Ioniserende straling. Straling en gezondheid. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 1

Transcriptie

1 Ioniserende straling Straling en gezondheid Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 1

2 Inleiding: Fukushima Het kernongeluk van Fukushima vond plaats in de kerncentrale Fukushima I in Japan, in de dagen volgend op de zeebeving en daarop volgende tsunami van 11 maart We gaan 2 filmpjes bekijken over dit kernongeluk en de gevolgen ervan. Fragment Nieuwsuur Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 2

3 Ioniserende straling Ioniserende straling komt net als geluid en licht van een bron (een radioactieve bron). De ontvanger absorbeert de straling, maar wordt daarbij niet zelf radioactief. Je gaat immers zelf ook geen licht geven of geluid maken. Soorten ioniserende straling: 1. Röntgenstraling 2. Kernstraling Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 3

4 Ioniserend vermogen Door de hoge energie is ioniserende straling in staat stoffen elektrisch geladen te maken: ioniseren. Bij het doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen stralingsdeeltje (bij α- en β- straling) of foton (bij röntgen- en γ-straling) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 4

5 Röntgenstraling Ontdekker: Wilhelm Röntgen Eigenschappen: - Plant zich rechtlijnig voort - Kan een stof elektrische geleidend maken - Kan een lichtgevoelige film belichten - Verschillende materialen laten de straling in verschillende mate door Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 5

6 Röntgenstraling Bron: Röntgenbuis Deze buis wekt kunstmatig straling op, door elektronen op een metaal te schieten. Daarbij komt Röntgenstraling vrij. Door veel energie aan de elektronen toe te voegen, ontstaat Röntgenstraling met veel energie (harde Röntgenstraling) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 6

7 Röntgenstraling Doordringend vermogen: Als de straling op een stof valt, geeft de straling zijn energie af en worden atomen geïoniseerd. De straling dringt door in de stof. Dit doordringend vermogen hangt af van - Het soort materiaal - De dikte van het materiaal Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 7

8 Röntgenstraling Doordringend vermogen: Het soort materiaal: Lood absorbeert de straling zeer goed en de straling dringt niet ver door. Handig bij afscherming (loodschort) Botten absorberen meer straling dan weefsel. Daardoor kun je op een foto contrast aanbrengen tussen botten en weefsel. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 8

9 Röntgenstraling Doordringend vermogen: De dikte van het materiaal: Hoe dikker het materiaal, hoe minder straling er doorheen komt. Dit wordt niet alleen toegepast ter beveiliging, maar ook bij bijvoorbeeld diktemetingen van materialen Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 9

10 Kernstraling Belangrijkste ondekkers: Madame Curie, Henri Becquerel en Ernest Rutherford Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 10

11 Kernstraling Bron: Radioactieve stoffen. Dit zijn stoffen waarvan de atomen instabiel zijn. De verhouding protonen en neutronen in de kern is niet in orde of de atoomkern heeft teveel energie. Een instabiel atoom kan uit elkaar vallen in meerdere atomen die wel stabiel zijn. Hierbij wordt straling uitgezonden in de vorm van deeltjes of golven. Dit heet radioactief verval Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 11

12 Kernstraling De drie belangrijkste soorten kernstraling zijn: α-straling: Deze straling bestaat uit zware deeltjes (Helium-kernen) β-straling: Deze straling bestaat uit lichte deeltjes (elektronen) y -straling: Deze straling bestaat uit elektromagnetische golven (energiepakketjes) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 12

13 Kernstraling Overzicht van het doordringend vermogen van verschillende soorten ioniserende straling Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 13

14 Atomen Een atoom: positief geladen kern waaromheen negatief geladen elektronen bewegen. De kern bestaat uit twee deeltjes: neutronen en protonen (ook wel nucleonen genoemd). Schrijfwijze: A Z X X: het chemisch symbool van het atoom (nuclide), A: het massagetal/massanummer/nucleongetal (het aantal kerndeeltjes) Z: het atoomnummer (het aantal protonen) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 14

15 Periodiek systeem Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 15

16 Kernstraling Bron: Bijna alle stoffen kennen een stabiele en instabiele variant. Zo heeft stikstof stabiele variant met 14 kerndeeltje (N-14) en een instabiele variant met 15 kerndeeltjes (N-15) Alle varianten van een stof bij elkaar noem je isotopen. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 16

17 Kernstraling α-straling: Wanneer een atoomkern veel te zwaar is, stoot deze 2 protonen en 2 neutronen tegelijk uit: een Helium-kern (He 2+ ) Deze straling komt maar een paar cm in lucht ver en wordt al door een papiertje geabsorbeerd: nauwelijks doordringend Het ioniserend vermogen is door zijn 2+ kern echter zeer groot en dus erg gevaarlijk Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 17

18 Kernstraling β-straling: Wanneer een atoomkern teveel neutronen bevat, verandert een neutron in een proton en een elektron en wordt het elektron uitgestoten: beta-straling zijn dus elektronen (e - ) Deze straling komt een meter ver in lucht en wordt pas door aluminium volledig geabsorbeerd: gemiddeld doordringend vermogen Het ioniserend vermogen is door zijn negatieve lading -1 is ook gemiddeld te noemen en dus gemiddeld gevaarlijk Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 18

19 Kernstraling γ-straling: Wanneer een atoomkern teveel energie bevat, worden geen deeltjes maar stukjes elektromagnetische energie uitgezonden. Dit is elektromagnetische straling (net als licht en Röntgen) met zeer veel energie Deze straling komt zeer ver en zelfs met lood absorbeer je niet alle straling. Het heeft een zeer groot doordringend vermogen Het ioniserend vermogen van γ-straling is klein. Toch kan door de hoge energie de straling wel degelijk zeer gevaarlijk zijn Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 19

20 Kernstraling Doordringend vermogen van ioniserende straling Bij elektromagnetische straling spreken we over halveringsdikte. Bij deeltjesstraling spreken we over dracht. De halveringsdikte van een materiaal voor een bepaalde straling is de afstand in het materiaal waarover de intensiteit van de straling tot de helft van zijn oorspronkelijke waarde afneemt. De dracht van straling in een materiaal is de maximale afstand die de straling in het materiaal aflegt. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 20

21 Activiteit van radioactieve bronnen Activiteit: In een radioactieve stof zenden instabiele atomen voortdurende straling uit. Als een atoom vervalt, zendt het een stralingsdeeltje uit en ontstaat er een nieuwe stof (die ook weer instabiel kan zijn). Het aantal atoomkernen dat per seconde vervalt en straling uitzendt, is de activiteit A van een stof. De eenheid is kernen per seconde of Bq (Bequerel) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 21

22 Activiteit van radioactieve bronnen Activiteit: De wijzerplaten van een oud klokje hebben een lage activiteit: ongeveer 1000 kernen per seconde (1000 Bq = 1 kbq) In ziekenhuizen gebruikt men preparaten met hoge activiteit van een miljoen kernen per seconde ( Bq = 1 MBq) De activiteit hangt af van - de hoeveelheid stof (veel stof veel instabiele kernen) - de soort stof (sommigen zijn zeer instabiel hoge activiteit) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 22

23 Activiteit van radioactieve bronnen Activiteit: In de loop van de tijd neemt de activiteit van een radio-actieve bron af, omdat het aantal instabiele kernen ook afneemt Hieronder zie je 2 voorbeelden van afnemende activiteit Je ziet dat elke 8 dagen de activiteit halveert Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 23

24 Activiteit van radioactieve bronnen Halveringstijd: De tijd waarin de activiteit van een radio-actieve stof halveert, noem je de halveringstijd. Deze hangt af van de soort radioactieve stof, niet van de hoeveelheid. Van deze stof is dus na 16 dagen nog 1/4 van de activiteit over en na 24 dagen nog maar 1/8 Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 24

25 Activiteit van radioactieve bronnen Halveringstijd: Halveringstijden vind je terug in binas tabel 25. Ga voor jezelf na dat de halveringstijd voor I-131 inderdaad 8,0 dagen is. Let op: de halveringstijd zegt iets over grote hoeveelheden atomen. Voor een enkel instabiel I-131 atoom kan je niet zeggen wanneer die vervalt. Dat zou binnen een seconde kunnen zijn, maar ook na 1000 jaar. De kans dat het I-131 atoom binnen 8,0 dagen vervalt is 0,5 Let op 2: Soms meet je meer straling dan je verwacht. Dat komt omdat de atoomkern die ontstaan is ook weer radio-actief kan zijn Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 25

26 Achtergrondstraling Achtergrondstraling Vanuit het heelal en de aarde zelf worden we dagelijks blootgesteld aan straling: natuurlijke achtergrondstraling Van de zon en de sterren komt kosmische straling In de atmosfeer zorgt deze straling ervoor dat niet radio-actieve stoffen zoals N-14 radio-actief worden in de vorm van C-14 Dit C-14 komt in ons lichaam terecht (als CO 2 of ander koolstofverbindingen, waardoor ook wij een beetje radio-actief zijn) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 26

27 Ouderdomsbepaling met C-14 In de atmosfeer ontstaat door kosmische straling telkens C-14. Dit radioactieve koolstofatoom vervalt vervolgens weer, waardoor de hoeveel C-14 in de atmosfeer ongeveer gelijk blijft. Mensen, dieren en planten nemen deze C-14 op en een klein percentage is gedurende hun levensduur aanwezig: % Totdat een organisme sterft (dramatische puntjes) Dan neemt het geen C-14 meer op en treedt alleen verval op Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 27

28 Ouderdomsbepaling met C-14 Zoals alle radioactieve isotopen vervalt 14C met een constante snelheid, die (nagenoeg) niet door externe invloeden verandert. 14C 14N + 0β Door het uiteenvallen van een neutron in een proton en een negatief geladen β-deeltje (elektron, bètaverval), verandert 14C in het nietradioactieve stikstof-14 (14N). Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 28

29 Ouderdomsbepaling met C-14 Met een beginpercentage van % en een halveringstijd van 5730 jaar, betekent dit dat je na 5730 jaar nog % over hebt Deze methode werkt tot ongeveer jaar terug, daarna wordt het percentage C-14 te klein om te meten Nadeel is wel dat het percentage C-14 in de atmosfeer niet altijd constant is geweest. Er zit een redelijk foutmarge in. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 29

30 Ouderdomsbepaling met C-14 Bevatte de lijkwade van Turijn een afdruk van het lichaam van Jezus? Het doek blijkt na C-14 datering uit de 13 e eeuw te komen Helaas, een relikwie minder Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 30

31 Radioactief verval α-straling een voorbeeld: Ra Rn He Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 31

32 Radioactief verval β-straling een voorbeeld: I Xe e 0-1e (β - deeltje) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 32

33 Oefening Geef de vervalvergelijking voor de volgende stoffen: Co-60 Rn-222 (vervalreeks) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 33

34 Oplossing Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 34

35 Oplossing Co -> 60 28Ni + 0-1e + 0 oy Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 35

36 Radioactief verval Bij een vervalreeks vervalt een instabiel atoom in een aantal stappen naar een ander element. De vervalreeks eindigt wanneer er een stabiel element is ontstaan. Oefening: Geef de vervalreeks van U-238 naar Pb-206. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 36

37 Radioactief verval Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 37

38 Stralingsdosis en effecten Het risico van ioniserende straling beschrijven we met de begrippen stralingsdosis en dosisequivalent. SSSS TTTT RRRR AAAA LI LI LI LI NNNN GGGG SSSS RRRR IIII SSSS IIII CCCC O O O O S S S S VVVV OOOO OOOO R R R R VVVV LI LI LI LI EEEE GGGG EEEE NNNN D D D D PPPP EEEE RRRR SSSS OOOO NNNN EEEE EEEE L L L L W i e een t r ansat l ant i sche vl ucht maakt, w or dt, zonder er zi ch mi sschi en van bew ust t e zi j n, bl oot gest el d aan een ver hoogde dosi s i oni ser ende st r al i ng. V l i egend per soneel en f r equent f l yer s st aan méér dan ander en bl oot aan deze kosmi sche st r al i ng. E en hui di ge st and van zaken. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 38

39 Stralingsdosis en effecten Straling tegen een voorwerp kan geen kwaad. De straling wordt geabsorbeerd (net zoals licht) en omgezet in een kleine hoeveelheid warmte Levend weefsel kan wel beschadigd raken (met name het DNA), doordat atomen geïoniseerd worden en er verkeerde chemische reacties in het lichaam plaatsvinden. Het weefsel wordt niet radioactief! De schade in het lichaam hangt af van: - Soort straling - Stralingsintensiteit - Tijdsduur van bestralen - Inwendig of uitwendige bestraling Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 39

40 Stralingsdosis en effecten Om het te meten zijn verschillende grootheden voorhanden Dosis D De dosis straling die een lichaam of voorwerp ontvangt is de hoeveelheid geabsorbeerde stralingsenergie E str per kg D = E str / m D = dosis in J/kg of Gy (Gray) E str = geabsorbeerde stralingsenergie in J m = bestraalde massa in kg Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 40

41 Stralingsdosis en effecten Dit zegt echter niets over de soort straling. Daarvoor is het Dosisequivalent H Het dosisequivalent is de dosis keer een weegfactor die aangeeft hoe schadelijk de straling is H = weegfactor D De eenheid van H is ook J/kg of Sv (Sievert) De weegfactor is 20 voor α-straling en 1 voor alle andere vormen (α-straling is immers het meest ioniserend en dus het gevaarlijkst) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 41

42 Stralingsdosis en effecten Dosisequivalent Minder dan 0,2 Sv 0,2 tot 1 Sv 1 tot 2 Sv 2 tot 4 Sv 4 tot 10 Sv Meer dan 10 Sv Verschijnselen Tijdelijke afname van het aantal witte bloedlichaampjes. Tijdelijke remming van de vorming van geslachtscellen. Symptomen van stralingsziekten; roodheid van de huid; groeistoornissen bij kinderen. Ernstige stralingsziekte; inwendige bloedingen; 50% kans op overlijden binnen 30 dagen. Ernstige stralingsziekte; aantasting van het beenmerg; darmsyndroom; zeer geringe kans op herstel. Ernstig darmsyndroom; overlijden binnen enkele dagen. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 42

43 Stralingsdosis en effecten Rekenvoorbeeld: lichaamsweefsel met een massa van 5 kg absorbeert bij bestraling met α-straling 0,05 J stralingsenergie Bereken de dosis Bereken het dosisequivalent Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 43

44 Stralingsdosis en effecten Antwoord: dosis: Estr 0,05 D = = = 0,01Gy m 5 dosisequivalent: H = QiD = 20i0,01 = 0,2 Sv Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 44

45 Stralingsdosis en effecten Door achtergrondstraling (kosmisch, bodem) ontvangen we jaarlijks zo n 2 msv. Door medische onderzoeken en vliegreizen komt daar gemiddeld 0.5 msv bij. Totaal 2.5 msv. De meeste straling is uitwendig en zorgt dus niet voor besmetting Via voedsel en inademen komen er ook radioactieve stoffen in het lichaam (besmetting), die zorgen voor inwendige bestraling Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 45

46 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 bron ioniserende straling ontvanger radioactiviteit bestraling Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 46

47 Stralingsdosis en effecten Voor uitwendige bestraling is voornamelijk β- en γ-straling gevaarlijk. α-straling dringt namelijk niet door de huid. Inwendig is juist α-straling gevaarlijk, omdat het sterk ioniseert In je lichaam worden radio-actieve stoffen zoals - I-131 (schildklier) - Cs-137 en Sr-90 (lijken erg op K en Ca) makkelijk opgenomen. Met name de laatste 2 zijn vervelend, omdat ze een grote halveringstijd hebben en dus lang in het lichaam blijven Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 47

48 Stralingsbescherming Stralingsnormen De normen voor aanvaardbare doses ligt op 1 msv per jaar voor de bevolking 20 msv per jaar voor mensen die met stralingsbronnen werken Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 48

49 Stralingsbescherming Stralingsdetectie Voorbeelden van stralingsdetectoren zijn - de dosimeter (meet de straling over langere tijd) - de Geiger Muller teller (meet straling direct) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 49

50 Stralingsbescherming Veiligheid bij gesloten stralingsbronnen Gesloten stralingsbronnen hebben geen kans op besmetting Veiligheidsmaatregelen zijn - Afstand houden - Afscherming plaatsen - Kort met het preparaat werken Veiligheid bij open stralingsbronnen Besmetting is mogelijk, dus maatregelen moeten worden genomen, zoals wassen, isoleren en evacueren Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 50

51 Stralingsbescherming Doordringend vermogen van ioniserende straling Bij elektromagnetische straling spreken we over halveringsdikte. Bij deeltjesstraling spreken we over dracht. De halveringsdikte van een materiaal voor een bepaalde straling is de afstand in het materiaal waarover de intensiteit van de straling tot de helft van zijn oorspronkelijke waarde afneemt. De dracht van straling in een materiaal is de maximale afstand die de straling in het materiaal aflegt. Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 51

52 Stralingsbescherming Afscherming: Goede afscherming is in staat α- en β-straling volledig te absorberen Deze straling heeft een bepaalde dracht (hoe ver het komt) Röntgen en γ-straling worden nooit volledig geabsorbeerd. Hier wordt de absorptie van een materiaal aangegeven met de halveringsdikte. Dit is de dikte van een materiaal, waarbij de helft van de straling wordt geabsorbeerd Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 52

53 Afscherming De halveringsdikte hangt af van de energie van de straling en het soort materiaal. Als de halveringsdikte van een materiaal bijvoorbeeld 3 cm is, dan is het percentage straling dat wordt doorgelaten bij diverse diktes als volgt: 3cm 6 cm 9 cm 50% 25% 12.5% Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 53

54 8.5 Stralingsbescherming Straling in de gezondheidszorg Röntgenstraling wordt voor 2 doeleinden gebruikt Diagnostiek (opsporen van breuken en afwijkingen) Therapie (bestralen van tumoren) Bij een CT-scan of tomografie wordt het lichaam rondom bekeken, waardoor een 3D-beeld ontstaat Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 54

55 8.5 Stralingsbescherming Straling in de gezondheidszorg Kernstraling wordt voor dezelfde doeleinden gebruikt Diagnostiek (tracers toevoegen die met een camera van de buitenkant te volgen zijn: scintigram) Tracers moeten een korte halveringstijd hebben Therapie (bestralen van tumoren) Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 55

56 8.5 Stralingsbescherming Alternatieven voor stralingsonderzoek zijn Endoscopie: een flexibele bundel glasvezels met camera die in het lichaam wordt gebracht Echoscopie: Ultrasone geluidsgolven worden het lichaam ingestuurd en kaatsen gedeeltelijk terug MRI: Een sterk magnetisch veld zorgt voor absorptie en emissie van straling Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 56

57 8.5 Stralingsbescherming Straling in de industrie Diktecontrole Platen staal worden gecontroleerd op dikte, doordat door een dunne plaat meer straling gaat. Gas en vloeistofstromen Aan een gas of vloeistof wordt een radioactieve stof toegevoegd die als tracer door de pijpleidingen te volgen is Voedselconservering Voedsel wordt doorgestraald om bacteriën en schimmels te doden Sectie natuurkunde - Thijs Harleman 57