blz 3 Samenvatting
In lichaam:
α-straling: gevaarlijk; groot ioniserend vermogen in een klein gebied.
ϐ-straling: vrijwel ongevaarlijk; matig ioniserend vermogen.
γ-straling: ongevaarlijk; laag ioniserend vermogen.
Biologische halveringstijd: de tijd die het kost om de helft van de radioactieve stof via natuurlijke
weg uit het lichaam te halen.
Stralingsbescherming
Tijd: hoe korter het lichaam aan straling wordt blootgesteld, des te kleiner is de opgelopen dosis.
Afstand: de radioactieve bron geeft geen evenwijdige bundel straling. Hoe verder weg van de bron,
hoe lager de stralingsintensiteit.
Afscherming: absorberend materiaal dragen tussen bron en lichaam (beton, lood, enz.)
§6 - Beeldvorming
ZIE BINAS TABEL 29!