Hoofdstuk 1: Radioactiviteit

Transcriptie

1 Hoofdstuk 1: Radioactiviteit Inleiding Het is belangrijk iets te weten over wat we in de natuurkunde radioactiviteit noemen. Ongetwijfeld heb je, zonder er direct mee in aanraking te zijn geweest, er ergens iets over gehoord of gelezen. Er bestaan (helaas) nog steeds veel verkeerde denkbeelden over radioactiviteit en alles wat daarmee samenhangt. Sommige mensen denken dat alle 'radioactieve straling' slecht zou zijn, deinzen meteen terug als je zegt dat je een radioactieve stof in je handen houdt, of denken gelijk aan kerncentrales, kernenergie, kernafval, demonstraties, Greenpeace enz. We moeten ervoor zorgen dat deze denkbeelden wat aangepast worden en voor een gedeelte verdwijnen. Ook al kies je dit vak niet in de vierde klas, het is voor iedereen zinvol iets te weten over radioactiviteit. Vroeg of laat krijgt iedereen er wel eens mee te maken. Deze tekst is een aanvulling op hoofdstuk 9 ("straling") uit 'Eureka', natuurkunde voor de derde klas havo/vwo, uitgeverij Malmberg, Radioactiviteit Pagina 1

2 Molekulen en atomen Je weet dat alles is opgebouwd uit molekulen, die op hun beurt weer opgebouwd zijn uit atomen. Atomen bestaan weer uit drie soorten andere deeltjes: protonen, neutronen en elektronen. Een atoom heeft een kern (vergelijk dit maar met een pit die in het binnenste van een vrucht zit) en een schil (te vergelijken met de schil van een vrucht). Tussen kern en schil zit een vacuüm. De kern bestaat uit protonen en neutronen, de schil bestaat uit elektronen. Het eenvoudigste atoom, waterstof, aangeduid met H, bestaat uit één proton met daarom heen cirkelend één elektron. We zullen dit noteren als: 1 1 H Maar een ander atoom, voortaan 'element' genoemd, bijvoorbeeld zuurstof, bestaat uit 8 protonen, 8 neutronen en ook 8 elektronen. Notatie: 16 8 O Je ziet: bovenaan wordt het totale aantal protonen en neutronen genoteerd, onderaan het zg. atoomnummer. Het atoomnummer geeft aan op welke plek het atoom staat in het periodiek systeem van de elementen. Het totale aantal protonen en neutronen wordt atoommassa genoemd; elektronen worden er niet bij opgeteld omdat ze ongeveer 1800 keer zo licht zijn als protonen (en ook als neutronen). Hun bijdrage aan de atoommassa is dus te verwaarlozen. 197 VOORBEELD: Bekijk eens het symbool van het element goud: 79 Au Dit betekent: de atoommassa is 197, het atoomnummer 79. Het atoomnummer geeft aan hoeveel protonen er in de kern zitten. Dus is het aantal neutronen eenvoudig te berekenen: aantal neutronen = = 118. Je ziet dat het aantal neutronen en het aantal protonen helemaal niet hetzelfde hoeft te zijn. Hoe hoger het atoomnummer, hoe groter het verschil tussen het aantal protonen en het aantal neutronen. Pagina 2 Radioactiviteit

3 Isotopen Net zoals je bij auto's allerlei verschillende typen van 1 merk kunt hebben, heb je ook van één atoomsoort meerdere 'typen'. Zo'n type wordt isotoop genoemd en wordt als volgt omschreven: Isotopen zijn atomen van één soort (dus met hetzelfde atoomnummer) met een verschillend massagetal Voorbeelden van isotopen zijn: 8 O en 8 O. Je ziet: het is dezelfde soort (allebei zuurstof) maar ze 16 hebben een verschillende atoommassa. Het aantal neutronen van 8 O is 16-8 = 8 en het aantal 17 neutronen van 8 O bedraagt 17-8 = 9! Je zou dus ook kunnen zeggen dat het aantal neutronen van de één verschilt met dat van de ander. Nu wil het niet zeggen dat beide isotopen van zuurstof allebei evenveel in de natuur voorkomen. Nee, 17 slechts 0,038 % van alle zuurstofatomen die in de natuur voorkomen bestaat uit het isotoop O. Instabiele atoomkernen Sommige atoomkernen die vrij in de natuur voorkomen hebben niet het eeuwige leven: ze zijn niet stabiel. Dat wil zeggen dat ze op den duur 'verdwijnen'. In plaats van 'verdwijnen' schrijven we liever: een atoomkern die uiteenvalt in stukjes, waarvan er meestal één een atoomkern is van een andere soort. Atoomkernen die vervallen noemt men instabiel. 8 Radioactiviteit Pagina 3

4 Radioactiviteit en soorten straling Het vervallen van atoomkernen gaat gepaard met het uitzenden van bepaalde straling. Het is juist deze straling die schadelijk voor de gezondheid kan zijn. Het verschijnsel dat sommige atoomsoorten voortdurend straling uitzenden, wordt radioactiviteit genoemd. Omdat deze straling door atoomkernen wordt uitgezonden, spreken we van kernstraling. In de volksmond wordt dit 'radioactieve straling' genoemd: dit is FOUT, want niet de straling maar de stof is radioactief. In de vrije natuur komen ruim driehonderd atoomsoorten voor, bovendien bestaan er ruim duizend kunstmatige atoomsoorten die door de mens zijn gemaakt. Van de natuurlijke atoomsoorten is ongeveer een vijfde deel radioactief; de kunstmatige atoomsoorten zijn allemaal radioactief. Bij het verval van een atoomkern wordt kernstraling uitgezonden, namelijk α-, β-, of γ-straling. 1. α-straling bestaat uit 4 2 He kernen 2. β-straling bestaat uit elektronen 3. γ-straling bestaat uit fotonen (elektromagnetische straling) Hoe schadelijk deze straling voor de mens kan zijn, bekijken we in een andere paragraaf. Eerst gaan we kijken wat er nou precies gebeurd bij het vervallen van een atoomkern. Reactievergelijkingen 232 We bekijken het element Thorium, aangegeven met 90 Th. Door een bepaalde oorzaak (waar we niet op ingaan) kan een Thoriumkern spontaan een α-deeltje uitzenden. Thorium-232 wordt dan ook een 'alfa-straler' genoemd: bij het radioactieve verval van Thorium ontstaat α-straling. Net als bij scheikunde kunnen we ook bij het radioactieve verval een reactievergelijking opstellen (die we niet kloppend hoeven te maken). Voor het verval van Thorium-232 kunnen we het volgende noteren: Th 88 Ra He Je ziet dat er, naast He-4 een nieuw element ontstaat: Radium-228. Helaas is dit element ook radioactief: een Ra-228 kern vervalt onder uitzending van een elektron. De reactievergelijking wordt dan: Ra 89 Ac e Er ontstaat het element Actinium-228 en een elektron (waarom staat er een "-" voor de 1?). Pagina 4 Radioactiviteit

5 Hoofdstuk 2: Radioactiviteit en gezondheid We gaan nu voor elke soort straling na wat de kenmerken zijn en wat de gevolgen kunnen zijn voor de gezondheid. α-straling Alfa-deeltjes worden uitgezonden met een snelheid die voor iedere radioactieve stof anders is. Bij de 'snelste' α-stralers is deze snelheid zo'n 10% van de lichtsnelheid, dus ongeveer honderd miljoen kilometer per uur! Doorlopen α-deeltjes materie, dan schieten ze elektronen weg uit de atomen of molekulen waarmee ze in botsing komen. Dit ioniserend vermogen van α-deeltjes is buitengewoon groot. Telkens als een α-deeltje een atoom of molekuul ioniseert, verliest het energie. Dit heeft tot gevolg, dat een α-deeltje in materie maar een kleine afstand kan afleggen. Anders gezegd: α-straling heeft een gering doordringend vermogen. De benaming dracht geeft aan, hoe diep α- straling in materie doordringt. Deze dracht is in lucht slechts 3 tot 10 centimeter; in metalen is de dracht slechts een fractie van een millimeter. Zelfs een blad papier is voor α-straling te dik om er doorheen te gaan. β-straling Zendt een radioactieve atoomsoort β-deeltjes uit, dan kan de snelheid hiervan verschillen van zo'n 30% tot 99% van de lichtsnelheid. In tegenstelling tot α-deeltjes is de deze snelheid dus niet kenmerkend voor de radioactieve stof: je kunt aan de hand van de snelheid van de β-deeltjes niet weten van welke radioactieve stof ze vandaan komen. Vergeleken met α-deeltjes hebben β-deeltjes een veel kleiner ioniserend vermogen. Daardoor hebben β- deeltjes juist een veel groter doordringend vermogen. In lucht bedraagt hun dracht enkele meters; in aluminium zijn ze na enige millimeters tot stilstand gebracht. γ-straling Deze straling bestaat uit ongeladen deeltjes; het is elektromagnetische straling. De voortplantingssnelheid van γ-straling is de lichtsnelheid. γ-straling is buitengewoon energierijk. In vergelijking met β-deeltjes heeft γ-straling een veel kleiner ioniserend vermogen. Dit betekent dat het doordringend vermogen van γ-straling bijzonder groot is: het kan zelfs door een centimeters dikke loden plaat gaan! Radioactiviteit Pagina 5

6 Samenvatting: stralingssoort aard van de straling ioniserend vermogen doordringend vermogen en dracht α-straling helium-4 kernen groot klein β-straling elektronen klein groot γ-straling e.m.straling heel klein heel groot Stralingsgevaar Veel radioactieve stoffen zenden hun straling zó intensief uit, dat blootstelling aan deze (onzichtbare) straling gevaarlijk voor je is. Het radioactieve kalium-40 dat in je eigen lichaam voorkomt kan echter geen kwaad. Gevaarlijke radioactieve stoffen (er bestaan dus ook ongevaarlijke) moeten bewaard worden in een loden pot met zulke dikke wanden dat ze zelfs γ-straling volledig absorberen. Bovendien moet de opslagruimte zijn voorzien van het waarschuwingsteken van de figuur hiernaast. In de tijd dat radioactieve atoomsoorten zijn ontdekt (zo rond 1900) waren deze gevaren nog niet bekend. De door wetenschappers ontdekte sterkradioactieve stralers veroorzaakten hun dood: de straling vernietigde langzaam maar zeker het beenmerg. Ioniserende straling kan voor mens, dier en plant schadelijk zijn. De ionen die bij absorptie van deze straling in levende cellen worden gevormd, kunnen namelijk in de cellen ongewenste chemische reacties veroorzaken. De processen die in zo'n cel plaatsvinden, kunnen hierdoor worden verstoord. Bij ernstige verstoring is het mogelijk, dat er mutaties in zo'n cel optreden (dat zijn veranderingen in het genetisch materiaal van de cel). Dan kan het gebeuren, dat de celdeling (tijdelijk of blijvend) stopt óf abnormaal gaat verlopen. In het laatste geval kan het voorkomen, dat de celdeling ongeremd doorgaat. We spreken dan van tumorvorming. Sneldelende cellen, zoals de bloedvormende cellen en de geslachtscellen, zijn extra gevoelig voor ioniserende straling. Mutaties in de bloedvormende cellen kunnen leukemie veroorzaken. Mutaties in de geslachtscellen worden aan het nageslacht doorgegeven en kunnen tot aangeboren afwijkingen leiden. Pagina 6 Radioactiviteit

7 Stralingsdosis Om zinvoller over de risico's van ioniserende straling te kunnen praten, heeft men een aantal begrippen ingevoerd. Een van die begrippen is de stralingsdosis of kortweg de dosis. De stralingsdosis geeft aan hoeveel stralingsenergie er per kilogram bestraalde massa wordt geabsorbeerd. De eenheid van stralingsdosis is de gray. Hierbij geldt: 1 gray = 1 joule per kilogram. (Afgekort: 1 Gy = 1 J/kg). Een voorbeeld: van een gebroken onderarm wordt een röntgenfoto gemaakt. Deze onderarm heeft een massa van 1,2 kg; tijdens de opname valt er een hoeveelheid röntgenstraling met een energie van 6,0 A 10-4 J. Hiervan wordt 70% geabsorbeerd. -4 0,70 6,0 De stralingsdosis bedraagt dan 10-4 = 3,5 10 Gy = 0,35 mgy 1,2 De risico's van ioniserende straling hangen niet alleen van de ontvangen stralingsdosis af. Ook de stralingssoort speelt daarbij een rol. Bovendien maakt het verschil of er van uitwendige- dan wel van inwendige bestraling sprake is. Bij uitwendige bestraling is α-straling vrijwel onschadelijk, omdat α-deeltjes niet door de huid heen kunnen dringen. Met β-straling zijn de risico's groter, omdat deze straling iets dieper doordringt. Maar het is vooral de γ-straling die de risico's oplevert: deze straling kan diep in het lichaam doordringen en daar ionisaties veroorzaken. We spreken van 'inwendige besmetting' als een radioactieve stof in het lichaam terechtkomt en zich daarin gaat vastzetten. De kans dat het dan een α-straler betreft, is normaal gesproken uiterst klein. En dat is maar goed ook, want bij inwendige bestraling is α-straling - door het hoge aantal ionisaties per cel - veel gevaarlijker dan γ-straling. Radioactiviteit Pagina 7

8 Kwaliteitsfactor; dosisequivalent Om de schadelijkheid van de ene soort ioniserende straling te kunnen vergelijken met de andere soort, zijn kwaliteitsfactoren ingevoerd. Deze factor bedraagt bijvoorbeeld voor β-straling 1 en voor α-straling 20. Dit betekent dat bij een even grote stralingsdosis α-straling 20 maal zo schadelijk is als β-straling. Het begrip dosisequivalent heeft hiermee te maken. Voor elke soort ioniserende straling geldt: Het dosisequivalent is gelijk aan de stralingsdosis, vermenigvuldigd met de kwaliteitsfactor van de soort straling. Kortweg: dosisequivalent = stralingsdosis A kwaliteitsfactor De eenheid van dosisequivalent is de sievert. Hierbij geldt: 1 sievert = 1 joule per kilogram (Afgekort: 1 Sv = 1 J/kg). Een voorbeeld: Iemand gaat onvoorzichtig te werk met een radioactieve bron die α-straling uitzendt en loopt hierdoor een stralingsdosis van 0,50 mgy op. Het dosisequivalent bedraagt dan: 0,50 A 20 = 10 msv. stralingssoort kwaliteitsfactor röntgen 1 β 1 γ 1 neutronen 3 tot 10 protonen 10 α 20 Pagina 8 Radioactiviteit

9 oorzaak msv per jaar opmerkingen natuurlijke stralingsbelasting kosmische straling 0,30 bodem en bouwmaterialen - uitwendige bestraling 0,50 - inwendige bestraling 0,90 door inademing van radon radioactiviteit in het lichaam 0,25 van o.a. K-40 en C-14 subtotaal: 1,95 kunstmatige stralingsbelasting gezondheidszorg 0,50 energieproduktie kerncentrales 0,01 gebruiksgoederen 0,01 bijvoorbeeld TV-toestel/monitor fall-out 0,01 van proeven met kernwapens reactorongeval Tsjernobyl 0,01 tot en met het jaar 2007 subtotaal: 0,55 totaal: 2,50 Radioactiviteit Pagina 9

10 Meerkeuzevragen Met deze vragenlijst willen we inzicht krijgen in de ideeën die mensen hebben over radioactiviteit en straling. Het is geen kennistoets maar een poging te weten te komen welke voorstellingen mensen hebben over dergelijke zaken die sinds lange tijd sterk in de belangstelling staan. 1. Leerlingen leggen tijdens een experiment een appel voor een röntgenbuis en bekijken het doorlichten van de appel. Het opeten van de appel is daarna: a. gevaarlijk, omdat de appel straling bevat b. enige tijd gevaarlijk, zolang de straling in de appel nog actief is c. ongevaarlijk 2. Radioactieve besmetting van een mens wil zeggen: a. dat de mens teveel straling bevat b. dat de mens teveel radioactieve stof bevat c. beide 3. Jodiumtabletten worden soms voorgeschreven tegen radioactieve besmetting. Wat doet het jodium in het lichaam? a. het neutraliseert de straling b. het voorkomt dat straling in het lichaam achterblijft c. het maakt het lichaam immuun tegen straling d. geen van bovenstaande 4. Na verblijf in een radioactief besmet gebied, is het goed te douchen a. om eventuele straling er af te spoelen b. om eventuele radioactieve stoffen te verwijderen c. om eventuele straling en radioactieve stoffen eraf te spoelen d. maar niet om bovenstaande redenen 5. Er bestaan tegen de opslag van radioactief afval in zee: a. omdat de radioactieve stoffen in het zeewater kunnen komen b. omdat de straling via zeestromingen wordt verspreid c. om beide redenen

11 6. In een ruimte waar röntgenfoto's worden gemaakt staat een afzuiginstallatie. Wat is de beste periode om de afzuiginstallatie te laten werken met het oog op vermindering van het stralingsgevaar: a. telkens als een foto wordt gemaakt b. zolang er patiënten en personeel in de ruimte zijn c. dag en nacht d. hoeft om die reden niet aan te staan 7. Hoe lang blijft de straling actief in het lichaam van een patiënt die door een uitwendige bron is bestraald? a. nul weken b. enkele weken c. niet te zeggen 8. Zwangere vrouwen krijgen het advies voorzichtig te zijn met het laten maken van röntgenfoto's: a. omdat de straling via het bloed en de placenta ook de ongeboren vrucht kan bereiken b. omdat de straling rechtstreeks de ongeboren vrucht schade kan toebrengen c. om beide genoemde redenen 9. Bij welke patiënten kun je beter niet te dicht in de buurt komen? a. bij mensen die een radioactieve stof toegediend hebben gekregen b. bij mensen die door een radioactieve bron uitwendig bestraald zijn c. bij beiden d. onzin, beiden mag je benaderen 10. In sommige industrieën is het gebruikelijk gevarengeld toe te kennen als iemand extra risico's loopt. Veronderstel dat schoonmakers van een röntgenafdeling in een ziekenhuis dit geld claimen vanwege het extra risico dat ze 's avonds lopen bij het schoonmaken van de afdeling: a. dat is terecht omdat de straling niet helemaal is verdwenen b. dat is terecht omdat de lucht niet helemaal is gezuiverd c. dat i terecht om beide bovengenoemde redenen d. dat is onterecht Radioactiviteit Pagina 11

12 11. Zoals je misschien weet, is het niet aan te raden in korte tijd (bijvoorbeeld een half jaar) meerdere röntgenfoto's te laten maken zonder dringende noodzaak. Dat advies is gebaseerd op het feit dat a. straling enige tijd in het lichaam blijft b. alle straling een klein risico met zich meebrengt Pagina 12 Radioactiviteit