PowerPoint-presentatie
advertisement
Examenprogramma VWO 2010 Domein: Golven en straling Subdomein: Radioactiviteit Samenvatting Ioniserende straling ISP Inhoud 1 2 3 4 5 Soorten ioniserende straling Radioactief verval Effecten van ioniserende straling Kernsplijting en kernfusie Kernenergie ISP Examenprogramma VWO 2010 2 1 Soorten ioniserende straling • • • • • • • • ISP Atoombouw Röntgenbuis Röntgenstraling Kernstraling Ioniserend vermogen Doordringend vermogen Bronnen Detectie Examenprogramma VWO 2010 3 Atoombouw • kern (protonen en neutronen) en elektronenwolk (elektronen in schillen) • atoomnummer Z: aantal protonen in de kern • massagetal A: aantal nucleonen (of kerndeeltjes: protonen en neutronen) • notatie: ZA X • isotopen: hetzelfde aantal protonen (Z) in de kern (dus: hetzelfde element X), maar verschillend aantal neutronen (N) in de kern en dus verschillend massagetal (A = Z + N) ISP Examenprogramma VWO 2010 4 Röntgenbuis • • • • door verhitting kathode K komen elektronen vrij elektronen worden versneld door spanning UAK elektronen botsen tegen anode A interactie met atomen van anodemateriaal geeft röntgenstraling ISP Examenprogramma VWO 2010 5 Röntgenstraling • bij interactie met atomen van het anodemateriaal worden elektronen afgeremd of veranderen van richting en zenden fotonen uit – remstraling • sommige elektronen schieten een elektron weg uit één van de binnenschillen van het atoom, waarna het gat wordt opgevuld door een elektron uit een hogere schil – karakteristieke röntgenstraling • fotonenergie: Ef = h·f ISP Examenprogramma VWO 2010 6 Kernstraling • instabiele kern verandert in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling 4 • α-straling: heliumkernen ( 2 He ) • β-straling: elektronen ( -10 e ) – ontstaat doordat een neutron in de atoomkern vervalt tot een proton en een elektron • γ-straling: fotonen – ontstaat doordat de atoomkern vanuit een aangeslagen toestand terugvalt naar de grondtoestand ISP Examenprogramma VWO 2010 7 Ioniserend vermogen • bij doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen • stralingsdeeltje (α,β) of foton (röntgen,γ) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie ISP Examenprogramma VWO 2010 8 Doordringend vermogen • α- en β-straling: dracht • dracht R: afstand waarover het stralingsdeeltje al zijn energie heeft afgegeven aan het materiaal – hangt af van de soort straling, de energie van het stralingsdeeltje en de dichtheid van het materiaal ISP Examenprogramma VWO 2010 9 Doordringend vermogen • röntgen- en γ-straling: halveringsdikte • halveringsdikte d1/2: afstand waarover een materiaal de helft van de invallende fotonen heeft geabsorbeerd – hangt af van de fotonenergie en de dichtheid van het materiaal • de intensiteit Id van de doorgelaten straling neemt exponentieel af met de dikte d van het materiaal: I d = I0 ISP 1 d/d1/2 2 Examenprogramma VWO 2010 10 Ioniserend en doordringend vermogen soort straling ioniserend vermogen doordringend vermogen • α-straling groot klein • β-straling matig klein klein matig groot groot • röntgenstraling • γ-straling ISP Examenprogramma VWO 2010 11 Bronnen natuurlijke stralingsbronnen: achtergrondstraling • kosmos • bodem, water en lucht > voedsel en bouwmaterialen • • • • • kunstmatige stralingsbronnen medische toepassingen: diagnose en therapie kernreactoren, opslagplaatsen van radioactief afval deeltjesversnellers consumentenproducten zoals rookmelders en beeldschermen fall-out door nucleaire rampen en kernbomproeven ISP Examenprogramma VWO 2010 12 Detectie • • • • • • Geiger-Müller telbuis gasgevulde metalen cilinder (kathode) met op de cilinderas een metalen draad (anode) spanning van 1 kV vooral gevoelig voor βdeeltjes deeltje veroorzaakt ionisatie van één of meer gasatomen vrijgemaakte elektronen versnellen naar anode en ioniseren daarbij meer gasatomen: er ontstaat een lawine van elektronen die een spanningspuls levert elektronische teller telt het aantal pulsen ISP Examenprogramma VWO 2010 13 Detectie • • • • • • • Bellenvat vat met doorzichtige vloeistof temperatuur vloeistof vlak onder kookpunt invallende straling zorgt voor ionisaties door drukverlaging gaat de vloeistof spontaan koken: rond de ionen vormen zich dampbellen banen van de deeltjes zijn zichtbaar als bellenspoor gekromde banen onder invloed van magnetisch veld meestal wordt een foto van het bellenspoor gemaakt ISP Examenprogramma VWO 2010 14 Detectie • • • Dradenkamer een rij dicht op elkaar liggende anode-draden is gespannen tussen twee kathode-platen invallende straling zorgt voor ionisaties de draden detecteren de door ionisatie vrijgekomen elektronen een computerprogramma berekent het ionisatiespoor deeltje • kathode-platen anode-draden ISP Examenprogramma VWO 2010 15 Detectie • • • • Dosismeter bevat materiaal dat de energie van de invallende straling absorbeert vroeger een fotografische film – na ontwikkelen bepaalt de zwarting de dosis tegenwoordig thermoluminescentie – straling brengt atomen in aangeslagen toestand, na verhitting komt energie vrij in de vorm van licht: de lichtintensiteit bepaalt de dosis. uitvoering als badge ISP Examenprogramma VWO 2010 16 2 Radioactief verval • Halveringstijd • Activiteit • Vervalvergelijking ISP Examenprogramma VWO 2010 17 Halveringstijd • bij radioactief verval verandert een instabiele kern in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γstraling • de halveringstijd t1/2 is de tijd waarin de helft van het aanwezige aantal instabiele kernen vervalt • het aantal aanwezige instabiele kernen Nt neemt exponentieel af in de loop van de tijd t: N t = N0 1 t/t1/2 2 = N 0 e -λ t • vervalconstante: λ= ISP ln 2 t1/2 Examenprogramma VWO 2010 18 Activiteit • de activiteit A is het aantal vervallende kernen per seconde: ΔN A=Δt • eenheid: becquerel (Bq) • de activiteit At neemt exponentieel af in de loop van de tijd t: 1 t/t At = A0 2 = A0 e -λ t • vervalkromme 1/2 ISP Examenprogramma VWO 2010 19 Vervalvergelijking • α-verval: A Z X A- 4 Z -2 Y + 42 He • het α-deeltje is een heliumkern • behoudsprincipes: massagetal: A = (A – 4) + 4 atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2 ISP Examenprogramma VWO 2010 4 2 A Z X A-4 Z-2 Y He 20 Vervalvergelijking 0 -1 e (β - deeltje) • β–-verval: A Z A X Z +1 Y + -10 e • het β–-deeltje is een elektron • behoudsprincipes: βmassagetal: A = A + 0 atoomnummer: Z = (Z + 1) – 1 • bij β–-verval vervalt een neutron in de kern tot een proton en een elektron: A Z X A Z+1 Y n 11p + -10 e 1 0 • het elektron wordt door de kern uitgestoten ISP Examenprogramma VWO 2010 21 Vervalvergelijking • β+-verval: A Z X Z A- 1Y + 01e • het β+-deeltje is een positron: het antideeltje van het A elektron ZX • behoudsprincipes: + β massagetal: A = A + 0 atoomnummer: Z = (Z – 1) + 1 A Z-1Y + • bij β -verval vervalt een proton in de kern tot een neutron en een positron: 1 1 p 01n + 01 e • het positron wordt door de kern uitgestoten ISP Examenprogramma VWO 2010 22 Vervalvergelijking Y AZ Y + γ • het γ-deeltje is een foton • na α- of β-verval bezit de kern vaak nog teveel energie: de kern bevindt zich in een aangeslagen toestand (aangegeven door de letter m achter het massagetal) • de kern raakt deze energie kwijt door het uitzenden van een γ-foton • γ-straling wordt dus uitgezonden in combinatie met α- of β-straling ISP Y A Z Y γ • γ-verval: Am Z Am Z Examenprogramma VWO 2010 23 Vervalvergelijking • K-vangst: A Z X + -10 e Z A- 1Y • de kern trekt een elektron uit de K-schil de kern in • daar combineert het ‘ingevangen’ elektron met een proton tot een neutron: p + -10 e 01n 1 1 • het ‘gat’ in de K-schil wordt gevuld door een elektron uit de L- of M-schil onder uitzenden van een röntgenfoton ISP Examenprogramma VWO 2010 24 3 Effecten van ioniserende straling • • • • • ISP Bron – straling – ontvanger Bestraling en besmetting Dosis en dosisequivalent Beschermingsmaatregelen Afwegen van risico’s Examenprogramma VWO 2010 25 Bron – straling – ontvanger • schema: besmetting ioniserende straling bron radioactiviteit radioactieve stof radioactief verval activiteit halveringstijd ISP ontvanger bestraling soorten straling ioniserend vermogen doordringend vermogen Examenprogramma VWO 2010 dosis dosisequivalent absorptie halveringsdikte 26 Bestraling en besmetting • bij bestraling absorbeert een ontvanger straling ‘van buitenaf’: uitwendige bestraling • bij besmetting heeft een ontvanger zelf radioactieve stoffen binnengekregen (op of in het lichaam) en ontvangt daardoor straling ‘van binnenuit’: inwendige bestraling besmetting ioniserende straling bron radioactiviteit ISP ontvanger bestraling Examenprogramma VWO 2010 27 Dosis en dosisequivalent • de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal: Estr D= m • eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg) • het dosisequivalent H is de dosis, gecorrigeerd voor het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling: H=Q D • eenheid: sievert (Sv) • weegfactor: Qα = 20 en Qβ = Qγ = Qrö = 1 ISP Examenprogramma VWO 2010 28 Beschermingsmaatregelen • het jaarlijkse dosisequivalent van zo’n 2 mSv als gevolg van de natuurlijke achtergrondstraling is onontkoombaar • de ontvangen extra dosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven • er zijn drie mogelijkheden om het stralingsrisico voor stralingswerkers te beperken: • verkorten van de tijd dat de stralingswerker met de bron bezig is • afscherming van de bron • vergroten van de afstand tot de bron ISP Examenprogramma VWO 2010 29 Afwegen van risico’s • toepassingen moeten gerechtvaardigd zijn • de ontvangen stralingsdosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven • bij medisch diagnostische stralingstoepassingen steeds nagaan of er alternatieven zijn (zoals MRI of echoscopie) • voor medisch therapeutische stralingstoepassingen (bestraling) geldt een andere afweging: het risico van niet behandelen tegenover het risico van de stralingsdosis • deze stralingsdosis valt niet onder de dosislimiet ISP Examenprogramma VWO 2010 30 4 Kernsplijting en kernfusie • Bindingsenergie en massadefect • Bindingsenergie per nucleon • Energie bij kernsplijting en kernfusie ISP Examenprogramma VWO 2010 31 Bindingsenergie en massadefect • de energie die nodig is voor het afbreken van de atoomkern tot ‘losse’ nucleonen (protonen en neutronen) – en dus de energie die vrijkomt bij het opbouwen van die kern uit ‘losse’ nucleonen – is de bindingsenergie Eb • de totale massa van de ‘losse’ nucleonen is groter dan de massa van de kern • het verschil in massa is het massadefect Δm • volgens de equivalentie van massa en energie (E = m·c2) geldt: Eb E b = Δm c 2 ISP Examenprogramma VWO 2010 32 Bindingsenergie per nucleon • de bindingsenergie Eb gedeeld door het massagetal A is de bindingsenergie per nucleon: Eb/A • de bindingsenergie per nucleon hangt af van het massagetal – en is dus per element splijting verschillend fusie • bij fusie van twee lichte kernen en bij splijting van een zware kern komt bindingsenergie vrij ISP Examenprogramma VWO 2010 33 Energie bij kernsplijting en kernfusie • de vrijkomende energie bij kernsplijting of kernfusie is gelijk aan het verschil in bindingsenergie van de kernen voor en na de reactie • de vrijkomende energie is te berekenen uit het massadefect: het verschil tussen de som van de kernmassa’s voor en na de reactie E = Δm c 2 = (Σmvoor - Σmna ) c 2 • de kernmassa m is te berekenen uit de atoommassa (gecorrigeerd voor de aanwezige elektronen) en de atomaire massa-eenheid u ISP Examenprogramma VWO 2010 34 5 Kernenergie • • • • • • • • • • ISP Kernsplijting Kettingreactie Kernreactor Splijtstofstaven Moderator Regelstaven Splijtstofcyclus Kernafval Veiligheidsaspecten Milieuaspecten Examenprogramma VWO 2010 35 Kernsplijting • bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten • een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235: 235 92 89 1 U+ 01n 144 Ba + Kr + 3 56 36 0n 235 92 94 1 U+ 01n 140 Xe + Sr + 2 54 38 0n • bij deze splijtingsreactie is sprake van een massadefect: er komt energie vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten • de splijtingsproducten zijn instabiel en vervallen onder uitzenden van α-, β- en/of γ-straling ISP Examenprogramma VWO 2010 36 Kettingreactie • bij de splijting van U-235 ontstaan twee of drie vrije neutronen • deze vrije neutronen kunnen op hun beurt weer nieuwe uraniumkernen splijten: zo ontstaat een kettingreactie. ISP Examenprogramma VWO 2010 37 Kernreactor • in een kernreactor is sprake van een gecontroleerde kettingreactie van kernsplijtingen om energie vrij te maken: elke kernsplijting veroorzaakt één volgende kernsplijting • de energie wordt gebruikt om stoom te maken • de stoom drijft een turbine/ generator-combinatie aan • de kerncentrale levert elektrische energie ISP Examenprogramma VWO 2010 38 Splijtstofstaven • in de kernreactor zit de splijtstof (U-235) in splijtstofstaven • natuurlijk uranium bestaat vooral uit U-238 en slechts voor 0,7% uit het splijtbare U-235 • voor het kernsplijtingsproces is verrijkt uranium met 3 tot 5% U-235 nodig • uit het U-238 in de splijtstofstaven ontstaat plutonium (Pu-239) door absorptie van neutronen: 238 92 ISP 0 U+ 01n 239 Pu + 2 94 -1 e Examenprogramma VWO 2010 39 Moderator • voor splijting van een uraniumkern is een langzaam neutron nodig • de neutronen die ontstaan bij splijting van een uraniumkern zijn hoog energetisch • om deze neutronen zodanig af te remmen dat ze een nieuwe uraniumkern kunnen splijten – en zo de kettingreactie in stand kunnen houden – is een moderator nodig • in een kerncentrale is de moderator meestal water ISP Examenprogramma VWO 2010 40 Regelstaven • de kettingreactie van kernsplijtingen wordt onder controle gehouden met regelstaven • deze regelstaven bestaan uit een materiaal dat neutronen absorbeert zonder dat er verdere reacties optreden: boor of cadmium • in een kritische reactor veroorzaakt precies één van de bij splijting vrijkomende neutronen een nieuwe splijtingsreactie • de kernreactor levert dan een constant vermogen ISP Examenprogramma VWO 2010 41 Splijtstofcyclus • schema: productie splijtstofstaven uraniumverrijking uraniumwinning ISP kerncentrale opwerking splijtstofstaven radioactief afval Examenprogramma VWO 2010 42 Kernafval • in een kerncentrale, maar ook in ziekenhuizen en onderzoekscentra wordt kernafval geproduceerd • laag- en middelradioactief afval zoals kleding, papier, water- en luchtfilters wordt in Nederland bovengronds opgeslagen bij de COVRA • hoogradioactief kernsplijtingsafval gaat vanuit Nederland naar Frankrijk voor opwerking • bij opwerking wordt het overgebleven uranium en het gevormde plutonium uit het kernsplijtingsafval gehaald voor hergebruik als splijtstof ISP Examenprogramma VWO 2010 43 Veiligheidsaspecten • in een Nederlandse kerncentrale wordt zorgvuldig gelet op de veiligheid door: • ontwerp van de centrale met veiligheidsomhulling • correct onderhoud van de centrale • regels en procedures bij het werken met de centrale • toezicht van de overheid op naleving van de regels ISP Examenprogramma VWO 2010 44 Milieuaspecten • bij normaal functioneren levert een kerncentrale een extra stralingsdosis van niet meer dan 10 μSv per jaar per persoon • een kerncentrale van 1000 MW verbruikt per dag 3,2 kg uranium, een kolencentrale heeft voor eenzelfde energieproductie 10.600 ton steenkool nodig • de voorraden splijtstof (uranium) en fossiele brandstof (aardgas, aardolie en steenkool) zijn eindig • een thermische centrale (op fossiele brandstof) draagt bij aan versterking van het broeikaseffect, een kerncentrale levert hoogradioactief kernsplijtingsafval ISP Examenprogramma VWO 2010 45 Informatie • onder achtergrondinformatie op het leerlingendeel van deze website staat aanvullende informatie over onder andere de eigenschappen, de effecten en de toepassingen van ioniserende straling ISP Examenprogramma VWO 2010 46
