Fysische grondslagen van radioprotectie

Transcriptie

1 Fysische grondslagen van radioprotectie

2 Voorwoord Inleiding Straling Bouw van de materie Straling Inleiding Elektromagnetische straling Deeltjesstraling Ioniserende straling Intensiteit en kwadratenwet Radioactiviteit en vervalprocessen Inleiding Stralingssoorten Radioactief verval Activiteit Wisselwerking tussen straling en materie Verzwakking van elektromagnetische straling Wisselwerking van geladen deeltjes met materie Wisselwerking fotonen en materie Coherente verstrooiing Foto-elektrische absorptie Compton effect Paarvorming Combinatie van wisselwerkingen Stralingseenheden en grootheden Stralingsenergie Radioactiviteit Geabsorbeerde dosis Dosisequivalent Effectieve dosis Stralingsbescherming algemeen Bibliografie

3 Voorwoord De bedoeling van deze cursus Fysische grondslagen radioprotectie is om enkele begrippen en verschijnselen uit de stralingsfysica te beschrijven, die noodzakelijk zijn om de stralingsbescherming te begrijpen. De stralingsfysica is het vakgebied dat zich bezighoudt met de fysische aspecten van zowel straling als radioactiviteit. Begrip van de waargenomen verschijnselen bij toepassing van straling en de kwantificering van de stralingsdosis zijn essentiële voorwaarden gebleken voor een verantwoord gebruik. Het inleidend hoofdstuk is een herhaling van enkele begrippen uit de chemie en fysica uit het secundair onderwijs. Dit hoofdstuk behoort niet tot de leerstof maar dient eerder ter opfrissing. Het tweede hoofdstuk geeft een beschrijving van de belangrijke begrippen straling en radioactiviteit. De processen die optreden bij de interactie tussen straling en materie komen in hoofdstuk 3 uitgebreid aan de orde. Deze processen vormen de basis voor zowel de afbeeldingstechnieken met röntgenstraling als de dosisberekening in patiënten. Het laatste hoofdstuk is een overzicht van de gebruikte grootheden en eenheden in de stralingsfysica en stralingsbescherming. Het is belangrijk dat naast deze eenheden ook de grootte ordes van deze eenheden verduidelijkt worden, maw dat men kennis heeft van Wat is veel activiteit of Wat is een aanvaardbare dosis. De definities die in een grijze kader staan, zijn letterlijk overgenomen uit het KB van 20 juli De cursief kleiner gedrukte tekst is een aanvulling op de leerstof die echter toch interessant en leerrijk kan zijn. 3

4 1. Inleiding Er zijn vele miljoenen stoffen en elke stof heeft zijn eigen kenmerkende chemische eigenschappen. Elke stof is opgebouwd uit minuscuul kleine bouwstenen die moleculen worden genoemd. Alle moleculen zijn opgebouwd uit een beperkt aantal basisstoffen, de zogenaamde atomen of elementen (> Grieks a-tomos en betekent ondeelbaar, men ging er vanuit dat dit de kleinst mogelijke deeltjes waren, later is gebleken dat deze opgebouwd zijn uit een aantal elementaire deeltjes, zie verder). Deze zijn microscopisch klein, om een voorbeeld te geven: beschouw een stalen kogeltje met een diameter van slechts 0.3 millimeter, deze bevat (miljoen maal miljoen maal miljoen) ijzeratomen. (indien een persoon drie atomen per seconde telt en dag en nacht zonder stoppen zou tellen dan zou hij in één jaar 10 8 atomen tellen, om alle atomen te tellen in het nietige bolletje is (tien miljard) jaar nodig, een tijd langer dan de ouderdom van ons zonnestelsel) Men kent 106 verschillende atoomsoorten (92 natuurlijke elementen en 14 kunstmatige elementen). Deze atoomsoorten worden voorgesteld door een symbool, dit is de verkorte schrijfwijze voor de naam van dit element. (vb. H voor waterstof, Tc voor technetium, Ir voor iridium) Ieder atoom is onderscheidbaar van de andere door fysische en chemische eigenschappen. Een atoom bestaat uit een kern waarrond een aantal elektronen bewegen. De kern kan twee soorten elementaire deeltjes bevatten n.l. protonen en neutronen. De massa van een proton Figuur 1.1: Samenstelling van de atoomkern en van een neutron is praktisch gelijk, deze wordt ook de atomaire massa-eenheid (afgekort amu = *10-27 kg) genoemd, die van een elektron is hiermee te verwaarlozen. Een elektron is elektrisch negatief geladen, een proton positief en een neutron is elektrisch neutraal. De elektrische lading van een elektron en de lading van een proton zijn in grootte gelijk, deze lading wordt als eenheid genomen (e = *10-19 C). Daar een atoom in normale toestand elektrisch neutraal is, geldt: aantal elektronen = aantal protonen. 4

5 Deeltje Rustmassa a Lading b Proton(p) Elektron(e-,β-) Positron Neutron Foton 0 0 Tabel 1.1: massa en lading van elementaire deeltjes a a in amu ( 12 C = ) b b in eenheid van elementaire lading Hoeveel protonen in de kern voorkomen wordt aangegeven door het zogenaamde atoomnummer. Het atoomnummer is kenmerkend voor een atoomsoort. (vb. atoomnummer 8 is O-atoom, ). Het aantal elementaire deeltjes dat de kern in totaal telt (protonen + neutronen) wordt aangegeven door het massagetal. Figuur 1.2: schematische voorstelling van de samenstelling van een atoom Beide gegevens worden als volgt aangeduid: Symbool Massagetal Atoomnumme r X A Z bvb: Fe De elektronen rond de kern vormen de elektronenmantel. Wanneer meerdere elektronen zich rond de kern bewegen, bestrijken ze ieder een welbepaald gedeelte van deze elektronenmantel. Deze beperkte gebieden van de elektronenmantel heet men orbitalen. In een bepaalde orbitaal bewegen zich hoogstens twee elektronen. Figuur 1.3: elektronenbanen rond een atoomkern Elektronen hebben ook een beweging om hun eigen as. Men noemt dit de spin van het elektron. 5

6 Alle elektronen hebben niet dezelfde energie, deze is groter naargelang de orbitaal zich verder uitstrekt van de kern weg. Men zegt dat alle elektronen met dezelfde energie, tot dezelfde schil (of hetzelfde energieniveau) behoren. De mogelijke energieniveaus of schillen waartoe een elektron kan behoren, worden aangeduid door de letters K, L, M, N, O, P, Q te tellen vanaf de kern. Deze schilstructuur van de elektronen betekent eigenlijk dat de elektronen slechts op welbepaalde afstanden tot de kern bewegen, dus niet op een willekeurige afstand. De totale energie van een elektron wordt dus bepaald door de schil waarop dit elektron zich bevindt. Hierom zijn de begrippen schil en energieniveau als synoniem te beschouwen. De energiewaarde van een elektron neemt toe naarmate de schil waarop het zich bevindt verder verwijderd is van de atoomkern. Hoe de elektronen van een atoom over de verschillende schillen verdeeld zijn, is de elektronenconfiguratie van dit atoom. Het principe een systeem streeft naar minimale energie dat algemeen in alle natuurwetenschappen geldt, laat voorzien dat de opvulling van de schillen steeds van binnen naar buiten plaats grijpt. Van een atoomsoort kunnen meerdere vormen bestaan: alle met dezelfde kernlading (hetzelfde aantal protonen) maar met een verschillend massagetal (verschillend aantal neutronen). Dergelijke atoomsoorten noemt men isotopen. Om te specificeren van welk isotoop er sprake is, duidt men het massagetal aan, vb 192 Ir, 99 Tc. Isotopen kunnen kunstmatig gemaakt worden, men noemt ze dikwijls radio-isotopen omwille van hun onstabiliteit en daarmee gepaard gaande straling. 6

7 2. Straling 2.1. Bouw van de materie De bouw van atomen is te beschrijven met het eenvoudige model van de fysicus Rutherford. Hierbij wordt het atoom vergeleken met een zonnestelsel. Om het centrale deel, de kern van het atoom, cirkelen zeer kleine deeltjes, de elektronen. Meer dan 99.9% van de massa van het atoom is in de kern geconcentreerd. Figuur 2.1: atoomstructuur De kern (of nucleus) bestaat uit twee typen elementaire deeltjes of nucleonen: protonen en neutronen. Het proton heeft een positieve lading en het neutron is elektrisch neutraal en heeft een massa die ongeveer gelijk is aan die van een proton. De chemische aard van een atoom wordt bepaald door het aantal protonen in de kern. Het aantal protonen in de kern wordt het atoomnummer van het element genoemd. Het aantal nucleonen in de kern wordt het massagetal genoemd. Wanneer X een symbool is dat een bepaald chemisch element voorstelt, is A Z X de verkorte notatie voor een kernsoort, ook wel nuclide genoemd, met atoomnummer Z en massagetal A. Omdat door het symbool van het element impliciet ook het atoomnummer vastligt, wordt dit in de symbolische notatie vaak weggelaten. Voor alle atomen van hetzelfde element is het aantal protonen in een kern steeds hetzelfde, maar het aantal neutronen is niet gelijk. Er blijken onderling verschillende atomen van dezelfde atoomsoort te bestaan. Het atoomnummer Z is gelijk, maar het massagetal A is verschillend. Deze atoomsoorten worden isotopen van elkaar genoemd. (> Grieks iso = gelijk, topos = plaats, omdat isotopen op dezelfde plaats staan in het periodiek systeem der elementen) In het eenvoudige atoommodel van Rutherford wordt verondersteld dat de elektronen zich bewegen rond de atoomkern. De fysicus Bohr verbeterde dit model door aan de elektronen slechts zeer bepaalde banen toe te kennen, waarin zij zich bewegen. Deze elektronenbanen 7

8 zijn op een systematische wijze gegroepeerd. Een dergelijke groep van elektronenbanen wordt een elektronenschil genoemd. Het maximaal aantal mogelijke elektronenbanen per schil ligt systematisch vast. Figuur 2.2: voorstelling van het atoommodel van Rutherford en Bohr In een bepaalde elektronenbaan heeft een elektron een zekere potentiële (en kinetische) energie. De toestand van maximale stabiliteit is bij minimale onderlinge potentiële energie. Dit wordt de energetische grondtoestand genoemd. Vermits de elektronen slechts in bepaalde banen kunnen bewegen, kan een atoom niet alle willekeurige energietoestanden tussen nul en maximaal innemen. Een atoom kan slechts in discrete (niet continu) energieniveaus verkeren Straling Inleiding In het algemeen verstaat men onder straling elke overdracht van energie vanuit een bron naar de omgeving zonder dat hiervoor een medium nodig is. Deze overdracht kan de vorm van golven of van een deeltjesstroom aannemen. Voorbeelden van straling in de vorm van golven zijn radiogolven, licht, röntgenstraling, warmtestraling. Voorbeelden van straling in de vorm van deeltjes zijn en β- deeltjes uit radioactieve stoffen, bundels elektronen of protonen uit deeltjesversnellers. Deeltjesstraling wordt ook wel corpusculaire straling genoemd. 8

9 De belangrijkste onderverdelingen in soorten straling is die van elektromagnetische straling versus deeltjesstraling en van ioniserende straling versus niet-ioniserende straling. Straling Elektromagnetisch Deeltjes Niet ioniserend Radiogolven Komt nauwelijks voor Warmtestraling licht Ioniserend Röntgenstraling straling straling β straling elektronen protonen neutronen Tabel 2.1: onderverdeling van de verschillende soorten straling Elektromagnetische straling Elektromagnetische straling is een vorm van energietransport die ontstaat wanneer een elektrische lading wordt versneld. Hierbij treedt een zich in de ruimte uitbreidende combinatie van een elektrisch en een magnetisch veld op waaraan onder meer een golfkarakter kan worden toegekend. De genoemde velden veranderen sinusvormig in de tijd met een bepaalde frequentie, het aantal trillingen per seconde. Bij een golfbeweging hoort Figuur 2.3: de loodrecht op elkaar staande componenten van een EM-golf ook een golflengte, dit is de lengte van één volledige golfbeweging. Er zijn verschillende soorten elektromagnetische straling. Het onderscheid tussen deze stralingssoorten berust uitsluitend op de frequentieverschillen. 9

10 In het begin van de twintigste eeuw werd een aantal fysische experimenten uitgevoerd waaruit naar voren kwam dat het beeld van een zich in de ruimte voortplantende EM-golf niet in alle situaties een goede beschrijving van de waarnemingen toelaat. Dit is vooral het geval wanneer de frequentie van de straling hoog is. Hieruit is een beschrijving van EM-straling tot ontwikkeling gekomen waarbij straling wordt opgevat als opgebouwd uit een aantal discrete verstoringen in de ruimte, elk met een eigen energie E, die zich in de ruimte voortplanten. Een dergelijke verstoring heeft de naam foton gekregen. Wanneer een groot aantal fotonen tezamen in dezelfde richting lopen is de totale werking hiervan op te vatten als een golfbeweging. Een foton heeft een rustmassa gelijk aan nul. De bijbehorende frequentie blijkt in dat geval samen te hangen met de energie van het foton volgens: E foton = hf. Hierin is h de constante van Planck. ( h = Js). Het verband tussen de golflengte λ en de frequentie f gegeven wordt door: λ.v = c = m/s waarbij c de lichtsnelheid is. Hieruit volgt dat E foton = h.f = h.c/ λ Hoge Energie Korte golflengte Lage Energie Lange golflengte Figuur 2.4: overzicht van het elektromagnetisch spectrum Straling kan worden gespecificeerd door het aangeven van de golflengte, uitgedrukt in bijvoorbeeld de Angström (1 Å = m) of de nanometer (1 nm = 10-9 m). De relaties tussen de golflengte, frequentie en energie van de golfbeweging, houdt in dat EM-straling tevens kan worden gekarakteriseerd door het aangeven van de energie van de bijbehorende fotonen. 10

11 Deeltjesstraling De belangrijkste typen van deeltjesstraling zijn alfa- (α),beta- (β), neutronen- en protonenstraling. 4 -straling bestaat uit heliumkernen van twee protonen en twee neutronen 2 He. Dit deeltje heeft een massa van vier keer de amu (atomaire massa-eenheid) en de elektrische lading is tweewaardig positief. Deze deeltjes hebben als gevolg van hun relatief grote massa en hun tweewaardige elektrische lading een groot ioniserend vermogen.de doordringdiepte in materie is echter gering, zoals zal blijken bij de beschrijving van de wisselwerkingsprocessen tussen straling en materie. Wanneer de deeltjes hun kinetische energie nagenoeg verloren hebben, zullen zij elk twee vrije elektronen aan zich binden en verder voortbestaan als heliumatomen. β-straling bestaat uit zeer snelle elektronen of positronen. Positronen zijn deeltjes gelijk aan elektronen, alleen de elektrische lading van positronen is eenwaardig positief. Elektronenstraling heeft afhankelijk van de energie in lucht een dracht van enkele centimeters tot vele meters, in weefsels van enkele millimeters tot enkele centimeters. In tegenstelling tot de negatief geladen elektronen hebben de positief geladen positronen een levensduur van slechts enkele milliseconden. Het positron zal in combinatie met een elektron verdwijnen, waarbij de twee deeltjes worden omgezet in annihilatiestraling (zie verder). Neutronenstraling bestaat uit vrije neutronen die onder andere gevormd kunnen worden bij kernsplijtingreacties. De levensduur van vrije neutronen is beperkt omdat zij uiteenvallen in een elektron en een proton. Omdat het gedrag van neutronen sterk wisselt met de energie, worden de neutronen onderverdeeld in snelle neutronen, intermediaire neutronen en langzame neutronen. Figuur 2.6: het doordringvermogen van enkele stralingssoorten 11

12 Protonenstraling bestaat uit éénwaardig positief geladen deeltjes met een massa van één atomaire atoomeenheid.protonen zijn identiek met de kern van het waterstofatoom. Protonenstraling wordt onder meer gevormd door versnelling van waterstofionen of bij botsing van neutronen in waterstofrijke materialen. Wanneer de protonen hun kinetische energie nagenoeg verloren hebben, zullen zij een vrij elektron aan zich binden en verder voortbestaan als waterstofatomen Ioniserende straling Ioniserende straling is gedefinieerd als straling (elektromagnetisch of deeltjes) die in staat is ionen te vormen in materie waar ze op valt. Dat wil zeggen dat de straling genoeg energie overdraagt om één of meer elektronen los te maken uit de atomen waaruit de materie bestaat. Het atoom, dat gewoonlijk elektrisch neutraal is, wordt zo omgevormd in een positief geladen ion en één of meer negatief geladen elektronen. Omdat moleculen meestal bestaan uit elektrisch aan elkaar gebonden atomen, is het dus mogelijk dat door ionisatie de bindingen tussen de atomen verbroken raken of anders worden gerangschikt. Door de inwerking van ioniserende straling ontstaan dus chemische veranderingen. In levend weefsel uit zich dat in biologische veranderingen. Ioniserende straling: straling samengesteld uit fotonen of deeltjes welke in staat zijn direct of indirect de vorming van ionen te veroorzaken; zij omvat in elk geval energietransport in de vorm van deeltjes of elektromagnetische golven met een golflengte van 100 nanometer of minder, of met een frequentie van hertz of meer, waardoor er rechtstreeks of onrechtstreeks ionisatie kan optreden. In de volksmond wordt de ioniserende straling die door radioactieve stoffen wordt uitgezonden meestal radioactieve straling genoemd. Hoewel deze term direct duidelijk maakt wat voor soort straling er wordt bedoeld, is zij fysisch incorrect: de straling zelf is niet radioactief, maar wordt uitgezonden bij radioactief verval. Tot de groep van ioniserende straling behoren onder andere de röntgen- en straling De frequentiegebieden van deze straling zijn overlappend. De verschillen berusten op verschillende wijze van fysische oorsprong. 12

13 De -straling ontstaat binnen atoomkernen wanneer deze van een aangeslagen (hogere) energietoestand terugvallen naar lagere energietoestanden. Dergelijke aangeslagen atoomkernen kunnen ontstaan als gevolg van radioactieve vervalprocessen (zie verder) of als gevolg van kernsplijting. Een kern in aangeslagen energietoestand zendt het teveel aan energie uit in de vorm van elektromagnetische straling, de straling Röntgenstraling ontstaat bij interactie tussen energierijke elektronen en atomen. Röntgenstraling kan worden opgewekt in een röntgenbuis. Een röntgenbuis bestaat uit een vacuüm getrokken glazen omhulsel met daarin geplaatst twee elektroden: de door een gloeispiraal verhitte kathode, en de anode, een op enige afstand van de kathode geplaatste metalen plaat. De kathode is bedekt met een laag wolfraam. Bij dit materiaal hebben de elektronen in de buitenste atoomschil een betrekkelijk lage (binding)energie. De thermische energie die door het verhitten van de gloeidraad aan deze elektronen wordt overgedragen stelt deze elektronen in staat zich los te maken. Wordt nu de anode met een externe spanningsbron op een hoge (positieve) potentiaal of spanning ten opzichte van de kathode gebracht, dan zullen de vrijgemaakte elektronen naar de anode worden toegetrokken. Door het opvoeren van de anodespanning kan de snelheid van de elektronen die de anode bombarderen steeds verder worden opgevoerd. Bij deze botsingen van de elektronen met het anodemateriaal van de röntgenbuis ontstaat röntgenstraling. Dit gebeurt op twee manieren: door wisselwerkingen van de snelle elektronen met de elektronen van het anodemateriaal, waarbij karakteristieke straling ontstaat, en door wisselwerkingen in het veld van de kernen van het anodemateriaal, waarbij remstraling ontstaat (zie hoofdstuk 3.2). Figuur 2.7: het principe van een röntgenbuis 13

14 Intensiteit en kwadratenwet Als maat voor de grootte van het energietransport samenhangend met straling wordt de intensiteit I van de straling gebruikt. Dit is de energie in de stralenbundel die per seconde een eenheid van oppervlakte passeert. Uit de gegeven definitie voor de intensiteit volgt direct een zeer belangrijke wetmatigheid. Beschouw hiertoe een bron en de intensiteit I als gevolg hiervan op een afstand R. Wanneer de afstand R ten opzichte van de afmetingen van de bron groot is, mag de bron als een puntbron worden opgevat, waarbij de energie in alle richtingen uniform wordt uitgestraald. Het totale vermogen P (= de energie, E, die in een bepaald tijdsinterval, t, wordt geproduceerd) dat door de bron wordt uitgezonden, wordt op een afstand R uitgesmeerd over een bolschil met als oppervlakte 4πR 2. De intensiteit ter plaatse is gelijk aan: I P 4 R 2 Hieruit blijkt dat de intensiteit omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand tot de (punt)bron. Deze relatie staat bekend als de kwadratenwet. Deze wet is zeer algemeen geldig voor alle stralingsbronnen (ook voor geluid) en is van groot belang in medische toepassingen van straling. Men kan namelijk zowel de gewenste als de ongewenste effecten van straling ingrijpend beïnvloeden door de afstand tot de bron te manipuleren. Door twee keer zo dicht bij een bron te gaan staan loopt men een vier keer zo hoge dosis op. Door een fotografische film 5% verder weg te plaatsen moet men 10,25% langer belichten om dezelfde intensiteit op de film te verkrijgen. In figuur 2.5 zien we dat op een afstand B, die dubbel zo groot is als de afstand A, de intensiteit I2 gelijk is aan viermaal de intensiteit I1 op een afstand A. Figuur 2.5: voorstelling van de kwadratenwet, I2 is viermaal I1 14

15 2.3. Radioactiviteit en vervalprocessen Inleiding Een stof is radioactief wanneer deze stof ioniserende straling uitzendt. Deze straling komt vrij bij het uiteenvallen (desintegreren) van een atomaire kern. Radioactiviteit komt dus voort uit de kern van een atoom en niet uit de elektronenschil. Radioactieve stof: elke stof die één of meer radionucliden bevat waarvan de activiteit of de concentratie om redenen van stralingsbescherming niet mag worden verwaarloosd. De kern van een atoom bestaat uit verschillende kerndeeltjes: protonen en neutronen. Protonen hebben een positieve lading, neutronen zijn neutraal en hebben dus geen lading. In de kern bevinden de kerndeeltjes zich dicht bij elkaar en dat ondanks het feit dat alle protonen een positieve lading hebben en elkaar dus afstoten. De kern wordt bijeengehouden door de zogeheten sterke kernkracht. Dit is één van de vier krachten in de natuur: - zwaartekracht - elektromagnetische kracht - sterke kernkracht - zwakke kernkracht De sterke kernkracht is een aantrekkende kracht tussen kerndeeltjes die geen onderscheid maakt tussen ladingen en dus vergelijkbaar is met de zwaartekracht. De sterke kernkracht werkt echter alleen op zeer korte afstand. Deze samenbindende kracht in de kern is evenredig met het aantal kerndeeltjes. Om nu een stabiele kern te krijgen dient de sterke kernkracht groter te zijn dan de afstotende elektrische kracht tussen de protonen. Het aantal protonen bepaalt de afstotende kracht en het aantal kerndeeltjes (protonen en neutronen) bepaalt de samentrekkende kracht. Bij een groter aantal neutronen neemt alleen de samentrekkende kracht toe. Bij een bepaalde verhouding tussen het aantal neutronen en protonen zijn de beide krachten in evenwicht. Te veel protonen of te veel neutronen maken de kern vervolgens instabiel. 15

16 In figuur 2.6 is de verhouding van het aantal protonen en neutronen in kernen weergegeven in een zogenaamde nuclidenkaart of isotopentabel. Op deze kaart worden de nucliden voorgesteld en gerangschikt volgens hun aantal protonen en neutronen. Voor lichte kernen blijkt het aantal protonen en het aantal neutronen ongeveer gelijk te moeten zijn om een stabiele kern te vormen. Bij zwaardere kernen neemt relatief het aantal neutronen toe, zodat in zwaardere kernen zich altijd meer neutronen dan protonen zich bevinden. De stabiliteitslijn is de band gevormd door de stabiele kernen Figuur 2.8: stabiele en instabiele-radioactieve nucliden. De 45 lijn bevat nucliden met gelijke aantallen protonen en neutronen. 16

17 Wanneer een kern dus een onjuiste verhouding tussen protonen en neutronen heeft, is deze kern instabiel. Instabiele kernen vervallen naar stabiele kernen. Bij dit vervalproces verandert het aantal of de samenstelling van de kerndeeltjes. Dit verval gaat gepaard met het uitzenden van deeltjes en/of elektromagnetische straling. Een kern die zeer instabiel is, zal binnen zeer korte tijd vervallen. Kernen die zich dichter bij een stabiele toestand bevinden, zullen gedurende langere tijd kunnen bestaan voor dat ze vervallen. Figuur 2.9:voorstelling van het teveel aan kerndeeltjes bij een instabiel atoom Alle kernen van een radionuclide bezitten dezelfde waarschijnlijkheid om gedurende een bepaalde tijdsduur te vervallen of desintegreren. Deze kans is enkel afhankelijk van de aard van de nuclide en wordt niet beïnvloed door omgevingsparameters (zoals druk of temperatuur) of de voorgeschiedenis van de kernen. Radioactiviteit is een statistisch verschijnsel Stralingssoorten Instabiele kernen kunnen vaak op meerdere manieren een lagere energietoestand bereiken. Kenmerkend hierbij zijn het type radioactief verval, de uitgezonden stralingssoorten en hun energieën. In deze paragraaf worden enkele kernomzettingen en de daarbij geproduceerde (ioniserende) stralingsdeeltjes besproken. Er zijn echter nog meer vervalprocessen zoals: isomeer verval, interne conversie, spontane splijting, Auger elektronen, 17

18 -straling Een -deeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Het -deeltje zelf is dus een 4 atomaire kern. Het element met dezelfde kernsamenstelling is Helium ( 2 He ). De vervallende kern raakt dus twee protonen en twee neutronen kwijt. Het energieniveau van de kern voor en na het verval is vast, waardoor de uitgezonden -deeltjes van een bepaald isotoop een discrete energie hebben. A Z X A Z 4 2 X ' Een voorbeeld van dergelijk verval is radium: Ra 86 Rn 226 De radiumkern met 226 kerndeeltjes, waarvan 88 protonen, vervalt dus naar een radonkern He 4 2 He met 222 kerndeeltjes, waarvan 86 protonen, onder uitzending van een -deeltje Kernveranderingen worden vaak op deze wijze beschreven. De pijl geeft aan dat de linkerkern vervalt. Bij verval blijft het aantal deeltjes behouden, dat wil zeggen dat het aantal deeltjes van de oorspronkelijke kern wordt verdeeld over de overblijvende kern en het uitgezonden deeltje. De opgetelde getallen aan beide kanten van de pijl moet dus gelijk zijn. Zowel de bovenste getallen (aantal kerndeeltjes) als de onderste getallen (aantal protonen). De energie van de -deeltjes is sterk afhankelijk van het specifieke isotoop dat vervalt. De maximale energie bedraagt ongeveer 6MeV en is dus relatief hoog. Door de relatief grote massa (viermaal amu) van dit deeltje raakt het zijn energie snel kwijt door middel van botsingen met het materiaal waar het zich in bevindt. De dracht van -deeltjes in lucht is maximaal ongeveer 7cm. In weefsel is deze dracht zeer veel minder, men kan de straling tegenhouden door een blaadje papier. Wanneer een -deeltje zijn energie kwijt is, zal deze heliumkern twee elektronen invangen en is vervolgens niet meer te onderscheiden van een normale heliumkern. Elektronstraling (β - ) Kernen die te veel neutronen hebben om stabiel te zijn, kunnen stabiel worden door één of meerdere neutronen om te zetten in protonen. Neutronen kunnen worden beschouwd als een proton en een elektron samen in één deeltje. De ladingen van het proton en het elektron 18

19 heffen mekaar op en de massa is ongeveer de som van de massa van een proton en een elektron. Wanneer nu een neutron omgezet wordt in een proton verdwijnt het elektron uit de kern vaak met een grote energie. Dit verdwijnende elektron is de - straling: n p e Voor de kern heeft dit tot gevolg dat het totale aantal kerndeeltjes gelijk is gebleven, maar het aantal protonen met één is toegenomen. De kern die vervalt gaat over in een kern van een ander element. Bij dit soort verval staat niet vast in welke energietoestand de kern achterblijft. Het -deeltje kan elke energie hebben tot een bepaald maximum. De gemiddelde energie van een -deeltje is ongeveer een derde van de maximale energie. De dracht van elektronen is aanzienlijk groter dan die van -deeltjes aangezien de massa van een elektron 1/1860 deel is van de massa van een kerndeeltje. De dracht van elektronen met een energie van 3MeV is ongeveer 1.5 cm in weefsel. Meestal is de energie van - straling veel lager en wordt dus door een dun laagje zwaar metaal (bijvoorbeeld platina) afgeschermd. Een voorbeeld van een - stralier is cesium-137: positronstraling ( + ) ( ) 137 Cs Ba 56 e 1 Kernen die te veel protonen hebben om stabiel te zijn, kunnen stabiel worden door één of meerdere protonen om te zetten in neutronen: p 0n 0 1 e Het ontstane positron is een elektron met een positieve lading en een negatieve massa. Een compleet spiegelbeeld dus van een gewoon elektron. Een deeltje met negatieve massa (antimaterie) zal zo snel mogelijk een spiegelbeelddeeltje zoeken en hiermee reageren, waardoor ze beide verdwijnen. Dit heet annihilatie (= in het niets verdwijnen). Het enige dat overblijft is een hoeveelheid energie die vrijkomt door het omzetten van beide massa s in elektromagnetische straling. Deze energie zal in de vorm van twee fotonen vrijkomen die onder een hoek van 180 uitgezonden worden. De zogenaamde PET (Positron Emission 19

20 Tomografie) scanner maakt van dit verschijnsel gebruik door uit de positie van de gedetecteerde fotonen de plaats van het oorspronkelijke positron af te leiden. Bij deze techniek wordt gebruik gemaakt van positron uitzendende radio-isotopen. Een voorbeeld van een dergelijke kern is stikstof-13: 13 7 N 13 6 Ba 0 1 e 0 0 1e 1e 2 ' s (0.511 MeV) Het resultaat voor de vervallende kern is dat het aantal protonen met één afneemt en het totaal aantal deeltjes in de kern gelijk blijft. elektronvangst Een andere mogelijkheid voor kernen met te veel protonen is het invangen van een elektron. In dit geval wordt dus niet een positief elektron weggeschoten maar wordt een negatief geladen elektron ingevangen. Samen met een proton vormt dit elektron een neutron p 1e 1 0 n De kern houdt hierdoor evenveel kerndeeltjes maar verandert van element omdat het aantal protonen met één afneemt. Het elektron dat wordt ingevangen, is meestal een elektron uit de K-schil (binnenste schil). Het ontstane gat in de elektronenschil zal door elektronen uit andere schillen opgevuld worden, waarbij karakteristieke (röntgen)straling wordt uitgezonden. Bij dit kernproces worden dus geen deeltjes uitgezonden. Een voorbeeld van elektronvangst is Cr-51: -straling Cr 1e Va Het verval van kernen door het uitzenden van deeltjes (negatief of positief) wordt meestal gevolgd door het uitzenden van een foton (γ-straling). Op deze manier raakt de kern het teveel aan energie kwijt dat na het uitzenden van een deeltje nog aanwezig is boven het stabiele energieniveau. De energieniveaus van begin- en eindkern zijn steeds hetzelfde, waardoor de energie van de uitgezonden fotonen karakteristiek is voor de betreffende kern. Wanneer bij een vervalproces geen energie over is voor straling en er dus geen straling wordt uitgezonden, spreekt men van zuivere of stralers 20

21 De energie van straling is sterk afhankelijk van de specifieke kern. Het energiegebied strekt zich uit van 100 kev tot 2.5 MeV. Zowel röntgenstraling, annihilatiestraling als straling is elektromagnetische straling. Het verschil is de wijze waarop de straling ontstaat. Röntgenstraling ontstaat door het afremmen van elektronen in materie, annihilatiestraling ontstaat na het annihilatieproces van een elektron en een positron en straling ontstaat bij het verval van instabiele atoomkernen Radioactief verval Door een ongunstige verhouding tussen het aantal protonen en neutronen kan een kern instabiel zijn. In feite hebben deze kernen een overtollige hoeveelheid energie en streven naar een stabielere situatie. Door een kernomzetting, waardoor de protonen- en neutronenverhouding gunstiger wordt en/of een kernovergang waarbij energie in de vorm van elektromagnetische straling (γ-straling) wordt uitgezonden, kan de kern stabieler worden. Het verschijnsel dat instabiele nucliden bij de overgang naar een stabielere vorm spontaan stralingsdeeltjes en/of hoogenergetische elektromagnetische straling uitzenden, wordt radioactiviteit genoemd. Het moment van het verval van een instabiele kern is een toevallig en spontaan proces, ook wel statistisch proces genoemd. Dit verval is niet te beïnvloeden door externe factoren zoals druk- of temperatuursveranderingen. Bij een dergelijk proces is de kans dat het proces optreedt in een bepaalde tijdsperiode gelijk aan de kans in eenzelfde tijdsperiode daarna. Als de kans bijvoorbeeld in het eerste uur 10% is dan is deze in het tweede uur ook 10%, enz. Een dergelijk gedrag wordt beschreven door een exponentiële functie. De snelheid van verval kan op twee verschillende manieren worden aangegeven: 1. Met de vervalconstante De vervalconstante is een maat voor de snelheid van verval, als groot is vervalt de stof snel, als klein is vervalt de stof langzaam. In formulevorm, ook wel vervalwet genoemd, geeft dit voor het verval van een stof die op tijdstip t=0 N0 kernen heeft voor het aantal kernen (Nt) op tijdstip t: N t N * e 0 t 21

22 2. Met de halveringstijd T1/2. De halveringstijd geeft aan na hoeveel tijd nog de helft over is van het oorspronkelijk aantal kernen. Is deze tijd lang dan vervalt de stof langzaam, is deze tijd kort dan vervalt de stof snel. In formulevorm geeft dit: N t N e * t / T 0 Beide formules beschrijven hetzelfde proces en er is dus een verband tussen de twee: 1/ 2 ln 2 T 1/ T 1/ 2 Figuur 2.10: aantal kernen, n(t), als functie van de tijd t, exponentieel verval, in eenzelfde tijdspanne T vervalt het aantal kernen met eenzelfde factor De halveringstijd van een radioactieve stof is een eigenschap die van belang is voor zowel het gebruik voor therapeutische of diagnostische doeleinden als voor de stralingshygiënische maatregelen. 22

23 Radionuclide U-238 (uranium) Cs-137 (cesium) Sr-90 (strontium) Co-60 (cobalt) I-125 (jodium) Ir-192 (iridium) Fysische Halveringstijd jaar 30 jaar 28 jaar 5.3 jaar 60 dagen 74 dagen Tabel 2.1: halveringstijden van enkele radionucliden De fysische halveringstijd (Tf) is dus de tijd waarin de helft van het oorspronkelijke aantal kernen vervalt en ook de tijd waarin de activiteit halveert. Halveringstijden van diverse radionucliden variëren van microseconden tot miljarden jaren. Indien wordt gesproken over halveringstijd zonder nadere aanduiding, wordt in het algemeen de fysische halveringstijd bedoeld. Daarnaast bestaat ook een biologische halveringstijd (Tb). Deze geeft de tijd aan waarin de helft van de hoeveelheid van een nuclide dat om een of andere reden in het lichaam is opgenomen, is uitgescheiden. Dit geldt zowel voor een stabiel element als voor de instabiele isotopen van dat element, want het lichaam ziet geen verschil tussen de verschillende isotopen van een chemisch element. Voor 131 I is de biologische halveringstijd 120 dagen en voor 32 P 1000 dagen. De combinatie van deze twee halveringstijden is de effectieve halveringstijd (Te), dat is de tijd waarin de hoeveelheid van een radionuclide in het lichaam zowel door verval als door uitscheiding is gehalveerd. De effectieve halveringstijd is een belangrijke factor om de biologische risico s van een isotoop in te schatten. Bij onderzoeken op patiënten is het belangrijk dat de effectieve halveringstijd zo kort (als praktisch) mogelijk is. Deze effectieve halveringstijd is te berekenen volgens de eenvoudige formule: 1 T e 1 T f 1 T b of ook T e T T f f * T b T b 23

24 Activiteit Activiteit: de activiteit A van een hoeveelheid radionuclide in een bepaalde energietoestand en op een gegeven tijdstip is het quotiënt van dn en dt, waarin dn de verwachtingswaarde van het aantal spontane kernovergangen vanuit die energietoestand gedurende het tijdsinterval dt voorstelt: dn A dt De intensiteit van de uitgezonden straling is evenredig met het aantal kernen van een stof dat per seconde vervalt. Het aantal kernen dat per seconde vervalt van een stof wordt de activiteit genoemd. Vanwege het verval neemt het aantal kernen van de stof af. Het aantal kernen van een stof dat per seconde vervalt is evenredig met het totaal aantal kernen van die stof. Voor de activiteit van een stof gelden dus dezelfde formules als voor het totaal aantal kernen van een stof: En A t A * e 0 A t A t t / T 0 * 2 1/ 2 Hiermee kan de activiteit van een bron worden berekend voor een latere datum dan de ijkdatum of kalibratiedatum.dit heeft ook voor gevolg dat voor bijvoorbeeld een therapeutische behandeling van een borsttumor met Ir-draden de behandeltijd verlengt naarmate de radioactieve draad ouder is. Een ander voorbeeld zijn de 60 Co-bronnen in de radiotherapie, deze werden vervangen na een periode van één halveringstijd (5.27 jaar), de behandeling van patiënten duurde dubbel zo lang op het einde van de bron dan in het begin. Afhankelijk van de toegediende dosis kon zo de behandeltijd oplopen tot 10 minuten (bij versnellers ongeveer 2 à 3 minuten). 192 Radioactieve stoffen komen in de natuur voor. De halveringstijden van radionucliden, die sinds het ontstaan van de aarde (ong. 5*10 9 jaar geleden) nog niet geheel vervallen zijn, is noodzakelijkerwijs erg lang. Wanneer een instabiele kern vervalt kan dit direct een stabiele kern opleveren, of een volgende instabiele kern. Wanneer er achtereenvolgens een hele reeks instabiele kernen wordt gevormd spreekt men van reeksvorming. 24

25 Radioactieve stoffen kunnen ook gemaakt worden. Dit kan met behulp van een kernreactie tussen twee kernen of kerndeeltjes of met behulp van kernsplijting. Om de kernreactie tot stand te brengen is het nodig een kern of kerndeeltje een hoge snelheid (energie) te geven om tot een andere kern door te dringen, of gebruik te maken van neutrale kerndeeltjes (neutronen). Bij het gebruik van een lineaire elektronenversneller (meestal een LINAC genoemd van LINear ACcelerator) kan ook neutronenstraling worden geproduceerd. In principe worden de versnelde elektronen van deze versneller direct gebruikt als elektronenstraling of indirect voor de productie van röntgenstraling (remstraling). De fotonen van deze röntgenstraling kunnen een dusdanig hoge energie hebben dat deze fotonen met een kern een reactie ondergaan: A Z X A 1 Z X 1 0 n Via deze reactie ontstaat dus neutronenstraling. De ondergrens voor dit soort reacties is ongeveer 8 MeV fotonen. Deze reactie kan een radioactief isotoop van het element X opleveren. Een aantal materialen in de kop van een versneller vormt op deze manier een stralingsbron. Het is daarom belangrijk bij het ontwerpen van een versneller met dit aspect rekening te houden. De halveringstijd van de gevormde isotopen is kort, zodat de activiteit snel weer verdwijnt. Bij radioactieve bronnen onderscheidt men ingekapselde en niet-ingekapselde bronnen. Een definitie van zowel een bron als een ingekapselde bron wordt gegeven in het KB van 20 juli Bron: radioactieve stof, toestel of installatie die ioniserende stralingen kan uitzenden of die radioactieve stoffen bevat. Ingekapselde bron: bron waarvan de structuur verhindert dat er, bij normaal gebruik, enige verspreiding van radioactieve stoffen in de omgeving kan zijn. 25

26 Radioactieve bronnen dienen als zodanig herkenbaar te zijn: waarschuwingsteken, nuclide, activiteit. Deze bronnen zijn op commerciële basis verkrijgbaar van gespecialiseerde producenten (vb. Amersham). Ingekapselde bronnen dienen te voldoen aan kwaliteitseisen, opdat zeker gesteld is dat de radioactieve stof niet vrijkomt onder de omstandigheden waarin de bron wordt toegepast. Figuur 2.11: waarschuwingsteken voor ioniserende straling; zwarte driehoek met gele achtergrond 26

27 3. Wisselwerking tussen straling en materie Een goed inzicht in de wisselwerking van straling met materie is onontbeerlijk voor zowel de theoretische als praktische beoefening van de stralingsbescherming. Deze wisselwerking vormt immers de basis voor de stralingsdosimetrie, voor de kwalitatieve en kwantitatieve meting van straling, voor de afscherming van straling en voor de evaluatie van de biologische gevolgen van blootstelling aan straling. Een beschrijving van de wisselwerkingsprocessen bij de medische toepassing van röntgenstraling en straling is zeer complex. Hiervoor is een aantal redenen aan te geven: In de eerste plaats is het menselijk lichaam niet homogeen van samenstelling. De soortelijke massa en de samenstelling (het atoomnummer) van de weefsels lopen sterk uiteen (denk aan bot, spierweefsel, vet, longweefsel, enz... ). Verder is de opvallende bundel straling vrijwel nooit mono energetisch, in de regel is er sprake van een breed energiespectrum. Voorts is de dikte van het object er de oorzaak van dat het energiespectrum van de straling zich, afhankelijk van de diepte in het object, wijzigt. Er treedt energie opharding op. Ten slotte zal de brede stralenbundel die wordt toegepast een aanzienlijke verstrooiingsbijdrage leveren die de bepaling van de verzwakking van de primaire bundel bemoeilijkt. Men kan een onderscheid maken tussen direct en indirect ioniserende straling. Bij direct ioniserende straling hebben we te maken met snelle geladen deeltjes (elektronen, alfadeeltjes, protonen) die hun energie direct aan de materie afgeven (dat wil zeggen aan de atomaire elektronen en/of de atoomkernen). De wisselwerking van direct ioniserende straling kenmerkt zich door zeer veel wisselwerkingen met weinig energieverlies per wisselwerking. Het doordringend vermogen van deze stralingssoort is in het algemeen gering. Bij indirect ioniserende straling hebben we te maken met ongeladen deeltjes (fotonen, neutronen), die hun energie overdragen aan geladen deeltjes. Deze deeltjes kunnen op hun beurt de energie aan de materie afgeven zoals bij direct ioniserende straling. De wisselwerking van ongeladen deeltjes kenmerkt zich door weinig wisselwerkingen met een 27

28 relatief grote energieoverdracht per wisselwerking. Het doordringend vermogen van deze stralingssoort kan aanzienlijk zijn Verzwakking van elektromagnetische straling Fotonen die op een laag materiaal vallen zullen ofwel door het materiaal heen dringen, ofwel een wisselwerking met de atomen van het materiaal aan gaan. Fotonen hebben dus een zeker doordringend vermogen. De wisselwerking bestaat uit verstrooiing en/of absorptie. Deze zijn macroscopische wisselwerkingen, men kan deze fenomenen relatief eenvoudig waarnemen of meten. Figuur 3.1: schematische voorstelling van interacties van fotonen en materie; fotonen worden ofwel doorgelaten, geabsorbeerd of verstrooid Verstrooiing Bij verstrooiing ontstaat uit de wisselwerking tussen fotonen en materie een ander foton. Dit gaat verder in een andere richting dan het invallende foton. De energieoverdracht vindt niet rechtstreeks plaats, eerst zullen elektronen worden vrijgemaakt uit de atomen van het object, daarna zullen deze snelle elektronen op hun beurt energie overdragen via ionisatie en excitatie van de atomen langs hun baan. Om deze reden wordt röntgenstraling indirect ioniserende straling. Bij een geladen deeltje, zoals een elektron bijvoorbeeld, met voldoende kinetische 28

29 energie om een atoom te ioniseren, is er sprake van direct ioniserende straling. De energie van het snelle elektron wordt in kleine porties en dus via een groot aantal botsingen overgedragen aan de materie. Het snelle elektron laat hierbij een spoor van geïoniseerde en geëxciteerde atomen achter. Absorptie Bij absorptie wordt de energie van het foton geheel of gedeeltelijk omgezet in een andere vorm van energie. Absorptie geeft altijd een verzwakking van de intensiteit van een bundel straling. Bij verstrooiing wordt de intensiteit van een bundel straling ook verzwakt, vooral doordat de verstrooide straling in een andere richting wordt gestuurd: in de doorgaande richting van de bundel wordt de intensiteit kleiner. Deze beschouwing geldt voor alle soorten elektromagnetische straling, dus ook voor licht. Voor de intensiteit van een smalle bundel straling, die is opgebouwd uit fotonen van één enkele energiewaarde (mono-energetische bundel),geldt na het passeren van een laag materiaal een eenvoudige wetmatigheid. Deze relatie is: I I * e 0 D 29

30 Hierbij is: I0 de intensiteit van de invallende bundel I de intensiteit van de uittredende bundel een materiaalconstante (afhankelijk van de energie van de straling) D de dikte van het materiaal e het grondgetal voor de natuurlijke logaritme, zijnde Wanneer een bundel straling niet mono-energetisch is (wat meestal het geval is) geldt deze relatie niet. In theorie kan het spectrum van de bundel in componenten voor verschillende energieën worden ontleed. Op elk van deze componenten kan dan wel deze wet worden toegepast, waarna de totale intensiteit door sommatie kan worden bepaald. Een belangrijke grootheid voor een materiaal is de halfwaardedikte D1/2, of halveringsdikte HVD, voor een bundel straling met bepaalde energie. Dit is de dikte van het materiaal waarbij de intensiteit van de bundel na het passeren van de laag tot de helft is teruggevallen. Ook wordt regelmatig de term tienwaardedikte gebruikt, hiervoor wordt er gekeken naar hoe dik een bepaald materiaal moet zijn om de intensiteit tot één tiende (10%) te reduceren. Voor een poli-energetische fotonbundel (meer dan één energie) treedt er het fenomeen van energie-opharding op, de straling wordt harder. De laag energetische fotonen worden in het algemeen sterker verzwakt dan fotonen met een hogere energie. Om de intensiteit van de hardere straling tot de helft te verzwakken is er een grotere dikte materiaal nodig, de halveringsdikte neemt toe (zie figuur 3.1 ). Hier is een ander zeer belangrijk principe uit de stralingsbescherming beschreven, namelijk de afscherming. Samen met de afstand (denk aan de kwadratenwet) en tijd is de afscherming een belangrijke factor om de dosis tot een minimum te herleiden voor zowel de bezoekers als voor het personeel. Denk maar aan de loodafscherming bij radiologische toepassingen of de grote betonnen bunkers waar de lineaire versnellers in staan. 30

31 Figuur 3.2: de HVD neemt toe met de diepte ten gevolge van het harder worden van de straling 31

32 3.2. Wisselwerking van geladen deeltjes met materie De wisselwerking van geladen deeltjes met materie kan plaatsvinden door wisselwerking met het atoom, het elektrisch veld van de kern en met de atoomkern zelf. Voor de meeste praktische toepassingen is de interactie met het atoom, dat wil zeggen met de atomaire elektronen, de belangrijkste. Het geladen deeltje draagt dan in de interactie (botsing) een deel van zijn energie over. Dit kan gepaard gaan met vrijmaking van een elektron (ionisatie) of door energieoverdracht waarbij de inwendige energie van het atoom toeneemt (excitatie). Langs deze weg vindt de feitelijke energieoverdracht aan de materie plaats, er wordt dosis afgegeven. Bij ionisatie wordt er een elektron uit zijn baan in het atoom vrijgemaakt. Het geïoniseerde atoom wordt een positief ion, terwijl het vrije elektron, nadat het al zijn energie is kwijtgeraakt, zich meestal spoedig hecht aan een ander atoom. Dit atoom wordt daardoor een negatief ion, zodat een ionenpaar gevormd ontstaat. Bij excitatie is de energie die aan het atoom wordt overgedragen niet voldoende om een ionisatie te bewerkstelligen, de energie wordt nu gebruikt om een elektron op een hoger energieniveau te brengen. Het atoom bevindt zich hierna in een aangeslagen toestand. In tegenstelling tot een geïoniseerd atoom is een geëxciteerd atoom nog steeds elektrisch neutraal. Figuur 3.3: schematische voorstelling van excitatie van een atoom ten gevolge van een botsing van een vrij elektron met een elektron uit de elektronenschil 32

33 De elektronen die bij de ionisaties uit de elektronenwolk worden losgerukt, zullen in het algemeen zeer lokaal hun energie weer afstaan. Soms krijgen de losgerukte elektronen zoveel energie mee, dat deze op hun beurt weer aanleiding geven tot een spoor van ionisaties. Men spreekt in dit geval van een secundair elektron. Na excitatie treedt er ook de zogenaamde karakteristieke straling. Het vrijgemaakte elektron laat een vacature of gat in een elektronenbaan die normaal gevuld is, deze wordt opgevuld door een elektron uit een hoger gelegen baan. De daarbij vrijkomende energie komt vrij in de vorm van een foton. De energie van het uitgezonden foton is exact gelijk aan het verschil in (binding)energie van beide elektronenbanen. Aangezien de waarden van deze energieën karakteristiek zijn voor het betreffende atoomsoort, wordt gesproken over karakteristieke straling. Wanneer energierijke elektronen op materie invallen kunnen zij soms ook tot vlak bij de atoomkern doordringen. Het negatief geladen elektron ondervindt dan in het algemeen een aantrekkingskracht van de positief geladen kern en wordt afgebogen. Soms treedt er een elektromagnetische interactie op tussen het elektron en de kern. Wanneer dit gebeurt, raakt het elektron kinetische energie kwijt en wordt dus afgeremd. Het energieverlies komt vrij in de vorm van een foton. Deze vorm van elektromagnetische straling wordt remstraling genoemd. De waarschijnlijkheid van het ontstaan van remstraling neemt toe bij toenemende energie van het elektron en met toenemend atoomnummer van het medium. In de radiotherapie kunnen patiënten worden bestraald met de remstraling van elektronen met energieën van 4 tot ongeveer 50 MeV. Figuur 3.4: productie van remstraling; links: afbuiging zonder dat remstraling wordt geproduceerd, rechts: afbuiging met remstraling 33

34 Een snel elektron doorloopt een grillige baan in de materie en deze baan wordt gemarkeerd door een spoor van positieve en negatieve ionen en aangeslagen atomen. Hier en daar ontstaat remstraling. Aan het begin van de baan is de afname van de energie per weglengte vrijwel constant. Aan het einde van de baan neemt het aantal ionisaties per weglengte toe. De effectieve afstand die een snel elektron in de materie doorloopt noemt men de dracht van dat elektron. De dracht van een elektron, vrijgemaakt door een foton van bijvoorbeeld 100 kev, bedraagt in water ongeveer 0.14 mm. Figuur 3.5: schematische weergave van de baan van een snel elektron in materie 34