Hoofdstuk 9: Radioactiviteit

Hoofdstuk 9: Radioactiviteit Natuurkunde VWO 2011/2012 www.lyceo.nl

Hoofdstuk 9: Radioactiviteit Natuurkunde 1. Mechanica 2. Golven en straling 3. Elektriciteit en magnetisme 4. Warmteleer Rechtlijnige beweging Trilling en golf Elektrische stroom Gas en vloeistof (SE) Kracht en moment Licht Elektromagnetisme Thermische processen (SE) Arbeid en energie Elektromagnetisch spectrum (SE) Inductie en wisselstroom (SE) Kromlijnige beweging Radioactiviteit Signaalverwerking (SE) 2 www.lyceo.nl

Atoommodel 2. Golven en straling Trillingen en golven Licht EM spectrum Radioactiviteit Protonen en neutronen in de kern en elektronen rondom de kern Aantal protonen geeft het atoomnummer Weergegeven met symbool Z Aantal protonen en neutronen samen geeft de massa Weergegeven met symbool A A X Z 3 www.lyceo.nl

Isotopen Isotopen zijn kernen met hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen. Z is gelijk, A is verschillend Sommige isotopen hebben instabiele kernen Instabiele kernen vervallen spontaan en zenden daarbij radioactieve straling uit Voorbeeld Het element Lithium (Z = 3) heeft 3 isotopen: 6 Li 3 is stabiel 7 is stabiel 3 Li 8 is onstabiel 3 Li 4 www.lyceo.nl

Radioactieve straling Kernen die vervallen zenden straling uit: Straling Symbool Massa Lading (in e) α, He 4 4 2 2 α straling 4 2 β, e, e 0 0 1 1 β straling 0 1 0 β 1 β straling 0 1 0 γ 0 γ straling (EM straling) 0 0 0 γ 0 Röntgen straling (EM straling) 0 0 Overzicht van de verschillende deeltjes : Deeltjes Symbool Massa getal Lading 1 p 1 Protonen 1 1 1 n 0 Neutronen 1 0 0 e, e 1 Elektronen 0 1 5 www.lyceo.nl

Eigenschappen radioactieve straling Dracht Hoe ver de straling door de lucht komt Doordringend vermogen Hoe goed dringt het door een materiaal heen Ioniserend vermogen Hoe schadelijk is het voor levende materie Soort Dracht Doordringend vermogen Ioniserend vermogen α straling Klein (cm s) Klein Groot β straling Groot (m s) Gemiddel Klein γ straling Zeer groot Zeer groot Zeer klein Röntgen straling Zeer groot Zeer groot Zeer klein 6 www.lyceo.nl

Radioactief verval Halveringstijd: Geeft aan hoe snel onstabiele kernen vervallen. Na t 1/2 is de helft van het aantal oorspronkelijke kernen vervallen: N(t) = N(0) ( ) 1 2 t t 1 2 Afhankelijk van de kern die vervalt Kleine halveringtijd duidt op zeer instabiele kernen N vervalkromme t 7 www.lyceo.nl

Doordringbaarheid Halveringsdikte: Geeft aan hoeveel straling doorgelaten wordt. Na d 1/2 is de intensiteit van de straling gehalveerd: I(x) = I(0) ( ) 1 2 d d 1 2 Afhankelijk van de energie van de straling Afhankelijk van het absorberend materiaal I absorptiekromme I(0) x x Ix () 8 www.lyceo.nl

Activiteit Activiteit: Het aantal kernen dat per seconde vervalt, is recht evenredig met aantal kernen (Becquerel [Bq]) Twee manieren om de activiteit te bepalen ΔN(t) 1. Bepaal de raaklijn aan het N t diagram: A(t) = Δt 2. Lees N(t) af en gebruik: t ln2 1 1/2 A(t) = A(0) ( 2) = N(t) t t 1 2 N Nt () N t t 9 www.lyceo.nl

Radioactiviteit Aantal kernen: Activiteit: Verzwakking straling: N(t) = N(0) 1 1 t 2 2 t A(t) = A(0) t 1 1 t 2 2 I(x) = I(0) 1 1 d 2 2 x N(t) = aantal kernen op t A(t) = activiteit op t I(x) = intensiteit op x N(0) = aantal kernen begin A(0) = activiteit begin I(0) = intensiteit op x=0 t 1/2 = halveringstijd d 1/2 = halveringsdikte N(t) A(t) I(x) t t x 10 www.lyceo.nl

K vangst Een elektron uit de K schil ingevangen in de kern: p e n 1 0 1 1 1 0 e K schil 1 2 3 4 11 www.lyceo.nl

Reactie vergelijkingen α verval Β verval β + verval γ verval Po α + Pb 212 4 208 84 2 82 Ca β + Sc 45 0 45 20 1 21 Cl β + S 34 0 34 17 +1 16 In γ + In 113 0 113 49 0 49 K vangst Fe + e 55 0 55 26 1 25 Mn +(ν) Kernsplijting Bijvoorbeeld: U + n 2 lichtere kernen + (2 of 3) n 235 1 1 92 0 0 U + n Ba + Kr + 3 n 235 1 141 92 1 92 0 56 36 0 12 www.lyceo.nl

Reactie vergelijkingen Hoe stel ik een reactievergelijking op? Zorg dat de som van de massagetallen links en rechts van de pijl gelijk is Zorg dat de som van de atoomnummers (lading) links en rechts gelijk is Zoek in Binas tabel 25 of 99 de ontbrekende symbolen op Voorbeeld: alpha verval bij Polonium 212 Po α + X 212 4 A 84 2 Z Massa getal: 212 = 4 + A A= 208 Atoomnummer: 84 = 2 + Z Z= 82 Symbool (in Binas) X = Pb Po α + Pb 212 4 208 84 2 82 13 www.lyceo.nl

Dosis Als materie straling absorbeert, is dit zeer schadelijk voor levend weefsel. Schade hangt af van hoeveelheid en van soort straling: Dosis is de hoeveelheid geabsorbeerde stralingsenergie per eenheid absorberende massa (Gray, [Gy]) D = E straling m Dosisequivalent geeft de schadelijkheid aan van straling (Sievert, [Sv]) H = D Q Hierin is: Q = 20 voor α straling Q = 1 voor andere straling 14 www.lyceo.nl

Bestraling en besmetting Bestraling Er is geen direct contact met de radioactieve stof (de bron) Het gevaar is weg, zodra de bron wordt weggehaald of uitgezet De straling die van de bron komt kan wel schade aanrichten Besmetting Er is direct contact met de bron geweest Bron aangeraakt, radioactief materiaal ingeslikt of ingeademd Er zit radioactief materiaal op of in je Het gevaar blijft, ook al wordt de bron weggehaald of uitgezet Je bent zelf ook een bron geworden 15 www.lyceo.nl

Bescherming Bestraling Afschermen met bijvoorbeeld lood Afstandhouden Straling zo kort mogelijk laten werken Plaatsen met veel celdeling zijn extra kwetsbaar (extra goede bescherming nodig) Besmetting Bron niet direct aanraken (beschermende kleding dragen, gebruik van robots) Ontsmetten na contact met een bron Bronnen goed ingepakt (luchtdicht) opbergen 16 www.lyceo.nl

Massa energie Massa en energie zijn equivalent, volgens: E = m c 2 Hierin: E = energie c = lichtsnelheid = 3,0 10 8 m s 1 m = massa De energie wordt vaak in elektronvolt (ev) gegeven: 1 ev = 1,60 10 19 J De massa wordt vaak in atomaire massaeenheid (u) gegeven: 1 u = 1,66 10 27 kg Omzetting massa > energie wordt waargenomen bij kernsplijting en kernfusie Omzetting energie > massa wordt waargenomen bij ontstaan van sterren 17 www.lyceo.nl

Massa energie Rekenen aan een: vervalproces Massa neemt af (m voor > m na ) > bindingsenergie komt vrij: ΔE = (Δm) c 2 Kernreactie ΔE = E voor E na = (Δm) c 2 Veel voorkomende energie vóór en ná de reactie: E k van opvallende/vrijkomende deeltjes: E k = ½ m v 2 E f van opvallend/vrijkomende foton: E f = h f E inwendig van aangeslagen kern Bij het bepalen van het massaverschil gebruik je alle significante cijfers uit Binas! 18 www.lyceo.nl

Kerncentrale Werking: Uranium 235 (brandstof) reageert waarbij veel warmte vrijkomt en neutronen hoge snelheid krijgen: U n 2 lichtere kernen + 2 of 3 n 235 1 1 92 0 0 Moderator (water of koolstofstaven) remt neutronen af Neutronenabsorptie staaf vangt deel van neutronen op: 1 Neutron per reactie blijft over Overgebleven neutron splijt volgende Uranium atoom Warmte vrijgekomen bij reactie wordt opgenomen Warmte verwarmd water, dat vervolgens de stoomturbine aandrijft 19 www.lyceo.nl

Tips & Tricks Houd bestraling en besmetting goed uit elkaar: Besmetting: bron aangeraakt of radioactief materiaal in het lichaam gekomen Bestraling: geen rechtstreeks contact met radioactief materiaal, wel straling Kan je een stof niet vinden in tabel 25? Gebruik het periodiek systeem! Kijk bij vragen over straling wat de belangrijkste eigenschap is: Moet de straling een groot stuk door een materiaal heen? Gebruik γ straling Moet het veel schade aanrichten op korte afstand? Gebruik α straling 20 www.lyceo.nl