IONISERENDE STRALING. Deeltjes-straling

Transcriptie

1 /stralingsbeschermingsdienst SBD 9673 Dictaat , niv. 5 A/B IONISERENDE STRALING Met de verzamelnaam straling bedoelen we vele verschillende verschijningsvormen van energie, die kunnen worden uitgezonden door een energiebron. De verdere bespreking van de verschillende stralingssoorten blijft beperkt tot die stralingssoorten welke in staat zijn ionisaties te veroorzaken bij wisselwerking met materie. Uit het oogpunt van stralingsbescherming gaat het in bijzonder om stralingssoorten die ionisatie kunnen veroorzaken in biologisch materiaal. De zogenaamde niet-ioniserende straling blijft hier buiten beschouwing. Het is in de klassieke natuurkunde gebruikelijk om een bepaald type straling voor te stellen als golfverschijnsel òf als deeltjesstraling. De straling die we in de stralingsfysica herkennen als een golfverschijnsel staat ook bekend als elektromagnetische straling. De deeltjesstraling waarover we in dit bestek praten bestaat uit subatomaire deeltjes die bij kernfysische en atoomfysische processen vrijkomen. Opgemerkt moet worden dat het gebruik van de term radioactieve straling niet alleen onjuist, maar ook verwarrend is. De term is onjuist omdat de straling niet radioactief is. Het woord radioactief betekent immers stralingsactief. Wel bestaan er radioactieve stoffen. Dit zijn stoffen met als eigenschap dat ze bepaalde soorten van ioniserende straling kunnen uitzenden. De term is verwarrend omdat er soorten van ioniserende straling zijn die helemaal niets te maken hebben met het verschijnsel radioactiviteit. De straling is dan het gevolg van fysische wisselwerking tussen elementaire deeltjes met materie. Voorbeelden van dergelijke stralingsbronnen zijn elektronenbuizen, röntgentoestellen en deeltjesversnellers. Deeltjes-straling De belangrijkste typen van deeltjesstraling zijn elektronenstraling, alfastraling, protonenstraling, bètastraling en neutronenstraling. Elektronenstraling (symbool: e) bestaat uit zeer snelle vrije elektronen. Meestal betreft het elektronen die onder invloed van elektrische spanning zijn versneld. De elektronen zijn dezelfde als die waarmee het verschijnsel van elektrische stroom wordt verklaard. Alleen wanneer we spreken van elektronenstraling bewegen de elektronen zich in de "vrije ruimte". Het bekendste voorbeeld vormen de kathodestralen die we o.a. in de beeldbuizen tegenkomen. In feite zijn dat elektronenbundels die van de negatieve elektrode (de kathode) door een vacuüm heen naar een positieve elektrode (anode) worden versneld. De bron van vrije elektronen is een verhitte kathode. Door verhitting worden de elektronen vrijgemaakt uit het kathodemateriaal en onder invloed van de elektrische hoogspanning worden ze in de richting van de positieve anode versneld. Dergelijke kathodestralen vormen de eerste stap in de opwekking van röntgenstraling in röntgenbuizen. Hoog-energetische elektronenbundels kunnen worden opgewekt in lineaire versnellers, zoals gebruikt in de radiotherapie en materiaalonderzoek. Ook kan versnelling gebeuren in min of meer cirkelvormige banen. We spreken dan van een bètatron. Wanneer de elektronen hun opgelegde hoge energie verliezen en uit het verband van de bundel worden verwijderd zijn ze feitelijk niet langer te onderscheiden van normale elektronen die zich vrij in materialen bewegen. Waar mogelijk zullen ze een plaats zoeken in het atomaire verband van aanwezige materialen. Alfastraling (symbool: ) bestaat uit combinaties van twee protonen en twee neutronen. Deze vier elementaire deeltjes zijn zo stevig aan elkaar gebonden dat het alfadeeltje zich gedraagt alsof het zelf een fundamenteel deeltje is. Een alfadeeltje heeft dus een massa van viermaal de atomaire massa-eenheid en de elektrische lading is tweewaardig positief. Qua samenstelling is een alfadeeltje volledig identiek met

2 SBD 9673 Ioniserende straling de kern van een helium-4 atoom. We spreken van alfadeeltjes en alfastraling wanneer het gaat om verhoudingsgewijs hoge energieën dus om deeltjes met hoge snelheid. Wanneer aan het eind van het bestaan alfadeeltjes hun kinetische energie nagenoeg hebben verloren zullen ze uit de aanwezige materie elk twee vrije elektronen aan zich verbinden. Het zijn dan complete helium-atomen geworden. Alfastraling kan worden uitgezonden bij radioactieve vervalprocessen maar kan ook kunstmatig worden opgewekt. Bèta-straling (symbool: ) bestaat uit zeer snelle elektronen of positronen die hun ontstaan vinden bij radioactieve vervalprocessen in atoomkernen. Zonder verdere toevoeging wordt met bèta-straling meestal de negatieve elektronenstraling of "bèta-min" straling (symbool: ) bedoeld. Het gaat hier om eenwaardig negatief geladen elektronen die fysisch gezien identiek zijn aan de elektronen die voorkomen in de schillenstructuur van atomen. Het verschil tussen -straling en kathodestralen zit niet in de aard van het elementaire deeltje; beide bestaan ze uit elektronen, zodat het gedrag van kathodestralen en -straling in hoge mate overeenstemt. Het verschil is gelegen in de oorsprong van de straling. Bèta-straling komt vrij uit atoom kernen bij radioactieve vervalprocessen. De elektronen in kathodestralen zijn daarentegen afkomstig uit de elektronenschillen. Het verschijnsel radioactiviteit speelt daarbij geen enkele rol. Wanneer ze dan ook hun aanvankelijk zeer hoge snelheden hebben verloren, leven ze voort als gewone vrije elektronen. Bèta-plus-straling is een bijzondere soort van bèta-straling, die bestaat uit de antideeltjes van de elektronen. Deze staan bekend als positronen. Het zijn deeltjes met dezelfde massa als elektronen echter met een eenwaardig positieve lading. Bèta-straling die bestaat uit positronen wordt aangeduid als "bèta-plus" straling (symbool: + ). Ook deze positronen vinden hun ontstaan in kernreacties in de atoomkern. Ze kunnen slechts zeer korte tijd zelfstandig bestaan. Binnen minder dan een microseconde verdwijnt het positron door samen te gaan met een elektron. Bij dit verdwijn- of annihilatieproces wordt de massa van de beide deeltjes omgezet in energie. Deze energie verschijnt meestal in de vorm van twee fotonen van elk 0,511 MeV per annihilatieproces. Neutronenstraling (symbool: n) bestaat uit neutronen die zijn vrijgemaakt bij kernsplijtingsreacties of bij kernreacties met de atoomkernen van lichte elementen. Dit vrijmaken van neutronen uit atoomkernen gebeurt overigens aanzienlijk minder gemakkelijk dan het vrijmaken van elektronen uit de schillenstructuur. Omdat neutronen niet elektrisch geladen zijn, kunnen ze niet met behulp van elektrische veldkrachten worden versneld of gestuurd. Anderzijds betekent het ook dat de snelheid en de richting van neutronen niet kan worden beïnvloed door elektrische aantrekkingskrachten of afstotingskrachten van atoomkernen. Verandering van de kinetische energie van neutronen gebeurt hoofdzakelijk door botsing met atoomkernen. In de regel zal de snelheid van de neutronen daardoor voortdurend afnemen. In het laatste stadium in een serie botsingsprocessen wordt het neutron meestal ingevangen door een atoomkern. Door deze neutronenvangst kan een kernreactie op gang worden gebracht. Ook wanneer het neutron niet zou worden ingevangen, is de levensduur beperkt. Neutronen vallen dan uiteen in een proton en een elektron. Energie van deeltjesstraling Wanneer in de stralingsfysica wordt gesproken over de energie van stralingsdeeltjes, dan wordt daarmee in eerste instantie de kinetische energie beoogd. Deze kinetische energie houdt direct verband met de snelheid waarmee het stralingsdeeltje zich voortbeweegt. Het verband tussen snelheid en energie wordt duidelijk wanneer men zich bijvoorbeeld voorstelt dat een bal (of een elektron) onder invloed van een daarop uitgeoefende kracht aan snelheid toeneemt. We zeggen dan dat de bewegingsenergie ofwel de kinetische energie is toegenomen. Evenzo gaat het afremmen van bewegende deeltjes gepaard met vermindering van de kinetische energie. In de klassieke natuurkunde geldt dat de kinetische energie van een bewegend object evenredig is met de massa m van het object en evenredig met het kwadraat van de snelheid. In formulevorm:

3 SBD 9673 Ioniserende straling Deze benadering geldt slechts dan wanneer de snelheid van de bewegende deeltjes aanzienlijk kleiner is dan de lichtsnelheid. In het internationale SI-eenhedensysteem geldt de joule [J] als eenheid van energie. Een energietoename van 1 joule correspondeert met een verrichte arbeid van 1 newton over een afstand van 1 meter. In de stralingsfysica echter wordt de energie van fotonen, elektronen en andere stralingsdeeltjes gewoonlijk uitgedrukt in de eenheid elektronvolt (afkorting: ev). 1 elektron-volt is de winst aan kinetische energie van een elektron dat in een potentiaalverschil van 1 volt is versneld. De elektronvolt is een kleine eenheid, zodat meervouden van duizend (kilo-elektronvolt, kev) en meervouden van miljoen (mega-elektronvolt, MeV) worden gebruikt. De omrekening tussen de verschillende energie-eenheden is als volgt: 1 ev = 10-3 kev = 10-6 MeV = 1.6 ) J = 0.38 ) cal 10 3 ev = 1 kev = 10-3 MeV = 1.6 ) J = 0.38 ) cal 10 6 ev = 10 3 kev = 1 MeV = 1.6 ) J = 0.38 ) cal ) ev = ) kev = ) MeV = 1 J = 0.24 cal Elektromagnetische straling Anders dan bij deeltjesstraling waarbij de bewegingssnelheid afhankelijk is van de massa en de energie, plant alle elektromagnetische straling zich met dezelfde snelheid voort. Deze snelheid staat bekend als de lichtsnelheid en is gelijk aan km/s ( m/s). De voortplantingssnelheid vermindert enigszins wanneer de elektromagnetische straling niet door vacuüm wordt gevoerd; maar het verschil tussen de snelheid in vacuüm en de snelheid in lucht is verwaarloosbaar klein. De verzameling van elektromagnetische golven omvat vele soorten, onder meer de radiogolven, radar, microgolven, zichtbaar en onzichtbaar licht en verder ook de röntgenstraling en gammastraling. Straling met een golfkarakter wordt gekarakteriseerd door de golflengte en de frequentie. De frequentie van een bepaald type elektromagnetische golf is omgekeerd evenredig met de golflengte. De evenredigheidsconstante is gelijk aan de lichtsnelheid, zodat geldt: Het uitzenden en ook het absorberen van elektromagnetische straling gebeurt steeds in afgepaste discrete energiehoeveelheden. De stralingsenergie wordt als het ware getransporteerd in de vorm van massaloze deeltjes. Dergelijke energiepakketjes noemen we fotonen of golfquanta. Wanneer de fotonenergie wordt uitgedrukt in de eenheid elektronvolt moet men rekening houden met de omrekenfactor van 0, elektronvolt per joule [ev/j]. Naarmate de straling een kortere golflengte heeft bevatten de fotonen meer energie. Langgolvige elektromagnetische straling bevat weinig energie per foton en wordt daarom ook wel zachte straling genoemd. Elektromagnetische straling kan dus behalve met de golflengte of met de golffrequentie ook worden gekarakteriseerd met de fotonenergie. In figuur 1 is een overzicht gegeven van de verschillende soorten elektromagnetische straling met een aanduiding van het golflengtegebied, de frequentie en de fotonenergie.

4 SBD 9673 Ioniserende straling Uitsluitend gammastraling en röntgenstraling en remstraling worden gerekend tot de ioniserende vormen van elektromagnetische straling. Uitsluitend van deze golfstraling is de corresponderende fotonenergie groter dan enkele tientallen elektronvolt, zodat de fotonen in staat zijn om in de materie en in bijzonder in biologisch materiaal op uitgebreide schaal ionisaties te veroorzaken. De andere genoemde vormen van elektromagnetische straling worden gerekend tot de niet-ioniserende straling. De golfstraling die we kennen als licht en in bijzonder ultraviolette straling blijken wel energie te kunnen overdragen aan elektronen in de schillenstructuur rond de atoomkernen. Hierdoor worden de elektronen wel in een hogere energietoestand gebracht, maar niet uit het atomaire verband verwijderd. Dit verschijnsel noemen we excitatie of aanslag. Het verschil tussen gammastraling, röntgenstraling en remstraling berust niet op onderling verschil in energie of golflengte, maar het onderscheid is terug te voeren op verschil in wijze van ontstaan. Gammastraling (symbool: ) ontstaat binnen de atoomkernen wanneer deze van aangeslagen energietoestand terugvallen naar lagere energietoestanden. Dergelijke aangeslagen atoomkernen kunnen ontstaan als gevolg van radioactieve vervalprocessen, als gevolg van kernsplijting, of ook als gevolg van al dan niet kunstmatig veroorzaakte kernreacties. Gammastraling is meestal een nevenverschijnsel bij de uitzending van andere soorten kernstraling, in bijzonder alfa- en bètastraling. Het verschil in de aangeslagen toestand en de eindtoestand van de kern wordt uitgezonden in de vorm van gammafotonen waarvan de energie nauwkeurig bepaald is omdat de energieniveaus in de atoomkern precies bepaald zijn. Deze zijn overigens per kernsoort onderling verschillend, zodat ook de uitgezonden gamma-energie verschilt. De energie van uitgezonden gammastraling is echter voor dezelfde kernsoort wel steeds dezelfde, zodat een radioactief nuclide kan worden herkend aan de energie van de uitgezonden gammastraling. Karakteristieke röntgenstraling wordt uitgezonden wanneer er elektronenovergangen plaatsvinden tussen verschillende energieniveaus (elektronenbanen) in de schillenstructuur buiten de kern van het atoom. Wanneer om welke reden dan ook een vacature is ontstaan in een elektronenbaan, wordt dit gat spontaan opgevuld door een elektron uit een verder afgelegen elektronenbaan. Het verschil in potentiële energie tussen de elektronenniveaus wordt uitgezonden in de vorm van een foton. Ook hier bezit het foton meer energie naarmate het begin- en het eindniveau verder van elkaar verwijderd zijn. De energieniveaus en hun onderlinge afstand zijn voor elke atoomsoort verschillend. Dit houdt in dat elk element zijn eigen karakteristieke spectrum van mogelijke fotonenenergieën kent. Vandaar ook de term 'karakteristiek'. Hierboven werd reeds een derde verschijningsvorm van ioniserende elektromagnetische straling genoemd, namelijk remstraling. Deze ontstaat wanneer extreem snelle geladen deeltjes, in bijzonder hoog-energetische elektronen abrupt een deel van hun kinetische energie verliezen onder invloed van de elektrostatische aantrekkingskracht van atoomkernen. Energieverlies betekent niet alleen vermindering van de snelheid maar ook en vooral verandering van de richting van de snelheid (afbuiging). Naarmate de energieverandering van de invallende elektronen groter is, zal ook de vrijkomende energie in de vorm van remstraling groter zijn. De energie-omzetting in remstraling hangt dus ook samen met de lading van de atoomkernen die de afremming veroorzaken. De energie van remstralingsfotonen kan elke waarde aannemen tussen de waarde nul en de maximale energie van het invallende elektron, afhankelijk van de mate van afremmen. Het remstralingsspectrum is dus een continu spectrum. Het overgrote deel van de elektromagnetische straling die wordt opgewekt door versnelde elektronen in een röntgenbuis bestaat dus feitelijk uit remstraling. Slechts een gering deel bestaat uit karakteristieke röntgenstraling. Om historische redenen wordt alle straling die opgewekt wordt door in een vacuümbuis een metaaltarget te bombarderen met kathodestralen, aangeduid met de naam van de ontdekker: röntgenstraling. Dr. Wilhelm Conrad Röntgen zelf noemde het verschijnsel X-rays, vooral in de Engelstalige literatuur komt men deze naamaanduiding tegen.

5 SBD 9673 Ioniserende straling Aangezien afremming in de natuurkunde niet alleen betrekking heeft op de vermindering van de absolute snelheid, maar ook betrekking heeft op verandering van de richting van de snelheid, wordt remstraling ook opgewekt wanneer hoog-energetische geladen deeltjes in een cirkelbaan op snelheid worden gehouden. Een dergelijk proces gebeurt in deeltjesversnellers zoals bètatrons en synchrotrons. In het spraakgebruik heeft deze vorm van remstraling de naam synchrotronstraling meegekregen. Figure 1 Het elektromagnetisch spectrum