Opgave 4 Tritium uit lichtgevend plastic horloge (havo – na1,2
advertisement
Opgave 2 Arsenicumvergiftiging? (havo – na1,2 – 2000 – tijdvak 1) 3p 5p 5 6 Neutronen worden tegenwoordig bij allerlei onderzoeken gebruikt, onder andere bij de zogenaamde neutronenactiveringsanalyse. Dit is een onderzoeksmethode waarbij men zeer kleine hoeveelheden van een bepaalde stof kan aantonen door bestraling met neutronen. Men vermoedt dat iemand aan een arsenicumvergiftiging is overleden. Een haar van deze persoon wordt met de genoemde methode onderzocht op de aanwezigheid van arsenicum (arseen). Indien arseen-75 aanwezig is, wordt dit door de bestraling met neutronen omgezet in arseen-76 (76As). Arseen-76 is radioactief en vervalt onder uitzending van straling en -straling. Geef de vergelijking van het verval van 76As. Om arseen aan te tonen maakt men gebruik van zijn halveringstijd. Eerst meet men met een Geiger-Müllerteller de achtergrondstraling. De teller geeft ten gevolge van de achtergrondstraling 24 pulsen per minuut aan. De achtergrondstraling mag als constant beschouwd worden. Vervolgens wordt de straling gemeten van de verdachte mensenhaar, die met neutronen is bestraald. De teller meet nu 164 pulsen per minuut. Na 53,6 uur herhaalt men deze meting. Men meet dan 59 pulsen per minuut. Neem aan dat door de neutronenbestraling één stof radioactief is geworden. Leg met behulp van een berekening uit of men uit deze metingen de conclusie kan trekken dat deze stof arseen zou kunnen zijn. Voor de activiteit van een aantal radioactieve kernen geldt: 5p 7 Hierin is: • A de activiteit (in Bq), • N het aantal aanwezige radioactieve kernen, • de halveringstijd (in s). Bij onderzoek aan een met arseen besmette haar heeft men bepaald dat de activiteit van de haar 12 Bq is. Bereken, uitgedrukt in kg, de massa van het arseen-76 in de haar bij deze meting. Opgave 3 Zonne-energie (havo – na1,2 – 2000 – tijdvak 1) 4p 3p 8 De energie die de zon levert, ontstaat door kernfusie. Bij de meeste fusiereacties in de zon zijn waterstofkernen betrokken. Waterstof heeft drie isotopen; deze staan vermeld in het informatieboek BINAS. Er zijn verschillende fusiereacties mogelijk tussen kernen van waterstofisotopen waarbij 4He gevormd wordt. Geef twee van deze mogelijke fusiereacties. 9 Bij de fusiereacties in de zon wordt materie omgezet in stralingsenergie. Daardoor neemt de massa van de zon jaarlijks met 1,261017 kg af. Bereken het vermogen van de door de zon uitgezonden stralingsenergie. Opgave 2 Energie in de ruimte (havo – na1,2 – 2000 – tijdvak 2) Lees het onderstaande artikel. artikel Energie uit radioactiviteit Opmerkelijk hoe weinig verontwaardigd er begin deze week is gereageerd op het terugstorten van de Russische ruimtesonde Mars-96 waarbij vier kleine capsules met plutonium-238 in zee vielen: in totaal 270 gram van een isotoop die gerekend wordt tot de gevaarlijkste elementen op aarde. Veruit de meeste satellieten en ruimtesondes gebruiken zonnepanelen als elektriciteitsbron, maar er is een aantal situaties waarin toepassing van zonnepanelen bezwaarlijk is. Bijvoorbeeld als heel veel elektrisch vermogen nodig is. Maar ook als een satelliet zo laag rond de aarde vliegt dat zonnepanelen teveel wrijvingsweerstand van de dampkring zouden ondervinden. Een derde situatie doet zich voor als een satelliet zo ver van de zon verwijderd is dat er te weinig zonlicht is. 2p 3p 2p In de oertijd van de ruimtevaart werden wel gewone batterijen meegegeven als energiebron. Maar het was al vroeg duidelijk dat nucleaire energiebronnen een heel gunstige energie-massa verhouding hebben. Al in de jaren vijftig begon de ontwikkeling van radioactieve energiebronnen en het heeft uiteindelijk twee verschillende concepten opgeleverd. Voor beperkte vermogens zijn er nu de ’plutoniumbatterijen’ die gewoonlijk met de term ’radio-isotope thermo-electric generators’ (RTG’s) worden aangeduid. Voor hogere vermogens worden geminiaturiseerde kernreactoren gebruikt. RTG’s zijn er in vermogensgrootten van enige watts tot enige honderden watts. Ze maken gebruik van de hitte die bij het spontane verval van de isotoop plutonium-238 vrijkomt. naar: NRC Handelsblad, 23 november 1996 6 In het artikel wordt gesproken over de gunstige energie-massa verhouding van nucleaire energiebronnen aan boord van een ruimtesonde. Hiermee wordt bedoeld dat er veel energie geleverd wordt door een energiebron met een kleine massa. Leg uit waarom in de ruimtevaart een gunstige energie-massa verhouding belangrijk is. 7 Bij het radioactieve verval van plutonium-238 wordt een (klein) deel van de massa omgezet in energie. Het in het artikel genoemde plutonium kan in totaal 6,11011 J aan energie produceren. Bereken de massa, uitgedrukt in kilogram, die bij dit verval wordt omgezet in energie. 9 De apparatuur van een waarnemingssatelliet, die een groot aantal jaren buiten de dampkring om de aarde zal draaien, moet van energie worden voorzien. Er moet een keuze worden gemaakt tussen een energievoorziening met zonnepanelen en een energievoorziening met RTG’s. Er wordt gekozen voor zonnepanelen. Noem twee argumenten die deze keuze ondersteunen. Opgave 6 Geiger-Müllerteller (havo – na1,2 – 2000 – tijdvak 2) 2p 23 Een Geiger-Müllerteller wordt gebruikt om de activiteit van radioactieve preparaten te meten. De GM-teller bestaat uit een telbuis die een elektrisch signaal geeft als ioniserende straling in de buis valt en een elektronische teller die de elektrische signalen telt. Het aantal pulsen dat de GM-teller per seconde meet, is niet gelijk aan de activiteit van het radioactieve preparaat. Om met de resultaten van de meting van een GM-teller de activiteit van een klein preparaat te kunnen bepalen, moet de afstand tussen het preparaat en de telbuis een bepaalde vaste waarde hebben. Leg uit waarom de GM-teller minder pulsen per seconde meet als de afstand tussen het preparaat en de telbuis toeneemt. Een bepaalde GM-teller wordt gebruikt bij het vaststellen van de ouderdom van oud hout. De bepaling van de ouderdom berust op de aanwezigheid van radioactief koolstof (C-14) in het hout. Een levende boom neemt via kooldioxide voortdurend koolstof op uit de atmosfeer. Hierdoor is de verhouding van het aantal gewone koolstofatomen (C-12) en het aantal radioactieve koolstofatomen (C-14) in een levende boom gelijk aan de verhouding van die atomen in de atmosfeer. Als de boom sterft wordt er geen koolstof meer opgenomen. Omdat er wel C-14 atomen vervallen, verandert de verhouding van het aantal C-12 en C-14 atomen. 3p 24 Geef de vervalreactie van C-14. Met de GM-teller bepaalt iemand de activiteit van 10,0 gram koolstof uit oud hout. Deze activiteit is 57,0 Bq. De activiteit van 10,0 gram koolstof uit hout van een net gekapte boom van dezelfde houtsoort blijkt 228 Bq te zijn. 3p 25 Bereken de ouderdom van het oude hout. Ineke krijgt de opdracht om met behulp van een GM-teller de halveringstijd van een radioactieve stof te bepalen. 5p 26 Geef aan hoe zij dat kan doen. Laat daarbij de volgende punten aan de orde komen: • Welke metingen moet zij verrichten? • Hoe moet ze de metingen verwerken? • Hoe kan ze hieruit de halveringstijd bepalen? Opgave 2 Hartfoto's (havo – na1,2 – 2001 – tijdvak 1) Tegenwoordig maakt men hartfoto's met een zogenaamde gammacamera. Een gammacamera heeft een film die gevoelig is voor -straling. Enige tijd voordat de foto gemaakt wordt, spuit men bij de patiënt een oplossing van kaliumchloride in. Een deel van het kalium bestaat uit de isotoop K-43 dat als tracer dienst doet. Kalium, dus ook K-43, wordt beter opgenomen door goed werkende hartspieren dan door slecht werkende hartspieren. In figuur 1 is links een opname te zien van een goed werkende hartspier en rechts een opname van een slecht werkende hartspier. In tabel 1 staan gegevens van twee isotopen, kalium-43 en thallium-201. tabel 1 Isotoop K-43 Tl-201 3p 6 3p 7 4p - (830 keV)) - (619 keV) (135 keV) Halveringstijd (uur) 22 72 Naast -straling wordt door de isotoop K-43 ook straling uitgezonden. Geef de vergelijking van dit -verval. 5 5p Soort straling en energie De uitgezonden -straling zorgt voor een extra stralingsbelasting van het hart. We nemen aan dat van deze straling 80% door het hart wordt geabsorbeerd. We gaan er verder van uit dat gedurende twee uur de gemiddelde activiteit van het ingespoten kalium 1,2 MBq is. De massa van het hart bedraagt 280 g. De stralingsdosis is de energie die door één kg bestraalde massa wordt geabsorbeerd. Bereken de stralingsdosis die het hart in deze periode van twee uur ontvangt ten gevolge van de -straling. In een periode van 66 uur na het inspuiten is een bepaald percentage van het isotoop K-43 vervallen. Bereken dit percentage. Voor hartonderzoek gebruikt men tegenwoordig de isotoop TI-201. Zie tabel 1. TI-201 wordt even goed door het hart opgenomen als K-43. Noem één voordeel en één nadeel van het gebruik van de TI-isotoop ten opzichte van de K-isotoop. Geef zowel bij het voordeel als bij het nadeel een toelichting. 8 Opgave 4 Tritium uit lichtgevend plastic horloge (havo – na1,2 -2001 – tijdvak 2) Lees het onderstaande artikel. artikel ROTTERDAM, 24 SEPT. Een plastic horloge met lichtgevende wijzerplaat kan leiden tot een verhoogde concentratie van het radioactieve element tritium in bloed en urine van de drager. Het Oostenrijkse Ministerie van Volksgezondheid heeft dit bekendgemaakt. Tritium is een zwakke bètastraler die jaren geleden is ingevoerd als veilige vervanger van het gevaarlijke radium in lichtgevende wijzerplaten. Volgens het ministerie is aangetoond dat het tritium zowel de plastic 3p 15 kast van een horloge als de huid van de drager kan passeren. Metalen kasten zijn niet doordringbaar voor tritium. In de urine van sommige dragers zijn tritiumconcentraties gevonden overeenkomend met 800 becquerel per liter. Dat levert een extra stralingsbelasting op van 0,02 millisievert per jaar. Gevaar voor de gezondheid levert het tritium dus niet op. naar: NRC Handelsblad, 24 september 1993 Gevaar van radioactieve stoffen kan optreden in de vorm van bestraling en in de vorm van besmetting. Wat is het kenmerkende verschil tussen bestraling en besmetting en met welke vorm heeft men te maken in het geval van tritium? Tritium is een isotoop van waterstof. De kern bestaat uit 1 proton en 2 neutronen. 3p 16 Geef de vervalreactie van tritium. 3p 17 Bereken hoe lang het duurt totdat de activiteit van tritium is afgenomen tot 12,5% van zijn beginwaarde. Als de urine van een persoon een activiteit van 800 Bq per liter heeft, is de activiteit in het hele lichaam veel hoger. Het hele lichaam van een persoon met een massa van 70 kg staat een jaar lang bloot aan de straling van tritium met een gemiddelde activiteit van 16 kBq. Voor het dosisequivalent H geldt: H=QE m Hierin is: H het dosisequivalent (in Sv); Q de zogenoemde weegfactor (kwaliteitsfactor); Q = 1 voor -straling; E de energie (in J); m de massa (in kg). 5p 18 Laat door een berekening zien dat de schatting in het artikel van de extra stralingsbelasting als gevolg van het tritium juist is. 3p 19 Ben je het met de laatste zin van het artikel eens? Licht je mening toe. Vermeld daarbij een relevante waarde uit tabel 99E van het informatieboek Binas. Opgave 7 Radioactief jodium Lees onderstaand artikel. artikel Kernproeven in VS besmetten bevolking met radioactief jodium De kernproeven die van 1951 tot 1958 in de Nevadawoestijn plaatsvonden, hebben de hele Amerikaanse bevolking besmet met radioactief jood. Dit radioactieve jood kan schildklierkanker veroorzaken. Een en ander blijkt uit een onderzoek van het Amerikaanse Nationale Kankerinstituut (NCI). Onder andere door het drinken van besmette melk kreeg iedereen in de Verenigde Staten in die periode een kleine of grotere hoeveelheid jood-131 binnen. 2p 25 De neerslag van jood-131 was sterker en werd honderden mijlen verder verbreid dan aanvankelijk werd aangenomen. Een aanzienlijk aantal personen heeft daardoor een stralingsdosis opgelopen van meer dan 2 rad. Nagenoeg al het jood-131 dat het lichaam binnenkomt wordt door de schildklier opgenomen. De opname van een bepaalde hoeveelheid jood-131 is voor een kleine schildklier schadelijker dan voor een grote schildklier. Het gevaar van kanker geldt dus vooral voor mensen die tijdens de besmettingsperiode nog kind waren. naar: de Volkskrant, augustus 1997 In het artikel wordt voor de stralingsdosis de verouderde eenheid rad gebruikt. Geef de juiste SI-eenheid van stralingsdosis en zoek de omrekeningsfactor van rad naar deze eenheid op. In de laatste alinea van het artikel staat dat de opname van een bepaalde hoeveelheid jood-131 voor een kleine schildklier schadelijker is dan voor een grote schildklier. 3p 4p 26 27 Geef de definitie van het begrip stralingsdosis en leg daarmee uit of je het met deze bewering eens bent. Neem daarbij aan dat de schildklier alle door het jodium uitgezonden straling absorbeert. Van de met jood-131 besmette melk werd destijds onder andere melkpoeder gemaakt. Om veiligheidsredenen is het beter een tijd te wachten met het consumeren van dit melkpoeder. Bereken met welk percentage de activiteit van het jood-131 in het melkpoeder in 40 dagen is afgenomen. Opgave 2 Stralingsbescherming (havo – na1,2 – 2002 – tijdvak 2) 2p 6 Medewerkers op de afdeling radiologie in een ziekenhuis hebben beroepshalve te maken met straling. Om te controleren of ze niet te veel straling ontvangen, dragen zij een badge op hun kleding. Zie figuur 2. Een badge registreert de hoeveelheid ontvangen straling. Na een bepaalde periode wordt daaruit de stralingsdosis bepaald die de betreffende persoon in die periode heeft ontvangen. Er bestaan afzonderlijke badges voor het detecteren van -straling, -straling en röntgenstraling. Leg uit waarom het niet zinvol is om badges te maken die gevoelig zijn voor -straling. Om te controleren of badges goed werken, worden ze van tijd tot tijd bestraald met straling van een bekende stof. Voor de badges die gevoelig zijn voor -straling wil men een keuze maken uit een van de volgende stoffen: Cs-137, Sr-90 en Po-209. 3p 7 Geef de vervalreactie van Cs-137. 2p 8 Leg uit welke van deze drie stoffen het best gebruikt kan worden om de badges te testen. 9 Bij het maken van röntgenfoto's moeten de medewerkers beschermd worden tegen röntgenstraling. Ter bescherming is een kledingstuk ontwikkeld waarin lood is verwerkt, het zogenaamde loodschort. In het schort is een hoeveelheid lood verwerkt die overeenkomt met een dikte van 0,055 cm. Maak voor het beantwoorden van vraag9 gebruik van tabel 99 D uit het informatieboek Binas. De röntgenstraling waarmee wordt gewerkt, heeft een energie van 0,10 MeV. Bereken hoeveel procent van de straling door het loodschort wordt tegengehouden. 10 Een medewerker wordt tijdens zijn werk per ongeluk gedurende 25 seconden blootgesteld aan deze straling. Het vermogen van de röntgenstraling is 0,15 microwatt. Van deze straling wordt 73% geabsorbeerd door een spiermassa van 12 kg. De stralingsdosis is gelijk aan de geabsorbeerde energie per kg. Bereken de stralingsdosis die de spiermassa ontvangt. 4p 4p Opgave 6 Castor-container Het radioactief afval van Duitse kerncentrales wordt in zogenaamde Castor-containers per trein naar de opwerkingsfabriek in La Hague aan de Franse kust afgevoerd. Zie figuur 17. 3p 3p 3p 24 25 26 Een Castor-container is een cilindervormig vat met een stalen wand van 50 cm dikte, waarin ongeveer 10 ton (1 ton = 1000 kg) aan afgewerkte splijtstofstaven bewaard kan worden. Castor-containers worden luchtdicht afgesloten zodat de hoog radioactieve inhoud niet naar buiten kan. De wand is niet alleen voor de stevigheid zo dik, maar biedt ook bescherming tegen de straling. Geef voor elk van de drie soorten straling (, , ) aan of deze wel of niet bijdraagt aan de stralingsbelasting buiten de Castor-container. Technisch is het mogelijk om containers met een dunnere wand te maken die toch stevig genoeg zijn. Bovendien zou een container met een wand van 30 cm dikte aanmerkelijk goedkoper zijn dan eentje met een wand van 50 cm. De stralingsbelasting zou dan toenemen. De halveringsdikte van staal is voor de betrokken straling gelijk aan 2,5 cm. Bereken met welke factor de stralingsbelasting zou toenemen als een container een wanddikte van 30 cm in plaats van 50 cm zou hebben. Het transport van Castor-containers gaat meestal per trein. In verband met de veiligheid rijden die treinen slechts 20 tot 30 km/h. Het transport vindt plaats onder politiebewaking. Voor de manier van bewaken moest men kiezen uit twee alternatieven: - óf een beperkte groep van ongeveer honderd agenten mee laten reizen met de trein, wat betrekkelijk goedkoop is; - óf een enorme groep van enkele duizenden agenten langs de spoorlijn posteren, wat veel geld kost. Tabel 99E in Binas bevat de stralingsnormen die in de Europese Gemeenschap worden toegepast. Politieagenten worden in dit verband gerekend tot de categorie ‘individuele leden van de bevolking’. De stralingsnorm voor de effectieve totale lichaamsdosis is van toepassing. Agenten die met de trein meereizen, zouden een dosisequivalent oplopen van ongeveer 0,2 mSv per uur. Leg uit waarom men niet de goedkopere maar de duurdere manier van bewaken gekozen heeft. Uit je antwoord moet blijken dat je tabel 99E van Binas hebt gebruikt. De splijtstofstaven in de container zijn zeer radioactief. In een bepaalde container bedraagt de activiteit 4,4·1017 Bq. Per vervalreactie komt gemiddeld 0,78 MeV energie vrij. Deze energie wordt vrijwel volledig geabsorbeerd en omgezet in warmte. 3p 27 Bereken hoeveel warmte, in joule, per seconde in de container wordt ontwikkeld. Opgave 5 Nieuwe elementen (havo – na1,2 – 2003 – tijdvak 2) 3p 21 Wetenschappers proberen nieuwe elementen met een steeds hoger atoomnummer te maken. Zo zijn onderzoekers van de universiteit van Darmstadt (Duitsland) er niet lang geleden in geslaagd om het element met atoomnummer 111 (= aantal protonen) te maken. Het element heeft de voorlopige naam unununium (Uuu) gekregen. Dit element werd gevormd door een trefplaatje van bismuth-209 te beschieten met nikkel-64-deeltjes. Bij de kernreactie die daarbij plaatsvond, ontstond het nieuwe element Uuu en kwam één neutron vrij. Geef de reactievergelijking van deze kernreactie. Om de reactie te laten plaatsvinden, moeten de nikkeldeeltjes een zeer hoge energie hebben. De onderzoekers in Darmstadt gebruikten nikkeldeeltjes met een kinetische energie van 318 MeV. 4p 3p 3p 22 Bereken de snelheid van deze deeltjes. 23 De gezamenlijke massa van de unununiumkern en het neutron dat vrijkomt, is groter dan de massa van de nikkelkern en de bismuthkern samen. Deze extra massa wordt gecreëerd uit de kinetische energie van het nikkeldeeltje. Neem aan dat alle kinetische energie van het nikkeldeeltje wordt omgezet in massa. Bereken de extra massa in kg die op deze manier wordt gecreëerd. 24 Het nieuwe element heeft niet lang bestaan. Het vervalt met een halveringstijd van 1,5 ms. Bij het verval van een unununiumkern komt een -deeltje vrij. De daarbij ontstane kern is ook instabiel en zendt eveneens een -deeltje uit. Dit proces waarbij steeds een instabiele kern gevormd wordt die een -deeltje uitzendt, herhaalt zich een aantal malen. Een van de elementen die op deze manier ontstaan, is lawrencium. Leg uit hoeveel -deeltjes bij het verval van een unununiumkern tot een lawrenciumkern in totaal zijn uitgezonden. Het maken van nieuwe elementen met een nog hoger atoomnummer is moeilijk. Niet alleen omdat de projectielen waarmee de beschieting wordt uitgevoerd zo'n hoge energie moeten hebben, maar ook omdat het moeilijk is om geschikte isotopen te vinden die als projectiel en als trefplaatje kunnen dienen. Hieronder staat een zo genoemde kernkaart met uitleg. Bekijk deze informatie eerst. informatie Kernkaart In de kernkaart staan alle tot nu toe bekende isotopen ingetekend. De isotopen met atoomnummer 110 en hoger zijn gebaseerd op theoretische voorspellingen. De x-as geeft het aantal neutronen en de y-as het aantal protonen in een kern. De kernkaart bevat veel meer isotopen dan tabel 25 van Binas. 3p 25 Een onderzoeker zoekt op de kernkaart twee isotopen waarmee hij het element met atoomnummer 120 kan maken. Hij neemt aan dat daarbij, net als bij de vorming van Uuu-111, één neutron vrijkomt. Geef met twee kruisjes op de kernkaart op de bijlage de plaatsen van twee isotopen aan die daarvoor in aanmerking komen. Licht je keuze toe.
