Hoofdstuk 6, Ioniserende Straling

Natuurkunde – Hoofdstuk 6 – Ioniserende Straling

6.2 – Bronnen en Straling
Voorwerpen met uranium of americum erin zenden onzichtbare straling uit. Stoffen die straling uitzenden zijn radioactieve stoffen. Het uitzenden wordt radioactiviteit genoemd. Die straling maakt in de lucht positieve en negatief geladen deeltjes. Moleculen worden dus geïoniseerd. We noemen het geïoniseerde vermogen van straling. Het komt uit radioactieve stoffen en röntgenstraling.

Het voorwerp waar de radioactieve stof in zit is de radioactieve bron. Vervolgens gaat die straling door een medium zoals lucht. Daarna bereikt het de ontvanger. De ontvanger kan de straling absorberen.
- Besmetting: Je hebt het binnen gekregen. Je bent zelf een radioactieve bron en zendt straling uit.
- Bestraling: Er is radioactieve stof op je gekomen en je hebt het niet binnen gekregen.

Rond 1900 werd bekend dat er drie soorten ioniserende stralingen zijn.
- α straling. [Alfa] Positief geladen deeltjes. Het is een kern van een Helium atoom.
- Β straling. [Bèta] Negatief geladen deeltjes. Het zijn elektronen.
- γ straling. [Gamma] Elektromagnetische straling. Het bestaat uit fotonen. Die hebben geen massa en lading. Alleen energie.

Er bestaat ook nog röntgenstraling. Dat is bijna hetzelfde als gamma straling. Het verschil is dat röntgenstraling in een buis ontstaat.

Straling die altijd in onze buurt is heet natuurlijke straling. Als de bron buiten ons lichaam is heet het uitwendige bestraling. Voorbeelden zijn:
- Kosmische straling. Afkomstig van zon en sterren. Vooral protonen.
- Aardse straling. Afkomstig van graniet en gesteentes met uranium en radium. Bakstenen en bouwmaterialen die klei en gips met natuurlijke radioactieve stoffen bevatten horen hier ook bij.
Als de bron in het menselijk lichaam is dan is het inwendige bestraling. Die krijg je bijvoorbeeld binnen met eten. Radon bijvoorbeeld.

Er is ook kunstmatige straling. Dit is straling uit door mensen gemaakte bronnen.
- Bestralingsapparatuur uit ziekenhuizen
- Rookmelders
- Kerncentrales
- Kernwapens.

6.3 – Waarnemen van straling
In een filmbadge zit een fotografische plaat die verkleurt als je bloot gesteld bent aan radioactieve straling. Door de filters erin kan je zien door welke straling je bestraald bent.

Een GM buis telt het aantal ioniserende deeltjes. Dit zet die om in intensiteit waardoor je het aantal deeltjes per M2 weet.

De achtergrond straling meet je zonder dat de bron in de buurt is. Vervolgens als je een stof meet trek je de achtergrondstraling er vanaf.

Straling kan door materialen heen maar dat hangt af van een paar dingen.
- Het soort materiaal.
- Dikte van het materiaal.
- De soort straling.

α straling wordt tegengehouden door enkele centimeters lucht, een vel papier of de bovenste laag van je huid.
Β straling wordt volledig opgenomen door een laagje metaal [paar mm] of enkele centimeters van je lichaam.
Röntgenstraling wordt geabsorbeerd door botten en lood.
γ straling gaat bijna overal doorheen. Het wordt pas gestopt door centimeters lood of een paar meter beton.

Als α en B deeltjes in een materiaal doordringen dan komen er ionisaties. Bij elke ionisatie neemt de kinetische energie af. Dit gaat door totdat het deeltje stopt. De afstand is de dracht. De dracht is afhankelijk van het soort materiaal en de kinetische energie.

6.4 – Het ontstaan van α, Β & γ straling
Atoommodel van Rutherford ziet er als volgt uit. Een atoom is bijna geheel leeg. Bijna alle massa is geconcentreerd in de positief geladen kern. De kern bestaat uit twee soorten kerndeeltjes met een bijna gelijke massa. Protonen met lading en neutrale neutronen. Om de kern heen bewegen in een neutraal atoom evenveel elektronen als er protonen in de kern zitten. De elektronen bepalen de afmetingen van het atoom.

Z = Rangnummer [Aantal protonen][Aantal elektronen]
A = Massagetal
N = Neutronen [A-Z]
Het staat meestal zo aangegeven: A/Z-X.
Soms staat het anders aangegeven. H-1 bijvoorbeeld. Met alleen het massa getal erachter. Isotopen zijn atomen die in de kern hetzelfde aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen hebben.

[Ik schrijf het in deze samenvatting 238/92-U op. Inplaats van het plaatje hiernaast. Geen idee hoe dat in Word moet.]
Α deeltje = 4/2-He
B deeltje = 0/-1-E
γ foton = 0/0-γ

Een atoomkern van een radioactieve stof vervalt en is instabiel. Een kern van een niet radioactieve stof verandert niet en is stabiel.
Een voorbeeld van een v Alfa vervalvergelijking is: 226/88-Ra  222/86-Rn + 4/2-He.

Links van de pijl staat de moederkern. Rechts van de pijl staat de dochterkern en het uitgezonden stralingsdeeltje.
Bij B verval is het dus anders maar het principe hetzelfde.
90/38-Sr  90/39-Y + 0/-1-e
Bij α en B verval komt ook Y vrij. Na instabiele kernen ontstaat een vervalreeks.

6.5 – Verval berust op toeval
Je weet nooit precies wanneer een atoomkern vervalt. Dat die vervalt is zeker, maar wanneer weet je niet. Je kan daar een uitspraak over doen met grote getallen. De halveringstijd [T½] is de tijdsduur waarin de helft van het aantal aanwezige instabiele kernen vervalt. Je kunt zo’n vervalschema met halveringstijd in een vervalkromme zetten.

6.6 – Activiteit
Het aantal stralingsdeeltjes die een radioactieve bron per seconde uitzendt hangt af van de snelheid waarin de kernen vervallen. Dit heet de activiteit van de bron.
Dit wordt uitgedrukt in BQ [Becquerel]. 1 BQ is 1 vervallen kern per seconde. Je kan dit meten met een GM teller. In de halveringstijd van een radioactieve stof halveert de activiteit van deze stof ook. Radioactieve stoffen kan je ook als tracers gebruiken. Doormiddel van een radioactieve stof toe te dienen [Y] kan een Y camera zien waar deze stof word opgenomen.

6.7 – Röntgenstraling en Y-straling
Röntgenstraling word veroorzaakt door snelle elektronen die tegen een metalen plaatje aan botsen. De elektronen worden door elektronen van de atomen in het plaatje afgeremd. Daardoor ontstaat warmte, maar een klein gedeelte van de kinetische energie word straling. De röntgenstraling dus. Net zoals Y-straling bestaat het uit fotonen. Op een röntgenfoto zie je de botten wit afgebeeld. Om absorptie te vergelijken is er een halveringsdikte. Dat is de afstand waarover het aantal fotonen is gehalveerd. Na 1 halveringsdikte [D½] is nog maar de helft van de straling over. Na 2xD½ is nog een kwart over.

Röntgen- en Y straling word toegepast bij:
- Botbreuken constateren.
- Darmonderzoeken.
- Dikte van platen en pijpen onderzoeken.

De geabsorbeerde stralingsdosis D is de energie die door een voorwerp per KG wordt opgenomen.
De eenheid is J/KG = GY [Gray]

Er worden Y-fotonen gebruikt bij voedseldoorstraling. De energie daarvan is zo hoog dat ze breuken in DNA moleculen van kleine micro organismen kunnen veroorzaken.

6.8 – Biologische effecten bij mensen
Straling door het menselijke lichaam laat schade achter. DNA kan daardoor zwaar aangetast worden. Waaronder:
- Cellen die ongeremd gaan delen en leiden tot tumoren.
- Cellen die niet meer kunnen delen en dood gaan.
- Er kunnen afwijkingen komen die erfelijk meegegeven kunnen worden.
Bij stralingsziekte heb je teveel straling geabsorbeerd waardoor de rode en witte bloedlichaampjes dood gaan. Je krijgt last van vermoeidheid, diarree en een sterk verminderde weerstand. Als de tijdsduur waarin de bestraling plaats vindt korter is en de geabsorbeerde dosis hoger zijn de gevolgen ernstiger.

Het kan soms ook erg handig zijn. Bij radiotherapie proberen ze het delingsvermogen van tumoren te bestrijden. Het wordt meestal gedaan met een dosis van 80 GY verspreid over meerdere weken zodat ze steeds 2 GY doen en het gezonde weefsel kan herstellen.

Een grootheid die de biologische schade bij lage geabsorbeerde doses beschrijft is de equivalente dosis H. Daarvoor geldt: H = Stralingsweegfactor x D
H = De equivalente dosis is Sievert [SV]
D = De geabsorbeerde dosis in Gray [GY]

De kans op een kwaadaardige tumor is groter:
- Bij weefsels en organen zoals beenmerg, longen en borstklieren.
- Op jonge leeftijd.
- Als de equivalente dosis hoger is.
- Als de tijdsduur waarin de dosis opgenomen is kort is.

Als je werkt met straling kan je de dosis reduceren door:
- Afstand nemen van de bron.
- Afscherming door
middel van lood.
- Beperken van de tijdsduur.