PowerPoint-presentatie - Ioniserende Stralen Practicum

Faculteit Bètawetenschappen
Ioniserende Stralen Practicum | ISP
Samenvatting
Ioniserende straling
VWO
Inhoud
1
2
3
4
5
6
Soorten ioniserende straling
Radioactief verval
Effecten van ioniserende straling
Medische beeldvorming
Kernsplijting en kernfusie
Kernenergie
ISP | VWO
2
1 Soorten ioniserende straling
•
•
•
•
•
•
•
•
Atoombouw
Röntgenbuis
Röntgenstraling
Kernstraling
Ioniserend vermogen
Doordringend vermogen
Bronnen
Detectie
ISP | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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:
𝑰𝐝 = 𝑰𝟎 ∙ (½)𝒅/𝒅𝟏/𝟐 = 𝑰𝟎 ∙ 𝒆−𝝁∙𝒅
• de doorlaatkromme geeft Id
als functie van d
ISP | VWO
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 | VWO
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
fall-out door nucleaire rampen en kernbomproeven
ISP | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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 | VWO
16
2 Radioactief verval
• Halveringstijd
• Activiteit
• Vervalvergelijking
ISP | VWO
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:
𝑵𝐭 = 𝑵𝟎 ∙ (½)𝒕/𝒕𝟏/𝟐 = 𝑵𝟎 ∙ 𝒆−𝝀∙𝒕
• vervalconstante:
𝝀=
𝐥𝐧 𝟐
𝒕𝟏/𝟐
ISP | VWO
18
Activiteit
• de activiteit A is het aantal vervallende kernen per
seconde:
𝑨=−
𝐝𝑵
𝐝𝒕
• eenheid: becquerel (Bq)
• de activiteit At neemt exponentieel af in de loop van
de tijd t:
𝑨𝐭 = 𝑨𝟎 ∙ (½)𝒕/𝒕𝟏/𝟐 = 𝑨𝟎 ∙ 𝒆−𝝀∙𝒕
• de vervalkromme geeft At
als functie van t
ISP | VWO
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 | VWO
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 | VWO
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 | VWO
22
Vervalvergelijking
• γ-verval:
Am
Z
Y
A
Z
Y
γ
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 | VWO
Am
Z
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 | VWO
24
3 Effecten van ioniserende
straling
•
•
•
•
•
Bron – straling – ontvanger
Bestraling en besmetting
Dosis en equivalente dosis
Beschermingsmaatregelen
Afwegen van risico’s
ISP | VWO
25
Bron – straling – ontvanger
• schema:
besmetting
ioniserende
straling
bron
radioactiviteit
radioactieve stof
radioactief verval
activiteit
halveringstijd
ISP | VWO
ontvanger
bestraling
soorten straling
ioniserend vermogen
doordringend vermogen
dosis
equivalente dosis
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 | VWO
ontvanger
bestraling
27
Dosis en dosisequivalent
• de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per
kilogram van het absorberende materiaal:
𝑫=
𝑬𝐬𝐭𝐫
𝒎
• eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg)
• de equivalente dosis H is de dosis, gecorrigeerd voor
het biologisch effect (of de aangerichte schade) van
de verschillende soorten straling:
𝑯 = 𝒘𝐑 ∙ 𝑫
• eenheid: sievert (Sv)
• weegfactor: wR,α = 20 en wR,β,γ,rö = 1
ISP | VWO
28
Beschermingsmaatregelen
• de jaarlijkse equivalente dosis 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 | VWO
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 | VWO
30
4 Medische beeldvorming
• Beeldvormingstechnieken
• Stralingsdosis
ISP | VWO
31
Beeldvormingstechnieken
• ioniserende straling
röntgenfotografie
computertomografie (CT)
nucleaire diagnostiek
(tracer, PET)
• geluidsgolven
echografie
• radiogolven
magnetic resonance
imaging (MRI)
ISP | VWO
absorptie en transmissie van
röntgenstraling
uitzenden van γ-straling door
tracer bij radioactief verval;
annihilatie −1𝟎𝐞 en 𝟎1𝐞
terugkaatsen van ultrasone
geluidsgolven
uitzenden van radiogolven
door waterstofkernen in een
magnetisch veld
32
Stralingsdosis
• ioniserende straling
röntgenfotografie
klein
computertomografie (CT) groot
nucleaire diagnostiek
matig
• geluidsgolven
geen
echografie
• radiogolven
magnetic resonance
geen
imaging (MRI)
ISP | VWO
0,1 mSv
10 mSv
5 mSv
33
5 Kernsplijting en kernfusie
• Bindingsenergie en massadefect
• Bindingsenergie per nucleon
• Energie bij kernsplijting en kernfusie
ISP | VWO
34
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 = ∆𝒎 ∙ 𝒄𝟐
ISP | VWO
Eb
35
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 | VWO
36
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
𝑬𝐛 = ∆𝒎 ∙ 𝒄𝟐 = ( 𝒎𝐯𝐨𝐨𝐫 − 𝒎𝐧𝐚 ) ∙ 𝒄𝟐
• de kernmassa m is te berekenen uit de atoommassa
(gecorrigeerd voor de aanwezige elektronen) en de
atomaire massa-eenheid u
ISP | VWO
37
6 Kernenergie
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Kernsplijting
Kettingreactie
Kernreactor
Splijtstofstaven
Moderator
Regelstaven
Splijtstofcyclus
Kernafval
Veiligheidsaspecten
Milieuaspecten
ISP | VWO
38
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 | VWO
39
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 | VWO
40
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 | VWO
41
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
0
U+ 01n  239
Pu
+
2
94
-1 e
ISP | VWO
42
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 | VWO
43
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 | VWO
44
Splijtstofcyclus
• schema:
productie
splijtstofstaven
uraniumverrijking
uraniumwinning
ISP | VWO
kerncentrale
opwerking
splijtstofstaven
radioactief
afval
45
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 | VWO
46
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 | VWO
47
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 | VWO
48
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 | VWO
49