Samenvatting Natuurkunde Ioniserende straling Samenvatting door een scholier 1947 woorden 26 augustus 2006 6,5 102 keer beoordeeld Vak Methode Natuurkunde Natuurkunde overal Samenvatting Natuurkunde VWO 3 Ioniserende straling Radioactieve stoffen: stoffen die vanzelf straling uitzenden. Radio betekent stralend, en actieve betekend vanzelf. Een radioactieve stof zendt straling uit die niet zichtbaar is. Bron, straling, ontvanger. Radioactieve bron: het voorwerp waarin zich de radioactieve stof bevind. Die bron zend dus onzichtbare straling uit. Deze straling komt ergens op terecht: de ontvanger. de ontvanger kan die straling opnemen. Besmet: als je besmet bent heb je zelf radioactieve stof op je huid gekregen of in geademd. je bent dan zelf ook een bron van straling. Bestraalt: als je bestraalt bent heb je zelf radioactieve stof geabsorbeerd. Je hebt zelf geen radioactieve stof binnen gekregen en je bent dus geen radioactieve bron geworden. Overal waar röntgenstraling of straling uit radioactieve bronnen komt, veranderd moleculen in ionen. Vandaar dat deze soorten straling ook wel aangeduid worden met ioniserende straling. Dankzij ioniserende straling kun je röntgenstraling of straling uit radioactieve bronnen aantonen met fotografisch papier. Achtergrondstraling: er is altijd straling aanwezig. Die straling is afkomstig van uit radioactieve bronnen uit de omgeving. Dat kan uit de bodem, wanden van gebouwen of de ruimte zijn. 4 soorten ioniserende straling. Alfa straling: bestaat uit een verzameling alfa deeltjes, Pagina 1 van 6
Beta straling: bestaat uit een verzameling beta deeltjes. De massa van beta deeltjes is ongeveer 7300 x zoo klein als die van de alfa straling. Wel is de snelheid van de beta deeltjes groter. Gamma straling: lijkt op gewone lichtstralen en bestaat dus niet uit deeltjes. Deze stralingssoort is, net als uv-straling onzichtbaar voor ons. Gamma straling heeft wel meer energie dan uv-straling. En bestaat uit een verzameling losse porties energie. Röntgenstraling: is een voor van ioniserende straling. Deze straling lijkt er op gamma straling, maar is niet uit een radioactieve stof afkomstig. Bestaat ook uit een verzameling van losse porties energie. Eigenschappen van ioniserende straling. 1. het doordringend vermogen. Straling kan door allerlei stoffen heengaan. Hoeveel van de straling word tegengehouden (absorptie) hang af van: de soort straling. Gamma straling wordt het minst geabsorbeerd, röntgenstraling iets meer (bv door botten). Dan volgt de beta straling, een blad papier houd de alfa straling al tegen. Soort materiaal waar het door heen gaat. Een metaal als lood houdt vergeleken met ander metalen het beste gamma straling tegen De dikte van het materiaal waar het door heen gaat. 2. Het ioniserend vermogen. Straling kan de atomen van de bestraalde stof veranderne. Dat heet ioniseren. Deze eigenschap maakt de straling soms gevaarlijk. Door de verandering van de atomen kunnen lichaamscellen gedood worden of zich zo snel gaan delen dat er kankergezwellen ontstaan. Bescherming tegen straling De beste manier om jezelf te beschermen tegen ioniserende straling is op grote afstand te blijven van radioactieve bronnen. Uit de proef met het gaskousje blijkt ook dat op grotere afstand van de bron de straling een stuk minder is. Een andere manier om je tegen straling te beschermen is om iets tussen de bron en jezelf (als ontvanger) te plaatsen. Daarbij is het doordringend vermogen van belang: a-straling wordt al geabsorbeerd door enkele centimeters lucht, of door de bovenste 50 micrometer van je huid; b-straling wordt geabsorbeerd door een laagje metaal van enkele millimeters of enkele centimeters weefsel van je lichaam; röntgenstraling wordt voor het grootste deel tegengehouden door botten of bijvoorbeeld een dunne plaat lood; y-straling wordt voor het grootste deel pas gestopt door een laag van enige centimeters lood of een paar meter beton. Die straling kan van buitenaf diep in een mens doordringen. Atomen. Pagina 2 van 6
Moleculen bestaan uit atomen. Er bestaan ruim honderd verschillende atoomstorten, alle met een nummer en hun naam. Het nummer word het atoomnummer genoemd. Dit is het rangnummer in het periodiek systeem. In dat systeem zijn alle atoomstorten op de grond van hun chemische eigenschappen geordend (figuur 8.16). In tabel 8.1 staan een aantal veel voorkomende atoomsoorten met hun rangnummer. Er zijn moleculen, die slechts uit één soort atomen bestaan. Een zuurstofmolecuul bestaat uit twee zuurstofatomen. En er zijn moleculen die uit meer dan één soort atomen bestaan. Een watermolecuul is bijvoorbeeld opgebouwd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Het atoom model van Rutherford Rutherford veronderstelde dat het atoom bestond uit een atoomkern en elektronen, die zich om de kern heen bevinden. Ook nu nog is zijn model van een atoom bruikbaar om er allerlei dingen mee te verklaren. De elektronen hebben een heel kleine massa. De massa van een atoom zit voor 99,9 % in de kern. In de atoomkern zitten twee soorten deeltjes: protonen en neutronen. Het aantal protonen bepaalt welk soort atoom het is: dat aantal is precies even groot als het atoomnummer. Het aantal elektronen is precies even groot als het aantal protonen. De opbouw van een atoom De elektronen en protonen hebben tegengestelde elektrische eigenschappen. Dat wordt aangegeven door bij de elektronen een min-teken en bij de protonen een plus-teken te zetten. Neutronen zijn ongeveer even groot en zwaar als protonen, maar missen elektrische eigenschappen. Ze zijn neutraal. Meestal zitten er in de kern evenveel of meer neutronen dan protonen. Als geheel is een atoom elektrisch neutraal: de elektrische eigenschappen van protonen en elektronen compenseren elkaar. Het totale aantal protonen en neutronen wordt het massagetal genoemd. Achter de naam van de atoomsoort wordt soms het massagetal gezet. We bekijken als voorbeeld atoom van het edelgas neon. Neon-22 (symbool Ne) staat op de tiende plaats in het Periodiek Systeem. Het atoomnummer is dus 10. In de kern bevinden zich 10 protonen. En er bewegen 10 elektronen omheen. Een neonatoom met massagetal 22 heeft in zijn kern 22 deeltjes (figuur 8.17). Daarvan zijn er 10 protonen. Het aantal neutronen vind je door van het massagetal te verminderen met het atoomnummer. Er zijn 22-10 = 12 neutronen in deze neonkern. Een atoom kun je je voorstellen met behulp van een schematische tekening. In figuur 8.18 zie je twee voorbeelden: De stof met atoomnummer 2 heet helium. In de kern zitten dus twee protonen. Meestal zitten er ook twee neutronen in. Om de kern heen bevinden zich twee elektronen. De stof met atoomnummer 6 is koolstof De kern daarvan bestaat meestal uit zes protonen en zes neutronen. Om de kern bewegen zes elektronen. Samengevat kun je het atoommodel van Rutherford als volgt beschrijven: Een atoom bestaat voor het overgrote deel uit lege ruimte. In het midden van die ruimte zit een kern met protonen en neutronen. Hun totale aantal wordt het Pagina 3 van 6
massagetal genoemd. Op grote afstand van de kern bevinden zich elektronen. Vergeleken met protonen hebben elektronen bijna geen massa. Het aantal elektronen is gelijk aan het aantal protonen. Het atoomnummer geeft het aantal protonen aan (en dus ook het aantal elektronen). Het aantal neutronen is het massagetal verminderd met het aantal protonen. Atomen en straling Niet alle atomen van één soort (dus met hetzelfde atoomnummer) hebben hetzelfde aantal neutronen. Atomen met alleen een ander aantal neutronen in de kern noemt men isotopen. Deze atoomsoorten zijn chemisch niet uit elkaar te houden. Ze staan op dezelfde (Grieks: iso) plaats in (Grieks: topos) in het Periodiek Systeem. In sommige kernen is de verhouding tussen protonen en neutronen niet helemaal goed. Het 'rommelt' er. De atoomkern is geen stabiel geheel. We noemen deze atomen instabiel. Door de verhouding tussen protonen en neutronen in de kern te veranderen, worden het stabiele atomen. Dit gebeurt door het uitzenden van (x- of _-straling, vaak vergezeld van "{-straling. Hoe dat precies gebeurt, begrijpen we nog niet helemaal. Wel weten we het volgende: a-deeltjes zijn flinke brokjes die uit een instabiele kern worden gestoten. Ze bestaan uit twee protonen en twee neutronen (heliumkernen dus!). b-deeltjes ontstaan als een neutron in de kern verandert in een proton en een elektron. Het elektron wordt uitgestoten. Dit is het b-deeltje. Y-straling ontstaat als bijproduct bij het uitzenden van a- of b-straling. Atomen met instabiel kernen zijn radioactief. Ze zenden ioniserende straling uit. Daarij veranderen ze van soort. Dit proces word radioactief verval genoemd. Na radioactief verval ontstaan uiteindelijk kernen die niet meer vervallen deze hebben een stabiele kern. Halveringstijd: hoelang een stof erover doet voor dat de helft van alle atomen van de stof is vervallen. De activiteit van een bron Het aantal stralingsdeeltjes dat een radioactieve bron uitzendt, hangt af van: - de tijdsduur waarin de bron straalt; - de hoeveelheid radioactieve stof die in de bron aanwezig is. - het soort radioactieve stof (atoomnummer en massagetal) Om radioactieve bronnen te vergelijken bepalen we het aantal kernen dat in een bepaalde tijdsduur vervalt. Dit aantal is even groot als het aantal uitgezonden a- of _- deeltjes.in die tijdsduur. Kiezen we die tijdsduur precies 1 s dan spreken we over de activiteit van een bron met als eenheid becquerel (Bq). Een voorbeeld: Een bron die a-straling uitzendt, heeft een activiteit van 850 Bq. Dat betekent dat er in één seconde 850 kernen vervallen en dat er 850 a-deeltjes worden uitgezonden. Pagina 4 van 6
De activiteit van een bron is het aantal a- of _-deeltjes dat door de bron in één seconde wordt uitgezonden. De eenheid voor de activiteit is de becquerel (symbool Bq). Hoe lang blijft een bron radioactief? Een radioactieve bron zendt straling uit als de atomen van de radioactieve stof vervallen. Daardoor komt er steeds minder van die radioactieve stof. Er zal dus ook steeds minder straling worden uitgezonden. Dat wil zeggen dat de activiteit afneemt. De activiteit neemt even sterk af als de hoeveelheid radioactieve stof zelf. Als je de activiteit in een diagram tegen de tijdsduur uitzet (figuur 8.24), krijg je dus precies hetzelfde verloop te zien als in figuur 8.23. De halveringstijd kun je dus ook als volgt omschrijven: De halveringstijd is de tijdsduur waarin de activiteit van een radioactieve stof de helft is geworden. Het begintijdstip en de begin hoeveelheid zijn niet van belang. Straling en moleculen (a.- en b-deeltjes worden met grote snelheid uit een instabiele atoomkern gestoten. Ze hebben dus veel bewegingsenergie. Die energie kan gebruikt worden om één of meer elektronen uit een atoom in het weefsel te verwijderen. Wat overblijft, heet een (positief) ion. Vandaar dat we dit effect van straling de ioniserende werking noemen. Zo'n ion kan in het lichaam ongewenste verbindingen met andere atomen aangaan. Daardoor kunnen sommige cellen niet meer goed functioneren: ze sterven af of gaan zich juist extra delen. De bewegingsenergie van (a.- en b-deeltjes kan ook worden overdragen aan de moleculen in de lucht, het water of van het weefsel. Het gevolg hiervan is dat de moleculen kunnen breken. Daarbij kunnen positieve en negatieve ionen ontstaan. Negatieve ionen zijn atomen waar een of meer elektronen aan worden toegevoegd. Ook y-straling kan moleculen breken. Een verschil met (a- en b-straling is dat y-straling heel diep in het weefsel kan binnendringen. De energie van de straling neemt sterk af als moleculen breken of atomen ioniseren. De straling is daarna niet meer gevaarlijk. Straling kan energie overdragen aan atomen en moleculen. Daarbij kunnen moleculen breken of er ontstaan ionen. Als dit in een levende cel gebeurt kan deze dood gaan, beschadig_n of zich zonder reden delen. Schade, bij mensen door straling. Iedereen komt iedere dag in aanraking met straling. Denk maar aan de achtergrondstraling. In sommige beroepen heeft men extra veel te maken met straling. Die mensen lopen meer risico. Het is mogelijk de schade die de straling veroorzaakt te schatten. Dat gebeurt door naar de stralingsbelasting te kijken. Pagina 5 van 6
De stralingsbelasting wordt bepaald door: - de energie die de straling in de ontvanger afgeeft; - de soort straling; - het orgaan dat aan straling wordt blootgesteld; - de tijdsduur, waarin de ontvanger aan de straling is blootgesteld. Bij mensen wordt de straling ingedeeld in uitwendige straling en inwendige straling. Je loopt immers niet alleen schade op door straling die van buiten komt. Je kunt ook een radioactieve bron opeten, zoals bij de besmette spinazie. Ook kun je een bron opdrinken, zoals bij melk van koeien die besmet gras hebben gegeten. Of inademen, zoals bij radon gas uit bouwmaterialen. In je lichaam zendt zo'n bron dan straling uit. Omdat ook röntgenstraling een ioniserende en doordringende werking heeft, moet je de belasting van deze straling ook meerekenen. Het gebruik van ioniserende straling in ziekenhuizen geeft een extra stralingsbelasting. Daarbij kun je onderscheid maken in radio diagnose en radiotherapie. Pagina 6 van 6