4 Leerstofdomeinen. 4.2 Domeinspecifieke leerstofopbouw Radioactiviteit Koos Kortland

Transcriptie

1 4 Leerstofdomeinen 4.2 Domeinspecifieke leerstofopbouw Radioactiviteit Koos Kortland Inleiding Het onderwerp radioactiviteit of breder: ioniserende straling is een onderdeel van het examenprogramma natuur- en scheikunde 1 voor vmbo en de examenprogramma s natuurkunde havo/vwo, maar is daaraan voorafgaand voor een deel ook in de onderbouw te behandelen. Verwijzingen naar dit onderwerp komen voor in de Kennisbasis natuurwetenschappen en technologie voor de onderbouw vo, bij zowel natuurkunde havo/vwo als natuurkunde vmbo (Ottevanger et al, 2014). Het uitvoeren van experimenten met röntgentoestellen en radioactieve bronnen op school is meestal nauwelijks of niet mogelijk vanwege de daaraan door de Arbeidsinspectie opgelegde beperkingen. Een bezoek van of aan het Ioniserende Stralen Practicum (ISP) van de Universiteit Utrecht geeft leerlingen de mogelijkheid om zelf een aantal experimenten uit te voeren. Een dergelijk bezoek is echter beperkt tot leerlingen in de bovenbouw, omdat de leerlingen voor deelname aan dit practicum minimaal 16 jaar moeten zijn vanwege de grotere gevoeligheid voor ioniserende straling van jongere leerlingen. Informatie over de experimenten in het practicum, het aanvragen van een schoolbezoek en de gang van zaken tijdens zo n schoolbezoek staat op de website van het ISP. Het stroomschema van figuur 1 geeft een paar mogelijke routes door de mogelijke deelthema s van het onderwerp, zonder onderscheid te maken tussen onderen bovenbouw. 1 Radioactiviteit als verschijnsel Straling waarnemen Achtergrondstraling Ioniserend/doordringend vermogen Halveringsdikte en dracht Stralingsdosis Bestraling en besmetting 2 Radioactief verval Verval demonstreren en modelleren Halveringstijd 3 Radioactiviteit verklaren Atomen en atoomkernen Neutronen, protonen en elektronen Stabiele en instabiele atoomkernen Stralingsdeeltjes Figuur 1 Opbouw van het onderwerp radioactiviteit. 4 Kernsplijting en kernfusie Kernsplijting Kettingreacties Kernfusie De interesse van leerlingen ligt vooral bij het verschijnsel radioactiviteit en (bescherming tegen) de gevaren ervan. Leerlingen, en zeker leerlingen in de onderbouw, raken hun interesse in het onderwerp snel kwijt als in een te vroeg stadium (bijvoorbeeld als start) en te langdurig aandacht wordt besteed aan de bouw van het atoom en de atoomkern (inclusief de formalismen voor het noteren van isotopen) als aanloop naar de verklaring van het verschijnsel (Millar et al, 1990). Vandaar dat het stroomschema begint met het deelthema radioactiviteit als verschijnsel. Dat kan bij leerlingen theoretische vragen naar de verklaring van het verschijnsel oproepen: wat is radioactiviteit en wat is straling nu eigenlijk? Die vragen vormen voor leerlingen een inhoudelijk motief om met de inhoud van het deelthema radioactiviteit verklaren aan de slag te gaan en met het deeltjesmodel een antwoord te vinden op die theoretische vragen (Klaassen, 1995). Deze pro-

2 bleemstellende benadering (zie paragraaf 2.7.3) kan nog worden versterkt door het deelthema radioactiviteit als verschijnsel direct te laten volgen door het deelthema radioactief verval, waarin het modelleren van dat verschijnsel min of meer vooruit verwijst naar het deeltjesmodel in het deelthema radioactiviteit verklaren. Een dergelijke fenomenologische opbouw van het onderwerp is echter niet dwingend. Het is zonder meer mogelijk om de behandeling van het onderwerp te starten met het deelthema radioactiviteit verklaren, al dan niet direct aansluitend op de behandeling van het deeltjesmodel van materie. Deelthema 1: Radioactiviteit als verschijnsel Radioactiviteit heeft in de ogen van leerlingen iets geheimzinnigs en gevaarlijks, waarschijnlijk doordat we het niet met onze zintuigen kunnen waarnemen. Een eerste deelthema zou dus kunnen zijn: hoe gevaarlijk is radioactiviteit en hoe kunnen we er veilig mee omgaan? Met als vervolg: hoe kunnen we radioactieve stoffen (veilig) gebruiken? Voorkennis Leerlingen kennen de term radioactiviteit uit het dagelijks leven, maar maken daarbij (net als overigens in veel berichtgeving in de media) geen onderscheid tussen radioactieve stof als bron en de door die stof uitgezonden (ioniserende) straling die wordt geabsorbeerd door een ontvanger (zoals het menselijk lichaam). En het gevaar bestaat dan in de ogen van leerlingen daaruit dat radioactiviteit in het lichaam terecht komt, en daar schade aanricht. Een dergelijk beeld zou veroorzaakt of op zijn minst versterkt kunnen worden door het gebruik van de term radioactieve straling, een term die suggereert dat het de straling is die radioactief is. De term ioniserende straling zegt de leerlingen in eerste instantie echter niet zoveel. De termen kernstraling en röntgenstraling zijn een mogelijk alternatief. Vooral bij dit eerste deelthema, maar ook bij de latere deelthema s, moet er rekening mee worden gehouden dat leerlingen in het algemeen redeneren in termen van basale noties over veroorzaken : een veroorzaker heeft een effect op een voorwerp met behulp van instrumenten een redeneerwijze die op zich correct is (Klaassen, 1995). Meer specifiek wordt dit denkschema in het geval van radioactiviteit dan als volgt ingevuld: Röntgenapparaten, kerncentrales, vaten radioactief afval, bestraald voedsel enzovoort zijn potentiële veroorzakers. Ze kunnen effecten op mensen hebben, omdat ze er op de een of andere manier de oorzaak van zijn dat er iets schadelijks in die mensen is terecht gekomen. Dat schadelijke iets wordt vooral straling genoemd, maar ook wel radioactiviteit of radioactieve stof. Dit schadelijke iets dat in een voorwerp doordringt, doet dienst als het instrument waarmee een veroorzaker uiteindelijk het effect op het voorwerp heeft. De ongelukken met de kerncentrales in Chernobyl en Fukushima zijn veroorzakers doordat daarbij grote hoeveelheden van het schadelijke iets zijn vrijgekomen. Bestraald voedsel is een potentiële veroorzaker doordat het schadelijk iets bevat, en door dat voedsel te eten komt dat schadelijk iets in ons lichaam terecht. Er zijn effecten zolang het schadelijk iets in het voorwerp aanwezig is. De effecten kunnen worden gereduceerd door een weerstand: iets dat het schadelijk iets tegenwerkt, ofwel door te voorkomen dat het schadelijk iets het voorwerp binnendringt (loden muren, speciale pakken) ofwel door het tegen te werken als het schadelijk iets al binnengedrongen is (jodiumtabletten). Hierbij functioneren ook semi-kwantitatieve relaties als: hoe sterker de veroorzaker is, des te groter is het effect op een voorwerp, hoe langer de veroorzaker werkt op het voorwerp, des te groter is het effect, hoe kleiner de afstand tussen het voorwerp en de veroorzaker is, des te groter is het effect en hoe sterker de weerstand is, des te kleiner is het effect. Leerlijn onderbouw De leerlijn voor dit deelthema begint met het waarnemen van straling die door radioactieve stoffen wordt uitgezonden. Een demonstratie met een wilsonvat, vonkendetector en/of Geiger-Müllerteller zou mooi zijn, maar als de school niet beschikt over deze apparatuur en radioactieve bronnen dan vormen webfilms van bijvoorbeeld het RID (Reactor Instituut Delft) aan de TU Delft een alternatief. Het detecteren van de achtergrondstraling maakt duidelijk dat we voortdurend aan straling worden blootgesteld. Het is belangrijk om een onderscheid te maken tussen een radioactieve bron (of stof) en de door die bron uitgezonden straling met stralingsenergie die door een ontvanger wordt geabsorbeerd, vergelijkbaar met het onderscheid tussen een lamp en het door die lamp uitgezonden licht en leerlingen zouden meer van dat soort voorbeelden moeten kunnen geven. De term radioactiviteit moet dus gereserveerd blijven voor het verschijnsel, en niet worden gebruikt als afkorting voor de straling.

3 Het onderscheid tussen α-, β- en γ-straling is te maken op grond van hun ioniserend en doordringend vermogen. Of, en zo ja hoeveel aandacht er aan het ioniserend vermogen kan worden besteed, hangt af van de voorkennis van de leerlingen (vanuit bijvoorbeeld de scheikunde) over atomen, atoomstructuur (kern en elektronen) en ionisatie. De eerder genoemde website van het RID levert een webfilm met demonstratie-experimenten over het meten en afschermen van de drie soorten straling. De achtergrondinformatie op de website van het ISP geeft een aantal als context bruikbare toepassingen van straling op grond van hun ioniserend en doordringend vermogen. Hier kan, naast de straling van radioactieve stoffen, ook worden ingegaan op het karakter van röntgenstraling (vergelijkbaar met γ- straling, maar met minder energie) en de toepassingen daarvan. Dit eerste deelthema kan worden afgesloten door leerlingen hun jaarlijkse stralingsdosis te laten berekenen, bijvoorbeeld met behulp van de tabel in figuur 2. Daaruit wordt duidelijk dat de blootstelling aan kunstmatige stralingsbronnen slechts een klein deel uitmaakt van de totale stralingsbelasting. De jaarlijkse stralingsdosis wordt dus vooral bepaald door de verschillende bronnen van achtergrondstraling, waarbij het radon in de (ingeademde) lucht de belangrijkste is. De precieze betekenis van de eenheid sievert kan in een later stadium (zie de leerlijn bovenbouw hieronder) aan de orde komen. Stralingsbelasting Je leeft in een omgeving waarin je blootgesteld wordt aan ioniserende straling. Door het invullen van de tabel hieronder krijg je een indruk van de dosis (in msv/jaar) die je daarbij oploopt. Bedenk daarbij wel dat het gaat om niet meer dan een indruk, want met name de stralingsbelasting door radon in de lucht (afkomstig uit de bodem en uit bouwmaterialen) is sterk afhankelijk van je woon- en werkomgeving. Bijdrage uit Stralingsbronnen msv/jaar Leefomgeving Kosmische straling (op zeeniveau) 0,25 Bodem 0,05 Water en voedsel 0,35 Lucht 0,8 Bouwmaterialen 0,35 Vrije tijd Vliegreis (10 km hoogte): 5 μsv per uur Wintersportvakantie (2 km hoogte): 30 μsv/week Gezondheidszorg Röntgenfoto borstholte: 90 μsv Röntgenfoto gebit: 0,1 msv Röntgenfoto borsten (mammografie): 0,1 msv Röntgenfoto hoofd-nekgebied: 0,2 msv Röntgenfoto heup: 0,8 msv Röntgenfoto beenbreuk: 1 msv CT-scan hoofd: 1,2 msv CT-scan lichaam: 1,2 msv Scintigram schildklier met 131 I: 4,3 msv Scintigram skelet met 99m Tc: 6 msv Scintigram hartspier met 201 Tl: 17 msv Onderwijs Ioniserende Stralen Practicum: 0,2 μsv/uur Totale equivalente dosis in msv/jaar Figuur 2 Berekenen van de jaarlijkse stralingsbelasting. De tabel geeft aanleiding om in te gaan op het verschil tussen uitwendige en inwendige bestraling, of bestraling en besmetting (onder andere door de opname van radioactieve stoffen in het lichaam via water, voedsel en lucht), aan de hand van het in figuur 3 weergegeven schema. besmetting radioactieve stof (ioniserende) straling bestraling ontvanger Figuur 3 Het schema bron-straling-ontvanger. Het risico van blootstelling aan straling is te formuleren in termen van straling die inslaat op de gevoelige cellen van ons lichaam. Een meer compleet beeld komt

4 dan later wel, nadat duidelijk geworden is dat straling ionisatie kan veroorzaken. Wél is het in dit stadium mogelijk om een onderscheid te maken tussen de risico s van bestraling van het lichaam van buitenaf en van binnenuit (dus: bij inwendige besmetting), met name in het geval van α-straling van radon in de lucht. Onvoldoende onderscheid tussen de volgende begrippen (Eijkelhof, 1990): a) straling, radioactiviteit en radioactieve stof, b) bestraling en besmetting (waarbij bestraling van een voorwerp volgens leerlingen leidt tot besmetting), c) absorptie, accumulatie en tegenhouden van straling (waarbij accumulatie door leerlingen wordt gezien als toename van de hoeveelheid straling in het bestraalde voorwerp, dat daardoor steeds sterker radioactief wordt), en d) effecten van hoge en lage stralingsdoses. Het hierboven weergegeven schema van bron-straling-ontvanger kan helpen om het onderscheid tussen deze begrippen te verhelderen, met name als dit schema wordt aangevuld door de behandelde natuurkundige begrippen te koppelen aan de drie centrale onderdelen van het schema. Ultravioletstraling, zichtbaar licht en infraroodstraling worden gelijkgesteld aan ioniserende straling. Ioniserende straling wordt niet goed onderscheiden van andere gevaren vanuit de omgeving, zoals elektrische en magnetische velden van elektrische apparaten, pesticiden, voedseladditieven enzovoort. Leerlijn bovenbouw Voor de bovenbouw is de leerlijn uit te breiden met een kwantitatieve behandeling (inclusief formules en berekeningen) van doordringend vermogen en dosis, met de aanvullende begrippen halveringsdikte (voor röntgenen γ-straling), dracht (voor α- en β-straling), dosis en equivalente dosis met de bijbehorende eenheden gray en sievert, rekening houdend met de in de examenprogramma s opgenomen (minimale) verschillen tussen havo en vwo en de daar genoemde context medische beeldvorming. Na doorgang door een absorberend materiaal met een dikte van twee halveringsdiktes is de intensiteit van de doorgelaten straling nul. Het begrip halveringsdikte is ook van toepassing op absorptie van α- en β-straling. De eenheden gray en sievert worden door elkaar heen gebruikt, mede doordat er in het woordgebruik niet altijd sprake is van een zorgvuldig onderscheid tussen dosis en equivalente dosis. Deelthema 2: Radioactief verval In het eerste deelthema is het toevalskarakter van radioactiviteit aan de orde geweest (bij de metingen aan achtergrondstraling). Dit tweede deelthema gaat over het typerende patroon van verval dat uit dit toevalskarakter voortkomt. Leerlijn onderbouw De leerlijn voor dit deelthema begint met het waarnemen van radioactief verval in een webfilm van een demonstratie met een radioactieve bron (met een korte halveringstijd) en een GM-teller en/of een computersimulatie van een dergelijk verval. Dit geeft aanleiding tot het definiëren van het begrip activiteit van een radioactieve bron en de bijbehorende eenheid becquerel. Met daarbij de kanttekening dat het telresultaat van de GM-teller daarvoor niet meer dan een maat is, omdat de bron straling uitzendt in alle richtingen en niet alleen maar in de richting van de GM-teller. rekenregels rekenregels startwaarden 1 λ = 2 A = λ N dn 3 = A dt startwaarde: N = 1 t = t + dt 2 A = λ N 3 N = N A dt t = 0 dt = N = λ = Figuur 4 Computermodellen voor radioactief verval in Modellus (links) en de tekstuele modus van Coach (rechts). Figuur 5 Computermodel voor radioactief verval in de grafische modus van Coach. In dit model wordt de activiteit A berekend met de formule A = λ N. De uitstroom dn wordt berekend met de formule dn = A, waarbij het computerprogramma de berekende waarde van A automatisch vermenigvuldigt met dt. In plaats van met de genoemde computersimulaties is het radioactief verval door

5 leerlingen ook te onderzoeken met een gegeven computermodel in Modellus of Coach, zoals weergegeven in figuur 4 en 5. Bij elk van de modellen hoort een (leeg) A, t-diagram. Het vervaldiagram geeft aanleiding tot het definiëren van het begrip halveringstijd. Daarna zijn eenvoudige berekeningen (of beter: redeneringen) mogelijk over het verloop van de activiteit van een radioactieve bron in de tijd en de invloed van de halveringstijd van de radioactieve stof op dit verloop. Radioactief verval modelleren Radioactief verval is te modelleren met het gooien van munten of dobbelstenen in een of meer klasse-experimenten. Elke leerling krijgt één munt of dobbelsteen. Bij opgooien in opeenvolgende rondes (of tijdstappen) vervalt steeds bijvoorbeeld kop of 3. Bij gebruik van dobbelstenen is ook te variëren in de snelheid waarmee het vervalproces verloopt: bij elke ronde vervallen bijvoorbeeld 2 en 3. Het toevalskarakter van verval is verder (naast het toevalskarakter dat het opgooien van munten en dobbelstenen voor leerlingen uit zichzelf al heeft) te illustreren door elk klasse-experiment op zijn minst eenmaal te herhalen. Van belang is wel om de beperking van dit soort modellen te bespreken (al dan niet vooruit verwijzend naar het verklaren van het verschijnsel radioactiviteit: instabiele atoomkernen verdwijnen niet als ze vervallen, maar veranderen in atoomkernen van een andere stof. Bij elk klasse-experiment zijn er twee manieren om het resultaat te presenteren: een diagram van het aantal per worp verwijderde munten/dobbelstenen (ofwel de activiteit van de radioactieve stof) in de loop van het aantal worpen (ofwel de tijd), en een diagram van het aantal per worp overblijvende munten/ dobbelstenen (ofwel het aantal aanwezige instabiele atoomkernen) in de loop van het aantal worpen (ofwel de tijd). Het is voor leerlingen niet vanzelfsprekend dat beide diagrammen eenzelfde verloop te zien geven, zij het met een verschillend bereik van de schaal op de verticale as. Met het dobbelsteenexperiment is zoals hierboven gezegd de halveringstijd te variëren, en de beide diagrammen illustreren dan het effect daarvan op de activiteit in het begin van het vervalproces en het tempo waarin de activiteit daarna afneemt. Onvoldoende onderscheid tussen de volgende begrippen (Eijkelhof, 1990): activiteit en stralingsdosis. Na verloop van twee halveringstijden is de activiteit van een radioactieve stof afgenomen tot nul. Leerlijn bovenbouw Voor de bovenbouw is de leerlijn uit te breiden met een kwantitatieve behandeling (inclusief formules en berekeningen) van vervalprocessen, met het door de halveringstijd beïnvloede (exponentieel dalende) verband tussen activiteit en tijd, rekening houdend met de in de examenprogramma s opgenomen (minimale) verschillen tussen havo en vwo en de daar genoemde context medische beeldvorming. Als onderdeel van een leerlijn modelleren (zie paragraaf 5.5) kunnen bovenbouwleerlingen vwo zelf het computermodel van radioactief verval maken en testen, en het verschijnsel met dat model onderzoeken. Uitbreiding tot een computermodel van het moeder-dochterverval behoort tot de mogelijkheden. Deelthema 3: Radioactiviteit verklaren Dit derde deelthema gaat over het verklaren van de verschijnselen die in het eerste en tweede deelthema aan de orde zijn geweest. Het is aan te bevelen om eerst na te gaan wat de leerlingen over atoombouw al bij scheikunde hebben gehad, om verspilling van tijd en energie te voorkomen. We kunnen in elk geval aannemen dat leerlingen bekend zijn met het idee dat materie is opgebouwd uit atomen (zie paragraaf 4.2.7). Leerlijn onderbouw De leerlijn voor dit derde deelthema start met de opbouw van het atoom uit een atoomkern (met protonen en neutronen) en daar omheen draaiende elektronen, en de eigenschappen van deze (elementaire) deeltjes (massa en lading). Met dit atoommodel is het begrip isotoop te definiëren, al dan niet inclusief de notatie daarvan met atoomnummer en massagetal. Het verschijnsel radioactiviteit is nu te koppelen aan instabiele atoomkernen die door uitzenden van deeltjes (α-deeltjes ofwel heliumkernen of β-deeltjes ofwel elektronen) of elektromagnetische straling (γ-fotonen) vervallen tot stabiele atoomkernen. Met daarbij de kanttekening dat het bij β-straling gaat om het uitzenden van een elektron door de atoomkern, dat daar ontstaat door het verval van een neutron tot een proton en een elektron. Met dit deeltjeskarakter van straling is het ioniserend en het doordringend vermogen van straling te verklaren door afgifte van energie bij botsing met atomen van de stof waarop de straling invalt. Het karakter van de verschillende stra-

6 lingsdeeltjes verklaart de verschillen in ioniserend en doordringend vermogen van de verschillende soorten straling. Na verval van een instabiele atoomkern is deze kern of het atoom als geheel verdwenen. Leerlijn bovenbouw Voor de bovenbouw is de leerlijn uit te breiden met het opstellen van vervalvergelijkingen en, meer algemeen, reactievergelijkingen bij deeltjesinteracties (waaronder bijvoorbeeld neutronvangst), uitgaande van de behoudswetten voor massa en lading. Additionele activiteiten Na afronding van de deelthema s 1 t/m 3 in welke volgorde dan ook, kan een bezoek van of aan het in de inleiding genoemde ISP worden ingepland. Deelthema 4: Kernsplijting en kernfusie Het onderwerp radioactiviteit kan worden afgesloten met een vierde deelthema over kernsplijting en kernfusie. Van belang daarbij is het maken van een duidelijk onderscheid tussen splijtings- en fusieprocessen enerzijds en vervalprocessen anderzijds. Leerlijn onderbouw Radioactief verval is een spontaan verlopend toevalsproces, kernsplijting is dat niet: de voorwaarde is de absorptie van een neutron door een zware atoomkern (bijvoorbeeld uranium). Het daarbij vrijkomen van enkele neutronen maakt kettingreacties mogelijk, die zowel gecontroleerd (in een kerncentrale) als ongecontroleerd (in een kernwapen) kunnen verlopen. De relatie met radioactief verval is dat de splijtingsproducten radioactief zijn. Kettingreacties modelleren Kettingreacties zijn te modelleren met omvallende dominostenen (opgesteld in een rij voor een gecontroleerde of met vertakkingen voor een ongecontroleerde kettingreactie) of meer spectaculair met het lucifermodel van figuur 6. Let bij dat laatste op de veiligheid. Voor het demonstreren en/of onderzoeken van deze processen zijn ook webfilms (met onder andere pingpongballen en muizenvallen) en computersimulaties beschikbaar. aansteken Figuur 6 Lucifermodel. Leerlijn bovenbouw Voor de bovenbouw is de leerlijn uit te breiden naar het opstellen van reactievergelijkingen bij kernsplijting en kernfusie, en de bron van de bij deze processen vrijkomende energie (massadefect, equivalentie van massa en energie, bindingsenergie). Daarnaast kan een relatie worden gelegd met de astrofysica (energieproductie in sterren, ontstaan van zwaardere elementen dan waterstof en helium (tot aan ijzer) door kernfusieprocessen en nog zwaardere elementen door neutronenvangst en daarop volgend β-verval) en de quantumfysica (tunneling bij α-verval) uit het examenprogramma vwo. Literatuur Eijkelhof, H.M.C. (1990). Radiation and Risk in Physics Education. Utrecht: CD-β Press. Klaassen, C.W.J.M. (1995). A Problem-Posing Approach to Teaching the Topic of Radioactivity. Utrecht: CD-β Press. Millar, R., Klaassen, K. & Eijkelhof, H. (1990). Teaching about radioactivity and ionizing radiation: An alternative approach. Physics Education 25, 338. Ottevanger, W., Oorschot, F., Spek, W., Boerwinkel, D.J., Eijkelhof, H., de Vries, M., van der Hoeven, M. & Kuiper, W. (2014). Kennisbasis natuurwetenschappen en technologie voor de onderbouw vo. Enschede: SLO.