. Elektronen en elektromagnetische energie Ron / PA2ION

Transcriptie

1 Elektronen en elektromagnetische energie Ron / PA2ION Samenvatting Doel is te komen tot een verzameling van kennisfeiten, meetgegevens en opvattingen die van nut en verklarend zijn bij praktische vraagstukken en bij experimenten met RF/EM energie (bijv. door radio zendamateurs). Het verzamelen van info, tekstelementen en afbeeldingen heeft een doorlopend karakter. Onderdelen die voldoende inhoud hebben worden gepubliceerd onder deze website sectie. Opmerkingen die positief bijdragen aan de inhoud zullen indien mogelijk worden verwerkt. Opzet en inhoud kunnen in de toekomst nog sterk veranderen. Dit document is bedoeld voor eigen gebruik door de auteur maar meekijken mag Ron Inleiding De werkelijke wereld van het atoom, elektronen en het wezen van elektromagnetische straling ontrekt zich nog geheel aan de menselijke waarneming en dus moeten we het doen met theorieën die veelal gevolgtrekkingen zijn van metingen bij praktische proeven. De maatschappij was bezorgd over gezondheidseffecten van EM straling: voor niet ioniserende straling (NIS) geldt daarbij alleen een drempelwaarde bij belasting, voor ioniserende straling(is) geldt daarnaast de cumulatieve benadering. Aan IS kwesties is tientallen jaren gericht onderzoekswerk uitgevoerd, de NIS benadering is naar het gevoel van de auteur tot nog toe veel minder intens geweest en ook meer divers gericht. Bij IS was de relatie met kankerincidentie al aangetoond. Bij NIS is tot heden geen direct verband gevonden en zijn media weer relatief stil over dit onderwerp. Inmiddels loopt er wel onderzoek naar de publieke onderdompeling in EM straling. Zendamateurs bespeuren al lang toename van storing op aan hun toegewezen frequentiebanden door nieuwe bronnen. Hopelijk blijkt later van dit al geen verband met resultaten van basisscholen en/of toename van geheugenverlies bij ouderen. Een elite groep van wetenschappers discussieert ondertussen nog of het elektron als een trillende één dimensionale snaar moet worden beschreven. Anderen beelden ze af als kleine knikkertjes die rondvliegen om zware kernen. Radiofrequenties lopen door tot 300 gigahertz (1.2meV) en kan volgens berekeningen geen ionisatie veroorzaken (>4eV) maar kan wel invloed hebben op de spin van kerndeeltjes. Radio kent voor wie daar oog voor heeft ook nog steeds veel geheimen. HAM radio biedt daarbij kansen om als hobbyist zelf te spelen, te experimenteren en af te wijken van platgetreden paden in

2 de huidige Copy & Paste cultuur. Dit document bevat op den duur hopelijk voldoende relevante theoretische en praktische feiten op compacte wijze om de beeldvorming over radio en wat daar mee samenhangt te verbreden en ideeën op te doen. 1. Productie van vrije elektronen 1.1 Vorming bij radioactief verval Bètastraling. Atoomkernen met een teveel aan neutronen verminderen dit door uitzending van negatieve bètastraling (β - ) via een combinatie van een negatief elektron en een ongeladen neutrino () een elementair deeltje van de kern dat bijdraagt aan de energiebalans waardoor deze elektronen een continu energiespectrum vertonen. Atoomkernen met een tekort aan neutronen kunnen een zelfde proces ondergaan maar zenden nu positieve bètastraling (β + ) uit en dat zijn dan positieve elektronen ofwel positronen. Bij emissie β deeltje: A A Z X Z 1 X Bij emissie β + deeltje: A A Z X X Z 1 waarin: X, X oorspronkelijk en nieuw gevormd element, A aantal protonen + neutronen, Z aantal protonen(atoomgetal). Aantal neutronen is dus A Z. Electron capture of K-vangst De in De inertie van neutrino s, zelfs voor atoomkern materiaal, maakt het technisch uiterst moeilijk om zelfs een zeer kleine fractie daarvan te detecteren. Stellaire neutrino s hebben een energie tot ev (~16J) ongeveer gelijk de energie om een gewicht van 32kg met een snelheid van 1m/sec te stoppen. Veel neutrino s vliegen waarschijnlijk dwars door de aarde heen! Wanneer te weinig energie voor positron emissie voorhanden is kan een elektron uit de K-schil worden ingevangen onder uitzending van een karakteristieke röntgenstraal. Interne conversie van de atoomkern. Bij radioactief verval kunnen atomen hun overtollige energie i.p.v. gammastraling soms afgeven door toediening van kinetische energie aan een elektron dat zich dicht bij de kern bevindt (K-schil) waardoor deze het atoom verlaat (ionisatie). Bij het

3 opvullen van de opengevallen plaats door een elektron uit een hogere baan komt karakteristieke röntgenstraling vrij. Isomere Transitie(IT) Dit treedt op wanneer bij radioactief verval kernprocessen en bijhorende energie overgangen elkaar niet in grote snelheid opvolgen en dat kan soms een geruime tijd duren. IT kan dan al apart proces worden beschouwd (o.a. bij metingen). Bij dit Paar-productie Fotonen (gamma- of röntgenstraling) met een energie > 1.02Mev kunnen bij botsing met een atoomkern hun energie afgeven waarbij dan een elektron, een positron en een neutrino vrijkomen. De efficiëntie van paarproductie neemt sterk toe bij een fotonenergie > 5MeV. Auger elektronen Wanneer elektronen van een atoomkern vanuit een hogere naar een lagere baan gaan komt er karakteristieke röntgenstraling vrij. Deze straling kan zijn energie soms overdragen aan een elektron met lagere bindingsenergie dat daarna het atoom verlaat. Deze elektronen hebben een karakteristieke energie. Effecten gammastraling op gebonden elektronen Foto-elektrisch effect: hierbij geeft het γ-kwant zijn energie geheel over aan een elektron dat hierdoor uit de baan van het atoom schiet. Dit proces is sterk bij energie < 1 MeV en hoge Z-waarden(atoomgetal) Compton effect: hierbij geeft het γ-kwant zijn energie slechts gedeeltelijk aan het elektron en verkrijgt daardoor zelf een lagere energie. 1.2 Technische productie Ionisatie door verwarming De fractie aangeslagen deeltjes ( n s ) t.o.v. die in lage energietoestand is te berekenen via de Boltzmann-vergelijking: n s n0 ( E E ) /1, T e s 0 0 g en s g s g Hierin zijn 0 g als gewichtsfactoren vaak ongeveer gelijk. Naarmate de energieovergang groter wordt daalt de relatieve bezetting. Uit berekening volgt bijv. dat gestimuleerde emissie bij een golflengte van 9E-5 m (0.014eV) bij kamertemperatuur ongeveer 50 procent zou zijn. - Bij verdergaande opwarming van stoffen vinden de volgende processen plaats: verwarming verhitting ontbinding- destructie- ionisatie plasma vorming. Moleculen spitsen zich in atomen waarbij elektronenbindingen worden afgebroken (dissociatie). Bij atomen kunnen elektronen overgaan naar hogere banen (excitatie) en bij voldoende energie kunnen elektronen het atoom ook verlaten en ontstaan ionen

4 (ionisatie). Kenmerken daarbij zijn: - De energie van een uitgestoten elektronen is evenredig met de botsingsenergie verminderd met de bindingsenergie. - De bindingsenergie van elektronen is karakteristiek voor het atoomnummer en de positie in dat atoom. - Wanneer een ander elektron een opgevallen plaats opvult gebeurt dit onder uitzending van een foton met een energie die gelijk is aan de bindingsenergie. Voorbeeld: bij siervuurwerk kan men de effecten van ionisatie zien in de specifieke kleuren van toegevoegd natrium, kalium, strontium, barium etc.

5 Fractie met hoger energie niveau. Spontane energieovergangen bij verschillende temperaturen ( o C) 1.E+00 1.E E-02 1.E-03 1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 Niveau van energieovergang uitgedrukt als golflengte (m) Radiobuis: thermisch gevormde elektronen in een elektrische veld - Bij verhitting van een gloeidraad in vacuüm zoals een lamp of een radiobuis komen vrij gemaakte elektronen bij afwezigheid van een elektrisch veld niet ver van hun bron omdat deze positief geladen raakt en de elektronen weer gaat aantrekken. - Wanneer de vrijgemaakte elektronen echter in een (sterk) elektrisch veld geplaatst worden gaan de elektronen bewegen van kathode naar anode en versnellen en

6 bouwen daarbij energie op die evenredig is met de som van de krachten die ze ondergaan in dat elektrisch veld. - Wat zich bij de botsing afspeelt op de anode van de buis hangt af van diverse factoren. Hebben de elektronen voldoende energie dan wordt röntgenstraling gevormd: Stel alle energie van het elektron wordt omgezet in een foton. Dan geldt het volgende: ev = hν max = hc/λ min Hierin is e de lading(c), V de buisspanning (volt), ν het golfgetal. De röntgen energie flux (Φ r, Jm -2 ) kan dan ruwweg berekend worden: (controleer): Φ r = 1.4 * Z * V 2 * i * 10-9 / (4πd 2 ) Hierin is Z = atoomgetal absorberende kern, i de stroomsterkte(a), d is de afstand (m) tot het trefplaatje(anode). Bij hoog vermogen zendbuizen wil men röntgenvorming zoveel mogelijk vermijden. Dit kan door toepassing van lagere spanning en gebruik van beryllium dat een lage Z waarde 4 heeft. Overigens is deze stof wel zeer toxisch! Doorslag van hoogspanning in lucht Wanneer twee polen met groot verschil in elektrische spanning te dicht bij elkaar staan kan vonkoverslag tussen die twee plaatsvinden. Doorslagspanning wordt gedefinieerd als de spanning waarbij de isolator (hier de luchtlaag tussen de twee polen) begint te geleiden en waarna vonkoverslag kan gaan plaatsvinden. Vuistregel: doorslagspanning is ongeveer 3 kv/mm lucht Betatron. Voor de beeldvorming kan men zich de secundaire wikkeling van een trafo voorstellen maar wordt de ruimte van het draad vervangen door een vacuüm ruimte waarin langzame elektronen worden geïnjecteerd. Door één wisselend magneetveld behouden de elektronen een radiale verdeling naar energie inhoud door de ander worden de elektronen versneld. Om de gewenste energie te verkrijgen moet een elektron soms wel 100 km afleggen. Energiebereik: 1 tot 300 MeV. Toepassingen: medisch en fysisch (radiotherapie, sterilisatie). 2. Gedrag van elektronen

7 2.1 Statische elektriciteit, gelijkstroom met water als medium Biologisch effect De eerste gedocumenteerde proef: Galvani (1791) nam waar dat opgewekte statische elektriciteit een kikkerpoot deed samentrekken. Geleiding van stroom is hier mogelijk door transport van elektrische lading via ionen in de zenuwbanen waarmee sturing van spieren kan worden bewerkstelligd. Reacties menselijk lichaam op elektrische stroom Gelijkstroom: + kant: veroorzaakt uitdroging en verdovend gevoel (perceptie < 2 ma) - kant: verhoogd watergehalte, roodheid v/d huid Wisselstroom: - zenuwprikkeling meest sterk bij Hz (perceptie < 0.5mA) - minder ionen en waarneming warmte effect bij > 500 Hz Opmerking: blijf een gewone held en experimenteer hiermee niet!! Batterij Met een zoutoplossing, koper en zinkplaatjes werd door Volta de voorloper van de moderne batterij ontworpen (1800). Bij stroomlevering wordt elementair koper en zink chemisch omgezet in een koper- resp. zinkverbinding. De redoxpotentiaal van een oplossing(/batterij) volgens de wet van Nernst: aox E E log 0 n a red hierin is: E 0 de normaal potentiaal v/h redoxkoppel (specifiek), n het aantal elektronen bij de reactie betrokken, a ox en a red de respectievelijke ionenactiviteiten. Elektrolyse Omgekeerd toonde Volta ook aan dat door stroom chemische reacties in waterige oplossingen van zouten, zuren en basen werden veroorzaakt: ionen worden omgeven met een watermantel aangetrokken naar de elektrode met tegenovergestelde spanning en nemen daar aangekomen elektronen op of geven die af. Komen deze van de chemische stof dan vormt zich gereduceerd product bij opname van elektronen of geoxideerd product bij afgifte. Bij reductie - oxidatie ( redox ) is de reactiesnelheid is van de betrokken stoffen vaak traag. In dat geval kunnen waterionen rond de elektrode een rol spelen en wordt

8 waterstof en/of zuurstof gevormd. Zodra gelijkstroom loopt vindt is er ook een chemische omzetting plaats. Bij afwezigheid van statische lading op het systeem is de totale lading van de positieve en negatieve ionen aan elkaar gelijk. Vrije elektronen met lage of zonder kinetische energie verdwijnen bij nabijheid van atomen en moleculen waarschijnlijk direct. 2.1 Gelijkstroom en geleiders Getallenvoorbeeld: snelheid van elektronen door gangbaar installatiedraad Gegevens koperdraad: lengte 10m, draaddiameter 2.5mm. Dat is 49cm 3 met een massa van 438gram en bevat 4.15* koperatomen Gelijkstroom:1A (equivalent met elektronen/seconde) Hieruit afgeleid: - Totale weerstand v/d koperdraad: 10*0.0172/(3.14*1.25*1.25)= ohm - Spanningsverlies over de koperdraad: 1*0.035 = 0.035V - Energie af te geven als warmte: 1*1*0.035W ofwel 0.035J/s Verder zijn er de volgende aannames: - Slechts 1 procent van de atomen levert een elektron in de geleidingsband op, dus in ons voorbeeld zijn dat dan totaal 4.15* geleidingselektronen. - bij stroomvoering schuiven de geleidingselektronen allen met dezelfde snelheid door de geleider. Hoe duurt het nu voordat een elektron aan het begin van de draad aankomt aan het einde? Dat is nu eenvoudig te berekenen uit: (4.15* )/( * ) = 6600 seconden. De elektronensnelheid in de draad is dan 1.5 mm/s, dus een slakkengangetje. 2.2 Wisselstroom, RF bronnen en geleiders Hier komen link(s) naar een apart document over dit onderwerp. 2.3 Versnelde elektronen

9 Chemische omzettingen Radiolyse van water is bijv. waargenomen wanneer waterdamp wordt beschoten met snelle elektronen van een versneller (0.05-6keV). Het ontstaan van waterstof werd daarbij aangetoond (D.A.Vroom, F.J. de Heer, J. Chem. Phys. 50, 1883 (1969); DOI: / ). Botsingen met elektronen van een atoomkern Wanneer vrije elektronen met hogere energie de materie binnendringen lijkt het gedrag ervan op de speelbal van een pool biljart: er wordt geen rechte weg gevolgd, deze wijzigt zich bij iedere botsing (of bij nadering van elektrisch velden van moleculen en/of atomen of verdwijnt in het veld van een atoomkern. Elastische botsingen: Hierbij verandert niet de kinetische energie (snelheid) maar wel de richting van het elektron. Dit is mogelijk bij nadering/botsing met elektronen van een atoomkern die in hun eigen baan blijven Niet-elastische botsingen: Met (elektrische velden van) elektronen rond atoomkernen: daarbij zijn twee processen mogelijk waarbij kinetische energie wordt verlaagd: 1) Ionisatie van een atoom doordat een elektron van atoom uit zijn baan wordt geschoten door de afstotende werking van het vrije elektron. 2) Excitatie treedt op wanneer een elektron alleen naar een hogere baan wordt gedrongen. Dit is een instabiele situatie en dus valt zo n elektron doorgaans snel terug naar de oude positie onder het uitzenden van een foton met een karakteristieke energie. Bij elektronen met hogere energie kunnen ook elektronen van de K- of L- schil worden getroffen waarbij dan röntgenstraling ontstaat die karakteristiek is voor de elementen. Energieovergangen bij atomen en moleculen Veranderingen in de elektronenbanen van atomen kunnen alleen met afgepaste energiebedragen plaatsvinden (ΔE el ). Bij atomen die zijn gebonden in moleculen (bindingselektronen) lopen één of enkele elektronen over meerdere atomen (molecuulbanen). Hun vrijheden zijn beperkt en mogelijke elektronenovergangen geringer. De atoomkernen hebben hier alleen een vibrerende beweging t.o.v. elkaar die met afgepaste energiebedragen kan worden gewijzigd (ΔE vib ) Moleculen in een gas kunnen onafhankelijk draaien om hun as. Deze rotatie kan alleen met afgepaste energiebedragen (ΔE rot ) toe of afnemen Verhouding energieniveaus: ΔE el >> ΔE vib >> ΔE rot

10 Annihilatiestraling Bij botsing van een positron met een elektron (gelijkwaardig tegengesteld geladen deeltjes) kan een positronium gevormd worden dat tot stilstand gekomen maar kort kan bestaan. De ladingen verdwijnen dan onder uitzending van twee fotonen van 0.51 MeV welke zich in tegenovergestelde richtingen bewegen. Botsing met het veld van de atoomkern In de situatie dat een hoogenergetisch elektron kans ziet tussen elektronenwolk door te schieten en zijn energie verliest door een interactie met het veld van de kern ontstaat röntgenstraling met een continu energiespectrum. Dit wordt remstraling genoemd. Hoe hoger de energie van elektronen des te groter is de kans op vorming van remstraling. (soms neveneffect zendbuizen) Een vuistregel voor de fractie gevormde energieflux als Röntgenstraling (Eff) voor bètadeeltjes tussen 0.01 en 2 MeV: Eff = 1.4 * Z * V * 10-3 Hierin is Z = atoomgetal absorberende kern, V = energie elektron/bètadeeltje in MeV. Brekingsindex en Cerenkov straling Indien een elektron(lading) met (hoge) snelheid v een medium treft en die snelheid is groter dan c/n (c: lichtsnelheid, n: brekingsindex) dan daalt de snelheid over een zeker traject naar c/n en vindt daarbij uitzending van licht plaats zgn. Cerenkov straling. De richting van deze straling met een groot golflengte gebied wordt bepaald door snelheid v en kan worden berekend: cos θ = c / (n * v) Bètadeeltjes met een energie van meer dan 263 kev zijn in staat om in water Cerenkov straling te produceren. De lichtopbrengst neemt toe bij hogere energie. In het koelgedeelte van een reactorvat nabij sterke radioactieve bronnen in een nucleaire installatie is het blauwe schijnsel van Cerenkov straling met het oog goed waar te nemen. Reikwijdte van elektronen Schattingen voor bètastraling van een continu spectrum : Vuistregel 1: Een bètadeeltje met een max. energie van E max (MeV) heeft een effectief bètabereik P

11 (cm) in een medium met een dichtheid ρ (g/cm3): P = [( E 2 ) 0.5-1] / ρ (Aitken et al. Nuclear Tracks ) Vuisttregel 2: 1) Bij een laagdikte waarbij de helft van de bètadeeltjes wordt tegengehouden moet deze dikte met 7 à 8 vermenigvuldigd worden om ze allemaal te stoppen. Vuistregel 3: De gemiddelde energie van bètadeeltjes E gem is ongeveer gelijk aan 1/3 E max.

12 Reikwijdte mono energetische elektronen: Mono energetische elektronen Bron: Radio-nuclidencursus collegedictaat Dr. L.B. Beentjes. (Luchtgegevens zijn daaruit afgeleid) Energie(keV) Water/Weefsel 1g/cm 3 ) Lucht(1013 hpa) Reikwijdte(cm) Ionisaties per mm Reikwijdte(cm)

13 3. Bijlagen 3.1 Gegevens gebruikt voor berekeningen Beschrijving Waarde Constante van Boltzmann(k) k = (J K -1 ) J voor Joule, K voor Kelvin Constante van Avogadro (N A ) N A = 6, (mol -1 ) Coulombconstante (f) f = (Nm 2 /C 2 ) = 1/4πε 0 Elektrische lading proton/elektron (C) C voor coulomb Elektron, massa 511 (kev) Elektronvolt, eenheid van energie 1 ev = 1, (J) J voor Joule Stroomsterkte (I) I = C/s (A) (~ lading elektronen / seconde) A voor ampère, C voor coulomb, s voor seconde Elektrische potentiaal (V P ) in V P = E pot,p /q (NC 1 ) elektrisch veld bij punt P Elektrische veldsterkte ( E P ) bij punt P E P = F /q (NC 1 ) = dv p (Vm - 1 ) ds Soortelijke weerstand koper(ρ) ρ Cu = (Ω mm 2 / m) Soortelijk gewicht koper (sg) sg Cu = 8.93 (g/cm 3 ) Atoommassa koper (u) u Cu = (g/mol) Atoomstraal koper 130 (pm = picometer) Van de Waals straal 140 (pm) Atoomstraal kern 0.01 (pm Remarks/Opmerkingen? Zend aan: radio@pa2ion.