Materie, energie en leven

Gezondheid en voeding
1 Straling, schadelijk of onontbeerlijk?
1.1 Inleiding
Golven, we kennen ze allemaal. Het eerste waar we aan denken is natuurlijk de zee met zijn hoge
golven, of de golfjes die ontstaan als we een steentje in water gooien.
Fig.1: (a) golven op zee; (b) golfjes op een wateroppervlak
Maar nog veel vaker komen we in contact met andere golven, de geluidsgolven die zich door de lucht
verplaatsen. Dankzij deze golven kunnen we praten met elkaar, kunnen we genieten van mooie
muziek, enzovoort.
Fig. 2: Geluidsgolven kunnen ervoor zorgen dat een glas breekt!
Wat beide soorten golven met elkaar gemeen hebben, is dat er steeds deeltjes (een medium) nodig
zijn die ter plaatse trillen en deze trilling doorgeven aan naburige deeltjes. Welke media komen in
bovenstaande voorbeelden voor:
Proef: Verbind twee blikken dozen met een touw. Het touw wordt stijf gespannen tussen de twee
blikken dozen. Je hebt een primitieve telefoon gebouwd. Het touw is het medium
Proef: Plaats een wekker onder een stolp en zuig de lucht weg met een vacuümpomp: de wekker
loopt af maar er is geen geluid.
Golven die geen medium nodig hebben om voort te bewegen zijn elektromagnetische golven. Ze
kunnen zich voortbewegen in vacuüm. Voorbeelden van dergelijke golven zijn: radiogolven,
microgolven, infrarode straling, zichtbaar licht, UV-straling, röntgenstraling, gammastraling. Het zijn de
elektromagnetische golven die onze gezondheid zowel positief als negatief kunnen beïnvloeden.
Stuurgroep NW- VVKSO
1
1.2 Elektromagnetische straling
De golflengte (symbool: ) is de afstand tussen twee toppen van een golf.
Fig. 3: Een golf
De frequentie is het aantal keer dat de golf zich herhaalt per seconde. Dit wordt uitgedrukt in Hertz
(afkorting: 1 Hz = 1/s).
Er is een directe relatie tussen golflengte en frequentie van een golf:
= c/f
waarin f de frequentie (in Hz) van het golfverschijnsel is en c de snelheid van de golf in het betreffende
medium.
Wat gebeurt er met de frequentie als de golflengte kleiner wordt?
In vacuüm is de snelheid van een elektromagnetische golf gelijk aan 3,00.108 m/s.
Elektromagnetische golven hebben een welbepaalde frequentie en dus ook een welbepaalde
golflengte. Hieronder staat het elektromagnetisch spectrum van elektromagnetische straling als functie
van golflengte weergegeven.
Fig. 4: Het elektromagnetisch spectrum
Stuurgroep NW- VVKSO
2
1.3 Enkele voorbeelden van EM-straling
1
Radiogolven
De radiogolven zijn ontdekt door Heinrich Hertz in 1888. Radiogolven hebben de grootste golflengte
van het elektromagnetische spectrum. De golflengte van radiogolven liggen tussen de vele kilometers
tot 30 cm (1 GHz).
Radiogolven worden in het dagelijkse leven veel gebruikt. Zo worden ze bijvoorbeeld gebruikt voor
radio's en televisies. Hiervoor worden radiogolven gebruikt met hoge frequenties. Maar ook bijna alle
elektrische apparaten zenden radiogolven uit.
Oefening:
Voor radio Donna vind je
nevenstaande gegevens.
Bereken de golflengte
waarop Donna uitzendt in
West-Vlaanderen.
Is de golflengte waarop het zendstation Schoten uitzendt groter of kleiner?
2
Microgolven
Microgolven hebben een golflengte tussen de 30 cm en 1mm. Dit betekent dat microgolven een
frequentie hebben van 1 GHz tot 300 GHz. Microgolven lijken een beetje op lichtstralen wat betreft
afbuiging en weerkaatsing, maar microgolven kunnen in tegenstelling tot lichtstralen ook in niettransparante materialen binnendringen.
Fig. 5: De microgolfoven
Dit wordt bijvoorbeeld toegepast in de magnetron. Microgolven worden geabsorbeerd door het water
in het voedsel. Dit heeft als gevolg dat de watermoleculen heviger gaan trillen en dat vervolgens het
eten warm wordt. Er is dus een interactie tussen de microgolven en de materie (het voedsel).
Een tweede toepassing van microgolven zijn de mobiele telefoontoestelletjes. Voor meer informatie:
http://www.health.fgov.be/CSH_HGR/Nederlands/Brochures/De_GSM.htm#Elektromagnetische
3
Infrarode straling
De infrarode straling is ontdekt door William Herschel (ontdekker van de planeet Uranus) in 1800.
Infrarode straling heeft een golflengte van 1 mm tot 780 nm. Omdat infrarode straling warmte afgeeft
als het bijvoorbeeld op de huid valt, wordt deze straling ook wel warmtestraling genoemd. Infrarode
straling wordt veel toegepast in fotografie en afstandsbepalingen, maar ook in bijvoorbeeld
warmtelampen.
Zo worden infrarood foto's gemaakt door middel van de infrarode straling die voorwerpen afgeven.
Deze wordt opgevangen op een film die gevoelig is voor infrarode straling. Hierdoor is het mogelijk om
bijvoorbeeld in het donker foto's te maken, om in het donker te kunnen zien (nachtkijkers) of
Stuurgroep NW- VVKSO
3
verstekelingen in een vrachtwagen te detecteren. Rondom de aarde zweven verschillende satellieten
die de mogelijkheid hebben om infrarode foto's te maken van de aarde of een ander hemellichaam.
4
Zichtbaar licht
Het zichtbare licht heeft een golflengte van 780 nm tot 380 nm. Dit gebied wordt ook wel lichtspectrum
genoemd. De kleur rood heeft een golflengte van 780 nm en de kleur violet een golflengte van 380
nm. Tussen rood en violet bevinden zich een aantal andere kleuren, namelijk: oranje, geel, groen,
blauw en indigo. Deze kleuren zijn ook terug te vinden in de regenboog of na breking van licht door
middel van een prisma.
Fig. 6: Een prisma splitst wit licht op in alle kleuren van de regenboog.
5
Ultraviolet licht
De golflengte van ultraviolet licht ligt tussen de 380 nm en de 12 nm. Onze zon is een natuurlijke bron
van ultraviolette straling, maar de meeste straling wordt in de dampkring geabsorbeerd door het
ozongas. Dit is erg belangrijk omdat een te grote hoeveelheid ultraviolette straling dodelijk kan zijn
voor al het leven. Maar we kunnen eigenlijk ook niet zonder UV-straling. Door middel van ultraviolet
licht wordt er in ons lichaam vitamine D aangemaakt.
UV-licht heeft echter ook negatieve effecten op onze gezondheid:
Doordringbaarheid van UV in de huid:
Soorten UV-stralen
Golflengte in nm
Doordringbaarheid in de huid
UV-A
320-400
tot circa 5 mm
UV-B
280-320
50-100 µm
UV-C
100-280
/
De ultraviolette straling die de atmosfeer van de aarde doorlaat, bestaat uit UV-A en UV-B. Type B is
het meest energierijk van de twee en verantwoordelijk voor zonnebrand. De laatste jaren zien medici
steeds meer de schadelijke effecten van UV-A onder ogen. De straling veroorzaakt geen verbranding,
maar speelt wel een rol in veroudering van de huid en het ontstaan van huidkanker.
Leid uit de tekst het verband af tussen golflengte en energie van UV-straling.
Wat is dan het verband tussen frequentie en energie?
Stuurgroep NW- VVKSO
4
UV-straling wordt benut om bacteriën te doden in ruimten die steriel moeten zijn. Lees in dit verband
het volgende krantenknipsel.
Noordoostpolder bestrijdt legionella met UV-licht
17 juni 2003
EMMELOORD - De gemeente Noordoostpolder, het ministerie van VROM en het bedrijf
Aquamar uit Urk werken samen om de legionellabacterie te bestrijden. Woensdag begint een
proefproject met UV-licht, dat leidingwater van de dodelijke ziekteverwekker zuivert. Dat liet de
afdeling bouwkunde van de gemeente dinsdag weten.
Groot voordeel van het UV-licht is dat het water continu wordt ontdaan van de legionellabacterie en
andere schadelijke bacteriën. Bovendien is het goedkoper dan de waterleidingen in gemeentelijke
gebouwen te spoelen met heet water van minstens zeventig graden. Reden genoeg voor de afdeling
bouwkunde om een half jaar lang de alternatieve zuivering te beproeven in de Bosbadhal, een
sporthal in Emmeloord. Voordat het water daar door de kranen en vijftig douches stroomt, is het langs
twee UV-lampen gegaan. Volgens de afdeling bouwkunde is het bekend dat dit licht het water voor
99 procent zuivert. UV-lampen mogen wel als aanvulling op spoelingen worden gebruikt, maar
wettelijk is het als enige maatregel tegen legionella niet toegelaten. "Stel dat dit lukt, dan is het
ministerie voornemens om UV-licht als nieuwe mogelijkheid toe te staan", zegt de medewerker.`
Waterleidingen moeten wekelijks worden gespoeld. De gemeente Noordoostpolder, die handmatig
spoelde, kwam daar niet zo vaak aan toe. "Spoelen doe je vandaag, maar dan kan er morgen een
besmetting optreden", aldus de medewerker. De gemeente wilde toch veilige douches, maar
automatische spoelinstallaties in twintig gemeentelijke gebouwen zouden 400.000 euro kosten. UVlampen voor twintig accommodaties kosten 60.000 euro.
© 1996-2002 Dagblad De Telegraaf
http://www.fibrecount.com/presscuts/2003/art_NL_170603leg.html
6
Röntgenstraling
Fig. 7: Een foto genomen m.b.v. röntgenstraling.
In 1895 ontdekte Wilhelm Konrad Röntgen de X stralen. Later werden deze stralen genoemd naar de
ontdekker. Sedertdien spreekt men van röntgenstralen. Röntgenstralen hebben een golflengte die
tussen de 12 nm en de 0,002 nm ligt.
Een kenmerkende eigenschap van röntgenstraling is dat het door bijna alle stoffen heen dringt. Hierbij
gaat een deel verloren door absorptie. Een andere eigenschap is dat veel stoffen fluorescerend
worden wanneer ze in aanraking komen met röntgenstralen. Wanneer er een menselijk lichaam
tussen een röntgenapparaat en een fluorescerend scherm wordt geplaatst, dan verschijnen op het
scherm schaduwen van de botten. Dit komt omdat bot de röntgenstralen beter absorberen dan de
zachte delen. In plaats van een fluorescerend scherm kan ook een film worden gebruikt. Dit wordt veel
toegepast in ziekenhuizen.
7
Gammastralen
De gammastralen zijn in 1903 voor het eerst vastgesteld door Antoine Henri Becquerel. De golflengte
van gammastralen ligt beneden de 0,002 nm. Gammastraling is radioactieve straling (zie verder) met
Stuurgroep NW- VVKSO
5
een heel hoog doordringingsvermogen. Gammastraling komt vrij bij materiaal dat radioactief is
(uranium). Het is ook vaak te vinden in de buurt van kerncentrales of op plaatsen waar een
kernexplosie heeft plaatsgevonden. De straling is zelfs in staat om door lood en cement heen te gaan.
De straling is gevaarlijk omdat het levend weefsel kan beschadigen.
1.4 Energie van een elektromagnetische golf
Elektromagnetische golven kunnen zeer energetisch zijn. Denk maar aan de warmte die we
ontvangen via de zonnestralen en de microgolven die hun energie kunnen afgeven aan waterdeeltjes.
De energie van een EM-golf is afhankelijk van de frequentie van de golf: hoe hoger de frequentie, hoe
meer energetisch de golf:
E = h.f
De constante h in deze vergelijking is de constante van Planck en is gelijk aan 6,63 x 10-34 Js.
Druk de energie van elektromagnetische straling uit i.f.v. de golflengte
Zendt de wereldradio uit ‘op de korte golf’ of ‘op de lange golf’? Motiveer je antwoord.
Wat betekent dit voor de frequentie van dergelijke radiogolven?
Fig. 8: Dit EM-spectrum toont het verband tussen de energie en de frequentie of de
golflengte van elektromagnetische straling.
Stuurgroep NW- VVKSO
6
1.5 Interactie tussen EM-straling en materie
1.5.1 Toepassingen
Vermeld telkens een concrete toepassing waarbij gebruik gemaakt wordt van de interactie tussen de
EM-straling en materie.
EM-straling
Materie
Toepassing in het dagelijks leven
Microgolven
Voeding
IR
Huid
UV
Huid
X-stralen
Lichaam
(röntgenstralen)
Zichtbaar licht
Waterdruppels
Zichtbaar licht
Fotografisch papier
Zichtbaar licht
Verf
1.5.2 Interactie tussen UV-straling en materie: enkele proefjes
1
Proef: optische witmakers in detergenten.
Plaats een hoeveelheid van een korrelig detergent onder een UV-lamp.
Waarneming:
In veel detergenten worden optische witmakers (fluorescent whitening agents of FWA's in het Engels)
gebruikt. UV-stralen worden hierdoor geabsorbeerd en daarna als zichtbaar licht terug uitgezonden.
Ze doen de was dus wel witter lijken, maar ze maken hem niet witter.
Je kledij kan na het wassen nog een deel van die optische witmakers bevatten. Wanneer je in de
nabijheid komt van een black-light (UV-lamp) zal je dit waarnemen omdat die optische witmakers
fluoresceren. Vanwege hun slechte afbreekbaarheid vormen witmakers een belangrijke bijdrage aan
de milieubelasting van een wasmiddel.
2
Proefje: Fluorescentie van tonic
Benodigd materiaal:
 tonic
 normaal licht
 keukenzout
 UV-lamp
 glazen potje ca. 250 ml
Uitvoering:
 Giet ca. 200 ml tonic in het glazen potje en bestudeer de kleur van de tonic.
 Doe alle lichten uit en zorg voor volledige duisternis.
 Doe de UV lamp aan, richt het op de tonic en bestudeer de kleur.
Stuurgroep NW- VVKSO
7
Resultaat:
In normaal licht of kunstlicht is de tonic helder en kleurloos.
Onder UV licht en in het donker verschijnt er een blauwe fluorescerende kleur.
Discussie en conclusie:
Kleur is het resultaat van de interactie van licht met materie. De kleur die een oplossing lijkt te hebben
kan veranderen afhankelijk van de lichtbron die voor verlichting gebruikt wordt. Tonic ziet er kleurloos
en helder uit onder normaal licht maar is helder gekleurd onder ultra violet licht.
Wat we zien gebeuren is fluorescentie, waarbij een molecule (in dit geval kinine) licht met een korte
golflengte absorbeert en het weer vrij geeft met een langere golflengte. Het energieverschil is omgezet
in de vorm van warmte. Kinine is een sterk fluorescerend molecule en wordt daarom in de chemie
gebruikt als een fluorescentiestandaard.
Opmerkingen:
 Plaats een witte achtergrond zowel achter als onder de glazen pot. Hierdoor kan me de
fluorescentie beter zien.
 Zwart licht is UV-licht met een golflengte van ca. 360 nm.
 Als een uitbreiding van het experiment kan men de fluorescentie van wit papier en witte kleding
bekijken. Hoe witter hoe meer fluorescentie. Waarom: kijk eens naar detergenten op deze manier.
Andere toepassingen:
Producten en materialen die in het donker oplichten maken vaak gebruik van fluorescentie.
Vuurvliegen bijvoorbeeld gloeien in het donker omdat er een chemische reactie in hun lichaam
plaatsvindt waarbij fluorescentie optreedt. In verkeersborden maakt men gebruik van fluorescerende
verf zodat ze beter oplichten in het donker.
Andere stoffen kunnen ook op deze manier onderzocht worden.
3
Werking van sunblock onderzoeken
We weten reeds dat we bruinen door UV-stralen. Achter glas kunnen we niet bruinen omdat glas de
UV-stralen tegenhouden. Een goede zonnecrème met een hoge beschermingsfactor (sunblock) houdt
ook de UV-stralen tegen. Dit kan je op een eenvoudige manier onderzoeken. Wil je weten hoe? Op
volgend adres vind je een eenvoudige methode:
http://www.thuisexperimenteren.nl/science/sunblock/zonnebrandcreme.htm
Stuurgroep NW- VVKSO
8
GEZONDHEID EN VOEDING ................................................................................................................. 1
1
STRALING, SCHADELIJK OF ONONTBEERLIJK? .................................................................... 1
1.1
Inleiding ..................................................................................................................................... 1
1.2
Elektromagnetische straling ................................................................................................... 2
1.3
1
2
3
4
5
6
7
1.4
Enkele voorbeelden van EM-straling ...................................................................................... 3
Radiogolven ........................................................................................................................... 3
Microgolven ............................................................................................................................ 3
Infrarode straling .................................................................................................................... 3
Zichtbaar licht ......................................................................................................................... 4
Ultraviolet licht ........................................................................................................................ 4
Röntgenstraling ...................................................................................................................... 5
Gammastralen ........................................................................................................................ 5
Energie van een elektromagnetische golf ............................................................................. 6
1.5
Interactie tussen EM-straling en materie ............................................................................... 7
1.5.1 Toepassingen ......................................................................................................................... 7
1.5.2 Interactie tussen UV-straling en materie: enkele proefjes ..................................................... 7
1
Proef: optische witmakers in detergenten. ............................................................................. 7
2
Proefje: Fluorescentie van tonic ............................................................................................. 7
3
Werking van sunblock onderzoeken ...................................................................................... 8
Stuurgroep NW- VVKSO
9