Upload
nura
View
47
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Faculteit Bètawetenschappen Ioniserende Stralen Practicum | ISP. Samenvatting Ioniserende straling VWO. Inhoud. 1Soorten ioniserende straling 2Radioactief verval 3Effecten van ioniserende straling 4Medische beeldvorming 5 Kernsplijting en kernfusie 6 Kernenergie. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Samenvatting
Ioniserende stralingVWO
Faculteit BètawetenschappenIoniserende Stralen Practicum | ISP
2
Inhoud
1 Soorten ioniserende straling2 Radioactief verval3 Effecten van ioniserende straling4 Medische beeldvorming5 Kernsplijting en kernfusie6 Kernenergie
ISP | VWO
3
1 Soorten ioniserende straling
• Atoombouw • Röntgenbuis• Röntgenstraling• Kernstraling• Ioniserend vermogen• Doordringend vermogen• Bronnen• Detectie
ISP | VWO
4
Atoombouw
• kern (protonen en neutronen) en elektronenwolk (elektronen in schillen)
• atoomnummer Z: aantal protonen in de kern
• massagetal A: aantal nucleonen(of kerndeeltjes: protonen en neutronen)
• notatie: • isotopen: hetzelfde aantal protonen (Z) in de kern
(dus: hetzelfde element X), maar verschillend aantal neutronen (N) in de kern en dus verschillend massagetal (A = Z + N)
AZ X
ISP | VWO
5
Röntgenbuis
• door verhitting kathode K komen elektronen vrij• elektronen worden versneld door spanning UAK
• elektronen botsen tegen anode A• interactie met atomen van anodemateriaal geeft
röntgenstraling
ISP | VWO
6
Röntgenstraling
• bij interactie met atomen van het anodemateriaal worden elektronen afgeremd of veranderen van richting en zenden fotonen uit – remstraling
• sommige elektronen schieten een elektron weg uit één van de binnenschillen van het atoom, waarna het gat wordt opgevuld door een elektron uit een hogere schil – karakteristieke röntgenstraling
• fotonenergie:
ISP | VWO
7
Kernstraling
• instabiele kern verandert in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling
• α-straling: heliumkernen ( ) • β-straling: elektronen ( ) – ontstaat doordat een
neutron in de atoomkern vervalt tot een proton en een elektron
• γ-straling: fotonen – ontstaat doordat de atoomkern vanuit een aangeslagen toestand terugvalt naar de grondtoestand
42He
0-1e
ISP | VWO
8
Ioniserend vermogen
• bij doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen
• stralingsdeeltje (α,β) of foton (röntgen,γ) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie
ISP | VWO
9
Doordringend vermogen
• α- en β-straling: dracht • dracht R: afstand waarover het stralingsdeeltje al zijn
energie heeft afgegeven aan het materiaal – hangt af van de soort straling, de energie van het stralings-deeltje en de dichtheid van het materiaal
ISP | VWO
10
Doordringend vermogen
• röntgen- en γ-straling: halveringsdikte • halveringsdikte d1/2: afstand waarover een materiaal
de helft van de invallende fotonen heeft geabsor-beerd – hangt af van de fotonenergie en de dichtheid van het materiaal
• de intensiteit Id van de doorgelaten straling neemt exponentieel af met de dikte d van het materiaal:
• de doorlaatkromme geeft Id als functie van d
ISP | VWO
11
Ioniserend en doordringend vermogen
soort straling ioniserend vermogen
doordringend vermogen
• α-straling groot klein• β-straling matig matig• röntgenstraling klein groot• γ-straling klein groot
ISP | VWO
12
Bronnen
natuurlijke stralingsbronnen: achtergrondstraling• kosmos• bodem, water en lucht > voedsel en bouwmaterialen
kunstmatige stralingsbronnen• medische toepassingen: diagnose en therapie• kernreactoren, opslagplaatsen van radioactief afval• deeltjesversnellers• consumentenproducten zoals rookmelders• fall-out door nucleaire rampen en kernbomproeven
ISP | VWO
13
DetectieGeiger-Müller telbuis
• gasgevulde metalen cilinder (kathode) met op de cilinderas een metalen draad (anode)
• spanning van 1 kV• vooral gevoelig voor β-
deeltjes• deeltje veroorzaakt ionisatie
van één of meer gasatomen• vrijgemaakte elektronen versnellen naar anode en
ioniseren daarbij meer gasatomen: er ontstaat een lawine van elektronen die een spanningspuls levert
• elektronische teller telt het aantal pulsen
ISP | VWO
14
DetectieBellenvat
• vat met doorzichtige vloeistof• temperatuur vloeistof vlak onder kookpunt• invallende straling zorgt voor
ionisaties • door drukverlaging gaat de
vloeistof spontaan koken: rondde ionen vormen zich damp-bellen
• banen van de deeltjes zijn zichtbaar als bellenspoor• gekromde banen onder invloed van magnetisch veld• meestal wordt een foto van het bellenspoor gemaaktISP | VWO
15
DetectieDradenkamer
• een rij dicht op elkaar liggende anode-draden is gespannen tussen twee kathode-platen
• invallende straling zorgt voor ionisaties• de draden detecteren de door ionisatie vrijgekomen
elektronen• een computerprogramma
berekent het ionisatiespoor
deeltje
anode-draden
kathode-platen
ISP | VWO
16
DetectieDosismeter
• bevat materiaal dat de energievan de invallende straling absorbeert
• vroeger een fotografische film – na ontwikkelen bepaalt de zwarting de dosis
• tegenwoordig thermoluminescentie – straling brengt atomen in aangeslagen toestand, na verhitting komt energie vrij in de vorm van licht: de lichtintensiteit bepaalt de dosis.
• uitvoering als badge
ISP | VWO
17
2 Radioactief verval
• Halveringstijd• Activiteit• Vervalvergelijking
ISP | VWO
18
Halveringstijd
• bij radioactief verval verandert een instabiele kern in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling
• de halveringstijd t1/2 is de tijd waarin de helft van het aanwezige aantal instabiele kernen vervalt
• het aantal aanwezige instabiele kernen Nt neemt exponentieel af in de loop van de tijd t:
• vervalconstante:
ISP | VWO
19
Activiteit
• de activiteit A is het aantal vervallende kernen per seconde:
• eenheid: becquerel (Bq)• de activiteit At neemt expo-
nentieel af in de loop van de tijd t:
• de vervalkromme geeft Atals functie van t
ISP | VWO
20
Vervalvergelijking
• α-verval:
• het α-deeltje is een heliumkern• behoudsprincipes:
massagetal: A = (A – 4) + 4atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2
A AZ Z
-4 4-2 2X Y + He
AZX
A-4Z-2 Y
He42
ISP | VWO
21
Vervalvergelijking
• β–-verval:
• het β–-deeltje is een elektron • behoudsprincipes:
massagetal: A = A + 0atoomnummer: Z = (Z + 1) – 1
• bij β–-verval vervalt een neutron in de kern tot een proton en een elektron:
• het elektron wordt door de kern uitgestoten
A AZ Z
0+1 -1X Y + e
1 1 00 1 -1n p + e
AZX
AZ+1Y
β-
0-1e (β - deeltje)
ISP | VWO
22
Vervalvergelijking
• β+-verval:
• het β+-deeltje is een positron: het antideeltje van het elektron
• behoudsprincipes:massagetal: A = A + 0atoomnummer: Z = (Z – 1) + 1
• bij β+-verval vervalt een proton in de kern tot een neutron en een positron:
• het positron wordt door de kern uitgestoten
A AZ Z -
01 1X Y + e
1 1 01 0 1p n+ e
AZX
AZ-1Y
β+
ISP | VWO
23
Vervalvergelijking
• γ-verval:
• het γ-deeltje is een foton • na α- of β-verval bezit de kern vaak nog teveel
energie: de kern bevindt zich in een aangeslagen toestand (aangegeven door de letter m achter het massagetal)
• de kern raakt deze energie kwijt door het uitzenden van een γ-foton
• γ-straling wordt dus uitgezonden in combinatie met α- of β-straling
A AZ Z
m Y Y +γ
AmZY
AZY
γ
ISP | VWO
24
Vervalvergelijking
• K-vangst:
• de kern trekt een elektron uit de K-schil de kern in • daar combineert het ‘ingevangen’ elektron met een
proton tot een neutron:
• het ‘gat’ in de K-schil wordt gevuld door een elektron uit de L- of M-schil onder uitzenden van een röntgen-foton
A AZ Z -
0-1 1X + e Y
1 0 11 -1 0p + e n
ISP | VWO
25
3 Effecten van ioniserende straling
• Bron – straling – ontvanger• Bestraling en besmetting• Dosis en equivalente dosis• Beschermingsmaatregelen• Afwegen van risico’s
ISP | VWO
26
Bron – straling – ontvanger
ioniserendestralingbron ontvanger
besmetting
radioactiviteit bestraling
radioactieve stofradioactief vervalactiviteithalveringstijd
soorten stralingioniserend vermogendoordringend vermogen
dosisequivalente dosisabsorptiehalveringsdikte
• schema:
ISP | VWO
27
Bestraling en besmetting
• bij bestraling absorbeert een ontvanger straling ‘van buitenaf’: uitwendige bestraling
• bij besmetting heeft een ontvanger zelf radioactieve stoffen binnengekregen (op of in het lichaam) en ontvangt daardoor straling ‘van binnenuit’: inwendige bestraling
ioniserendestralingbron ontvanger
besmetting
radioactiviteit bestralingISP | VWO
28
Dosis en dosisequivalent
• de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal:
• eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg)• de equivalente dosis H is de dosis, gecorrigeerd voor
het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling:
• eenheid: sievert (Sv)• weegfactor: wR,α = 20 en wR,β,γ,rö = 1
ISP | VWO
29
Beschermingsmaatregelen
• de jaarlijkse equivalente dosis van zo’n 2 mSv als gevolg van de natuurlijke achtergrondstraling is onontkoombaar
• de ontvangen extra dosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven
• er zijn drie mogelijkheden om het stralingsrisico voor stralingswerkers te beperken:• verkorten van de tijd dat de stralingswerker met de bron bezig is• afscherming van de bron• vergroten van de afstand tot de bron
ISP | VWO
30
Afwegen van risico’s
• toepassingen moeten gerechtvaardigd zijn• de ontvangen stralingsdosis moet zo laag mogelijk
zijn en onder de dosislimiet blijven• bij medisch diagnostische stralingstoepassingen
steeds nagaan of er alternatieven zijn (zoals MRI of echoscopie)
• voor medisch therapeutische stralingstoepassingen (bestraling) geldt een andere afweging: het risico van niet behandelen tegenover het risico van de stralingsdosis
• deze stralingsdosis valt niet onder de dosislimiet
ISP | VWO
31
4 Medische beeldvorming
• Beeldvormingstechnieken• Stralingsdosis
ISP | VWO
32
Beeldvormingstechnieken
• ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek
(tracer, PET)• geluidsgolven
echografie• radiogolven
magnetic resonance imaging (MRI)
absorptie en transmissie van röntgenstralinguitzenden van γ-straling door tracer bij radioactief verval; annihilatie en terugkaatsen van ultrasone geluidsgolvenuitzenden van radiogolven door waterstofkernen in een magnetisch veld
ISP | VWO
33
Stralingsdosis
• ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek• geluidsgolven
echografie• radiogolven
magnetic resonance imaging (MRI)
klein 0,1 mSvgroot 10 mSvmatig 5 mSv
geen
geen
ISP | VWO
34
5 Kernsplijting en kernfusie
• Bindingsenergie en massadefect• Bindingsenergie per nucleon• Energie bij kernsplijting en kernfusie
ISP | VWO
35
Bindingsenergie en massadefect
• de energie die nodig is voor het afbreken van de atoomkern tot ‘losse’ nucleonen (protonen en neutronen) – en dus de energie die vrijkomt bij het opbouwen van die kern uit ‘losse’ nucleonen – is de bindings-energie Eb
• de totale massa van de ‘losse’ nucleonen is groter dan de massa van de kern
• het verschil in massa is het massadefect Δm
• volgens de equivalentie van massa en energie (E = m·c2) geldt:
Eb
ISP | VWO
36
Bindingsenergie per nucleon
• de bindingsenergie Eb gedeeld door het massagetal A is de bindingsenergie per nucleon: Eb/A
• de bindingsenergie pernucleon hangt af vanhet massagetal – en isdus per elementverschillend
• bij fusie van twee lichtekernen en bij splijting van een zware kern komtbindingsenergie vrij
fusie
splijting
ISP | VWO
37
Energie bij kernsplijting en kernfusie
• de vrijkomende energie bij kernsplijting of kernfusie is gelijk aan het verschil in bindingsenergie van de kernen voor en na de reactie
• de vrijkomende energie is te berekenen uit het massadefect: het verschil tussen de som van de kernmassa’s voor en na de reactie
• de kernmassa m is te berekenen uit de atoommassa (gecorrigeerd voor de aanwezige elektronen) en de atomaire massa-eenheid u
ISP | VWO
38
6 Kernenergie
• Kernsplijting• Kettingreactie• Kernreactor• Splijtstofstaven• Moderator• Regelstaven• Splijtstofcyclus• Kernafval• Veiligheidsaspecten• Milieuaspecten
ISP | VWO
39
Kernsplijting
• bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten
• een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235:
• bij deze splijtingsreactie is sprake van een massa-defect: er komt energie vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten
• de splijtingsproducten zijn instabiel en vervallen onder uitzenden van α-, β- en/of γ-straling
235 1 144 89 192 0 56 36 0
235 1 140 94 192 0 54 38 0
U + n Ba + K r +3 nU + n Xe + Sr +2 n
ISP | VWO
40
Kettingreactie
• bij de splijting van U-235 ontstaan twee of drie vrije neutronen
• deze vrije neutronen kunnen op hun beurt weer nieuwe uraniumkernen splijten: zo ontstaat een kettingreactie.
ISP | VWO
41
Kernreactor
• in een kernreactor is sprake van een gecontroleerde kettingreactie van kernsplijtingen om energie vrij te maken: elke kernsplijting veroorzaakt één volgende kernsplijting
• de energie wordt gebruikt om stoom te maken• de stoom drijft een turbine/
generator-combinatie aan • de kerncentrale levert elek-
trische energie
ISP | VWO
42
Splijtstofstaven
• in de kernreactor zit de splijtstof (U-235) in splijtstof-staven
• natuurlijk uranium bestaat vooral uit U-238 en slechts voor 0,7% uit het splijtbare U-235
• voor het kernsplijtingsproces is verrijkt uranium met 3 tot 5% U-235 nodig
• uit het U-238 in de splijtstofstaven ontstaat plutonium (Pu-239) door absorptie van neutronen:
238 1 239 092 0 94 -1U + n Pu+2 e
ISP | VWO
43
Moderator
• voor splijting van een uraniumkern is een langzaam neutron nodig
• de neutronen die ontstaan bij splijting van een uraniumkern zijn hoog energetisch
• om deze neutronen zodanig af te remmen dat ze een nieuwe uraniumkern kunnen splijten – en zo de kettingreactie in stand kunnen houden – is een moderator nodig
• in een kerncentrale is de moderator meestal water
ISP | VWO
44
Regelstaven
• de kettingreactie van kernsplijtingen wordt onder controle gehouden met regelstaven
• deze regelstaven bestaan uit een materiaal dat neutronen absorbeert zonder dat er verdere reacties optreden: boor of cadmium
• in een kritische reactor veroorzaakt precies één van de bij splijting vrijkomende neutronen een nieuwe splijtingsreactie
• de kernreactor levert dan een constant vermogen
ISP | VWO
45
Splijtstofcyclus
• schema:
uranium-winning
uranium-verrijking
productiesplijtstofstaven
kerncentrale
opwerkingsplijtstofstaven
radioactiefafval
ISP | VWO
46
Kernafval
• in een kerncentrale, maar ook in ziekenhuizen en onderzoekscentra wordt kernafval geproduceerd
• laag- en middelradioactief afval zoals kleding, papier, water- en luchtfilters wordt in Nederland boven-gronds opgeslagen bij de COVRA
• hoogradioactief kernsplijtingsafval gaat vanuit Nederland naar Frankrijk voor opwerking
• bij opwerking wordt het overgebleven uranium en het gevormde plutonium uit het kernsplijtingsafval gehaald voor hergebruik als splijtstof
ISP | VWO
47
Veiligheidsaspecten
• in een Nederlandse kerncentrale wordt zorgvuldig gelet op de veiligheid door:• ontwerp van de centrale met veiligheidsomhulling• correct onderhoud van de centrale• regels en procedures bij het werken met de centrale• toezicht van de overheid op naleving van de regels
ISP | VWO
48
Milieuaspecten
• bij normaal functioneren levert een kerncentrale een extra stralingsdosis van niet meer dan 10 μSv per jaar per persoon
• een kerncentrale van 1000 MW verbruikt per dag 3,2 kg uranium, een kolencentrale heeft voor eenzelfde energieproductie 10.600 ton steenkool nodig
• de voorraden splijtstof (uranium) en fossiele brand-stof (aardgas, aardolie en steenkool) zijn eindig
• een thermische centrale (op fossiele brandstof) draagt bij aan versterking van het broeikaseffect, een kerncentrale levert hoogradioactief kernsplijtings-afval
ISP | VWO
49ISP | VWO
Informatie
• onder achtergrondinformatie op het leerlingendeel van deze website staat aanvullende informatie over onder andere de eigenschappen, de effecten en de toepassingen van ioniserende straling