Radioactiviteit - Stralingsgevaar (V)

• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4

Radioactiviteit

Stralingsgevaar (V)

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

The Demon Core

"Tickling the dragon's tail"

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Hoofdstuk Radioactiviteit

Radioactiviteit - Stralingsgevaar

Radioactiviteit - De bouw van atomen
Radioactiviteit - Kernverval
Radioactiviteit - Halveringstijd
Radioactiviteit - Activiteit

Radioactiviteit - Medische beeldvorming

Radioactiviteit - Halveringsdikte & logaritmisch rekenen

Leerdoelen

Aan het eind van de les kun je...

...

Stralingsgevaar

Het gevaar van radioactieve bronnen is de ioniserende werking die de het teweegbrengt. Dit is wanneer straling genoeg kinetische energie (hoge snelheid) heeft om een elektron uit een baan om een atoom te duwen. Daardoor wordt het atoom geïoniseerd, vandaar de term ioniserende straling. 

De term ‘radioactief’ betekent letterlijk ‘actief straling uitzendend’. Straling zelf is niet radioactief, het is hetgene wat uitgezonden wordt. Straling is wel ioniserend. 

De stof zelf is wel radioactief, want het zendt straling uit. Het woord "radio" is aan activiteit toegevoegd door journalisten om het wat makkelijker aan de lezers uit te leggen in het begin van de vorige eeuw.

In grote biologische structuren, zoals DNA, kan het verlies van elektronen instabiliteit van de structuur tot gevolg hebben. Hierdoor werken cellen niet correct en kan dit zelfs in ernstige gevallen lijden tot kanker.

Ioniserend vermogen

Om de elektronen te kunnen bereiken, moet de straling wel een groot ioniserende vermogen hebben. 

Alfastraling, met zijn grote massa en lading heeft het grootste ioniserende vermogen. 

Gammastraling heeft vergeleken met alfa-straling een lager ioniserend vermogen, en het vermogen van beta-straling zit beide stralingen in.

Röntgenstraling is een vorm van gamma-straling, met een lagere energie.

Schade door straling

Op twee manieren kan je schade ondervinden door straling; bestraling en besmetting.

We spreken over bestraling wanneer de radioactieve bron zich buiten het lichaam bevindt, en het lichaam hier schade aan ondervindt. De straling zelf is niet radioactief. Je kan er ook van weglopen, hierdoor verzwakt de straling.

We spreken van besmetting wanneer de radioactieve bron in het lichaam terecht komt. Je kan er dus niet van weglopen. Besmetting is daarom over het algemeen gevaarlijker dan bestraling!

Energie en stralingsdosis

De totale stralingsenergie is gelijk aan de energie van een kern maal de totale hoeveelheid vervallen kernen.

waarin:

E_straling = totale stralingsenergie (J)

ΔN          = aantal vervallen kernen (kernen)

E_deeltje  = energie per kern (J/kern)

De stralingsenergie per deeltje is voor veel isotopen te vinden in BINAS T25. In de laatste kolom staat de soort straling met de energie van de straling.

LET OP: dit wordt weergegeven in de eenheid MeV, dat staat voor mega-elektronvolt. De elektronvolt (eV) is gelijk aan: 1 eV = 1,602·10^-19 J, zie BINAS T5 onder de naam "elektronvolt (energie)". Dus is 1 MeV gelijk aan 1,602·10^-19 ·10⁶ = 

 1,602·10^-13 J.

We kunnen de stralingsdosis ook berekenen. Deze is afhankelijk van de energie van de straling en de massa van het lichaamsdeel.

waarin:

D            = stralingsdosis (Gy)

E_straling = totale stralingsenergie (J)

m            = massa (kg)

D=​m​​E​straling​​​​

E​straling​​=ΔN⋅E​deeltje​​

Equivalente dosis

Met deze stralingsdosis kunnen we de equivalente dosis uitrekenen, die een beter beeld geeft van de hoeveelheid straling die een persoon ontvangen heeft. 

Alfastraling heeft een hoog ioniserend vermogen en is daardoor 20x schadelijker dan beta- en gammastraling. De totale dosis per afzonderlijke straling is weergegeven in de formule:

waarin:

H    = equivalente dosis (Sv) 

w_R = stralingsweegfactor (-)

D    = stralingsdosis (Gy)

De factor w_R is de zogenaamde stralingsweegfactor. Deze factor is gelijk aan 1 voor gamma- en betastraling en gelijk aan 20 voor alfastraling. Al deze factoren zijn te vinden in BINAS T27D3.

Voor veiligheid zijn er stralingsbeschermingsnormen opgesteld. Dit is de maximale effectieve dosis in millisievert per jaar die is toegestaan. Deze normen zijn te vinden in BINAS T27D2.  

H=w​R​​D

Kwadratenwet

Een radioactieve bron zendt straling uit, waarvan de intensiteit op een steeds langere afstand van de bron divergeert (uitspreidt). Dan neemt de intensiteit van deze straling af met de zogenaamde kwadratenwet. De eenheid van de intensiteit is hier watt per vierkante meter. Dit staat dus voor de hoeveelheid joule die per seconde (watt = joule per seconde) op een vierkante meter valt op een bepaalde afstand r van de bron.

waarin:

I          = intensiteit (W/m²)

P_bron = stralingsvermogen (W)

r          = straal vanaf het centrum van de bron (m)

In de onderstaande afbeelding is goed te zien waarom de intensiteit van een divergerende bron (S ) afneemt met afstand. Hoe verder de straling komt, over hoe groter gebied de straling verdeeld wordt. De oppervlakte A is op elke verschillende afstand even groot.

I=​4πr​2​​​​P​bron​​​​

Dracht

Niet alleen het ioniserende vermogen van straling is gevaarlijk, maar ook het doordringend vermogen.

Elk type straling heeft een ander doordringend vermogen door stoffen heen. De afstand die straling kan afleggen/doordringen door een stof wordt de dracht genoemd.

Alfastraling dringt niet ver in stoffen door, vanwege de relatief grote massa. Zelfs door lucht kan alfastraling slechts enkele centimeters bewegen. Ook een vel papier kan al alfastraling tegenhouden.

Bètastraling dringt beter door en kan met een stuk aluminium worden tegengehouden.

Gammastraling kan door vele materialen doordringen, en vele lagen lood kunnen gammastraling voldoende tegenhouden. Hoeveel straling er door welke stof tegengehouden kan worden, wordt besproken in de laatste paragraaf "Halveringsdikte & Logaritmisch rekenen".

Badge / Dosimeter

Een badge of dosimeter is een klein meetinstrument dat mensen opgespeld krijgen op plekken waar met radioactief materiaal gewerkt wordt. Een badge maakt gebruik van het feit dat elk type straling een ander doordringend vermogen heeft. 

In de afbeelding hiernaast zien we een doorsnede van de badge. Het linker deel van de badge laat alle soorten straling door. Het middelste deel laat bèta- en gammastraling door en het rechter deel alleen gammastraling.

De straling die doorgelaten wordt komt dan tegen een film aan die verkleurt afhankelijk van de hoeveelheid straling. Door de verkleuring op de drie plekken te vergelijken kan je van elk type straling achterhalen aan hoeveel straling de badge (en dus de persoon die het draagt) heeft blootgestaan. 

Geigerteller

Een andere manier om ioniserende straling te meten is met een zogenaamde Geigerteller. Dit apparaat bestaat uit een buis met daarin een gas. Als ioniserende straling het gas binnenkomt, dan worden een aantal atomen van het gas geïoniseerd (verliezen een elektron). 

De vrijgemaakte elektronen zorgen dan voor een kleine stroom en deze stroom zorgt in een luidspreker voor een hoorbaar piepje. Hoe meer piepjes je hoort, hoe meer straling er in de buurt is.

Opgaven

Opgave 1

Wat wordt er bedoeld met het ioniserend vermogen van straling.

Opgave 2

Leg uit hoe je met een badge van elk type straling de hoeveelheid bestraling kan meten. Gebruik in je antwoord het begrip doordringend vermogen.

Opgave 3

Leg uit hoe een geigerteller werkt.

Opgave 4

Wat is het verschil tussen besmetting of bestraling.

Opgave 5

Schrijf op hoe je joule (J) kan omrekenen naar elektronvolt (eV) en mega-elektronvolt (MeV).

Opgave 6

Een werknemer heeft in een jaar 600 uur in een opslaghal gewerkt waar met radioactief materiaal wordt gewerkt. Daarbij heeft zijn gehele lichaam een gemiddeld dosis van 7,5·10^-7 Gy per uur aan alfastraling ontvangen. Ga na of voor deze werknemer de stralingsbeschermingsnorm is overschreden.

Opgaven

Opgave 7

Een persoon met een massa van 85 kg werkt in een kerncentrale waarin zijn hele lichaam is blootgesteld aan straling afkomstig van U-235. Hoeveel deeltjes mag deze werknemer per jaar ontvangen voordat de stralingsnormen overschreden worden.

Opgave 8

Per splijting van een uranium-235-kern in een kerncentrale komt gemiddeld een hoeveelheid energie vrij van 190 MeV. Deze energie wordt met een rendement van 35% omgezet in elektrische energie. In één jaar vinden 2,93·10²⁷ splijtingen in de kerncentrale plaats. 

Bereken het gemiddeld elektrisch vermogen in gigawatt dat de kerncentrale levert in dat jaar.

Opgave 9

In een mijn is radon-222 aanwezig. De activiteit van het Rn-222 in de mijn bedraagt 65 Bq per liter lucht. De α-straling wordt vooral door het longweefsel geabsor-beerd. In de longen van een bepaald persoon bevindt zich 6,0 liter lucht. Als gevolg van het verval van één Rn-222-kern absorbeert het longweefsel 3,1·10^-12 J stralingsenergie. Per uur absorbeert het longweefsel hierdoor 4,4·10^-6 J stralingsenergie.

a. Toon met een berekening aan dat het longweefsel per uur de genoemde hoeveelheid stralingsenergie absorbeert.

b. Iemand verblijft tijdens zijn therapie 32 uur in de mijn. De massa van zijn longen is 9,5·10² g. Bereken de equivalente dosis die zijn longen hierdoor ontvangen.