Ioniserende straling (Natuurkunde vwo), les 1: Uitleg
Sporen van β-deeltjes in een nevelkamer (foto: Nuledo, CC BY-SA 4.0)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Ioniserende straling
Examenstof natuurkunde vwo
Lesduur is: 45 minIntroductie
Onderdelen in deze les
Sporen van β-deeltjes in een nevelkamer (foto: Nuledo, CC BY-SA 4.0)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Ioniserende straling
Examenstof natuurkunde vwo
Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: B2.1, B2.2 (zonder activiteit en halveringstijd). Image credit: Nuledo / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Wat ga je kunnen?
Ik kan soorten ioniserende straling benoemen, een kernreactie opstellen en rekenen met fotonenergie en (equivalente) dosis.
Deze slide heeft geen instructies
Wat weet je al over straling en radioactiviteit?
Verwacht: röntgenfoto, kernramp, zon, magnetron, uranium, α β γ, geigerteller, kankerrisico. Sorteer de woorden na afloop in drie groepen: soorten straling, effecten op mensen, bescherming. Die drie groepen zijn de drie delen van de les. Syllabus B2.1 en B2.2.
Pekblende, een uraniumerts (foto: Geomartin, CC BY-SA 3.0)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Straling uitzenden en opnemen
Een elektromagnetische golf plant zich in vacuüm voort met de lichtsnelheid c.
Emissie: een stralingsbron zendt straling uit, zoals een radioactieve bron.
Absorptie: een stof neemt straling op en krijgt de stralingsenergie.
Uitzenden en opnemen gebeurt per foton: een pakketje energie.
Syllabus B2.1: uitzending, voortplanting en opname van elektromagnetische straling; vakbegrippen absorptie, emissie, elektromagnetische golf, foton. Pekblende (uraniumerts) is een natuurlijke stralingsbron: het zendt zelf straling uit. Kijkvraag: waar vindt hier emissie plaats en waar zou absorptie plaatsvinden als je er een meter bij houdt? Veelgemaakte fouten: denken dat elektromagnetische straling een stof nodig heeft om zich voort te planten, zoals geluid, en denken dat alle straling schadelijk is. Image credit: Geomartin / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Fotonenergie en golflengte
E = h·f: de energie van één foton in J, met f in Hz en h de constante van Planck.
c = f·λ: in vacuüm hoort bij een kleinere golflengte λ een grotere f, dus een grotere E.
Samen geeft dat E = h·c/λ. Fotonenergie geef je vaak in eV: 1 eV = 1,602·10⁻¹⁹ J.
Zet eV, keV, nm en MHz eerst om naar J, m en Hz. De constanten staan in je informatieboek.
Syllabus B2: formules Ef = hf en c = fλ (staan in je informatieboek: Binas of ScienceData); de eenheid eV staat in bijlage 2. Voorbeeld: een foton van 2,0 eV heeft E = 2,0 · 1,602·10⁻¹⁹ = 3,2·10⁻¹⁹ J. Veelgemaakte fouten: vergeten van eV of keV naar J om te rekenen, nm niet omzetten naar m, en f met λ verwisselen.
Botscan met een γ-stralende tracer (foto: James Heilman, MD, CC BY-SA 4.0)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Röntgen- en γ-fotonen
Ioniserend vermogen: straling die elektronen uit atomen losmaakt, zodat ionen ontstaan.
Radiogolven, infrarood en zichtbaar licht hebben daarvoor te weinig energie per foton.
Röntgenstraling en γ-straling zijn fotonen met genoeg energie om wel te ioniseren.
γ-fotonen komen uit de kern, röntgenfotonen uit de elektronenwolk of van afgeremde elektronen.
Syllabus B2.1 en B2.2: vakbegrippen ioniserend vermogen en röntgenstraling; context nucleaire diagnostische geneeskunde. Op een botscan krijgt de patiënt een tracer die γ-straling uitzendt; een gammacamera registreert die fotonen. De werking van de technieken komt in medische beeldvorming aan bod, hier gaat het om de straling zelf. Kijkvraag: waarom is de straling van de tracer ioniserend en die van een radiozender niet? Veelgemaakte fout: denken dat röntgen- en γ-straling een ander soort golf zijn dan licht. Image credit: James Heilman, MD / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Waarom is een röntgenfoton wel ioniserend en een radiofoton niet?
Een röntgenfoton heeft een grotere snelheid in vacuüm
Een röntgenfoton heeft een grotere golflengte
Een radiofoton wordt altijd volledig geabsorbeerd
Een röntgenfoton heeft veel meer energie per foton
Fotonenergie E = h·f: röntgen heeft een veel hogere frequentie en dus veel meer energie per foton. In vacuüm gaan alle fotonen even snel (c). Verwachte fout: kiezen voor de snelheid. Syllabus B2.1.
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Kern, isotoop en massagetal
Een kern bestaat uit protonen (aantal Z) en neutronen (aantal N). Het massagetal is A = N + Z.
Een isotoop heeft hetzelfde Z maar een ander aantal neutronen, dus een ander A (I-127, I-131).
Massa's van kernen en deeltjes geef je in atomaire massaeenheden (u); 1 u staat in je informatieboek.
Een instabiele kern is een stralingsbron: bij radioactief verval zendt hij straling uit.
Syllabus B2.2: vakbegrippen stralingsbron, radioactief verval, isotoop, kern, proton, neutron, elektron, atomaire massaeenheid; formule A = N + Z. Het element lees je af uit Z (atoomnummer) in je informatieboek, de leerling hoeft geen elementen te kennen. Jood-127 is stabiel, jood-131 is radioactief: hetzelfde element, andere isotoop. Veelgemaakte fouten: A en Z verwisselen en denken dat isotopen een ander element zijn. De activiteit en de halveringstijd komen in activiteit-en-halvering aan bod.
α-sporen in een nevelkamer: kort en dik (foto: Nuledo, CC BY-SA 4.0)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Soorten ioniserende straling
α-straling: een heliumkern (2 protonen, 2 neutronen), uitgezonden door een zware kern.
β⁻-straling: een elektron; in de kern verandert een neutron in een proton.
β⁺-straling: een positron: even zwaar als een elektron, maar positief; een proton wordt een neutron.
γ-straling: een foton dat een kern uitzendt om overtollige energie kwijt te raken.
Syllabus B2.2: de verschillende soorten ioniserende straling, hun ontstaan en hun eigenschappen; vakbegrippen α-, β- en γ-straling (β kan β⁺ of β⁻ zijn, dat blijkt in het examen uit de context). De nevelkamer maakt sporen van α-deeltjes zichtbaar: kort en dik, omdat ze veel ionen maken. Kijkvraag: waarom zijn de sporen zo kort? Veelgemaakte fout: denken dat een β-deeltje al in de kern zat; het ontstaat bij het verval. Image credit: Nuledo / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Eigen animatie: β⁻-verval, schematisch (niet alle 131 deeltjes getekend)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Een kernreactie opstellen
In elke kernreactie blijven de som van de massagetallen A en de som van de ladingen Z gelijk.
α: A neemt met 4 af en Z met 2. β⁻: A gelijk, Z + 1. β⁺: A gelijk, Z - 1. γ: A en Z gelijk.
Voorbeeld: I-131 (Z = 53) wordt Xe-131 (Z = 54) + e⁻. Massagetal: 131 = 131. Lading: 53 = 54 + (-1).
Het element bij Z zoek je op in je informatieboek.
Syllabus B2.2: de vergelijking van een kernreactie opstellen. In de animatie verandert één neutron in een proton, A blijft 131 en Z gaat van 53 naar 54; de kern is schematisch getekend met veel minder deeltjes dan echt. In het informatieboek staat bij β-verval ook een (anti)neutrino; dat heeft massagetal 0 en lading 0 en verandert de telling dus niet. Kijkvraag: wat gebeurt er met Z als er een elektron wordt uitgezonden? Veelgemaakte fout: de lading van het elektron vergeten, waardoor Z links en rechts niet klopt. Image credit: Eigen animatie
Co-60 (Z = 27) wordt Ni-60 (Z = 28) en een deeltje. Welk deeltje is dat?
Een positron (β⁺)
Een elektron (β⁻)
Een α-deeltje
Een γ-foton
A blijft 60, Z gaat omhoog met 1: dan is er een lading -1 uitgezonden, dus een elektron. Bij β⁺ zou Z dalen, bij α dalen A en Z en bij γ blijft Z gelijk. Syllabus B2.2.
Vul in
Isotopen hebben evenveel protonen maar een verschillend aantal neutronen, dus een ander massagetal.
Syllabus B2.2: isotoop. Verwachte fout: protonen en neutronen verwisselen.
Eigen animatie: α, β en γ maken onderweg ionen
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Ioniserend en doordringend
Ioniserend vermogen: hoeveel ionen straling onderweg maakt. α is het sterkst, γ het zwakst.
Dracht: de afstand die straling in een stof aflegt voordat ze stopt; bij α het kleinst.
Doordringend vermogen: hoe diep straling doordringt. Dat is bij α klein en bij γ groot.
Elk ion kost energie: sterk ioniserende straling stopt dus snel.
Syllabus B2.2: vakbegrippen ioniserend en doordringend vermogen, dracht. In de animatie maakt het α-deeltje veel ionen vlak achter elkaar en stopt snel, het β-deeltje maakt er minder en komt verder, het γ-foton ioniseert hooguit één keer onderweg. Een papiertje houdt α tegen, aluminium β en een dikke plaat lood γ grotendeels. Kijkvraag: welke straling stopt het eerst en waarom? Veelgemaakte fout: denken dat sterk ioniserende straling ook het meest doordringend is. Image credit: Eigen animatie
Arbeidsters met radiumverf, VS, ca. 1922 (publiek domein)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Besmetting en bestraling
Bestraling: straling van een bron buiten je lichaam treft je. Zonder bron stopt de bestraling.
Besmetting: radioactieve stof zit op of in je lichaam en blijft je van dichtbij bestralen.
Achtergrondstraling is er altijd, ook zonder bron, onder meer als kosmische straling uit de ruimte.
Daarom is α van binnen gevaarlijker dan van buiten: alle energie gaat in je weefsel zitten.
Syllabus B2.2: vakbegrippen bestraling, besmetting, achtergrondstraling, kosmische straling; de precieze oorzaken van achtergrondstraling hoeft de leerling niet te kennen. Op de foto schilderen arbeidsters wijzerplaten met radiumverf; veel van hen kregen radium binnen doordat ze hun penselen met de lippen punten. Dat is besmetting in plaats van bestraling van buiten. Kijkvraag: waarom werd de straling hier gevaarlijk voor de arbeidsters? Veelgemaakte fout: besmetting en bestraling door elkaar halen, en denken dat bestraling je zelf radioactief maakt. Image credit: Onbekende maker / Wikimedia Commons, publiek domein
Welke straling is het sterkst ioniserend?
α-straling
β⁻-straling
γ-straling
Röntgenstraling
α-deeltjes zijn zwaar en geladen, maken veel ionen per afstand en hebben daarom het sterkste ioniserende vermogen en de kleinste dracht. Verwachte fout: γ kiezen omdat die het gevaarlijkst voelt. Syllabus B2.2.
Wat is besmetting?
Straling van een bron buiten je lichaam
Straling uit de ruimte, altijd aanwezig
Radioactieve stof op of in je lichaam
Een dosis boven de stralingsnorm
Besmetting gaat over de stof zelf; bestraling over straling van buiten. Verwachte fout: bestraling kiezen. Syllabus B2.2.
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Dosis en equivalente dosis
D = E/m: de dosis in gray (Gy); E is de geabsorbeerde stralingsenergie in J en m de massa in kg.
Het soort straling bepaalt de schade ook: H = wR·D geeft de equivalente dosis in sievert (Sv).
wR is de stralingsweegfactor, zonder eenheid. Je zoekt wR op in je informatieboek: α weegt zwaarder dan β en γ.
Bij meer soorten straling tel je de bijdragen wR·D van elke soort bij elkaar op.
Reken mGy, mJ en g eerst om naar Gy, J en kg.
Syllabus B2.2: berekeningen maken met (equivalente) dosis; formules D = E/m en H = wR·D staan in de syllabus en in het informatieboek. Zowel gray als sievert is J/kg: de gray gaat over energie, de sievert houdt ook rekening met het soort straling. Voorbeeld: 20 mGy γ geeft H = 1 · 20 = 20 mSv, 20 mGy α geeft H = 20 · 20 = 400 mSv. Veelgemaakte fouten: wR vergeten, mSv en Sv verwisselen (factor 1000) en gram niet omrekenen naar kilogram.
Dosimeterbadge met clip (foto: Erereony, CC BY 4.0)
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Dosimeter en bescherming
Een dosimeter meet de dosis die iemand in een periode ontvangt, zoals een stralingswerker.
De effectieve totale lichaamsdosis (in Sv per jaar) vergelijk je met de stralingsbeschermingsnorm.
Voor werknemers geldt een hogere norm dan voor burgers; bij een vraag staat de norm erbij.
Beperk je dosis met korte tijd bij de bron, grote afstand en een afscherming.
Syllabus B2.2: vakbegrippen dosimeter, effectieve totale lichaamsdosis in relatie tot stralingsbeschermingsnormen; context stralingsbescherming. De dosislimiet voor blootgestelde werknemers ligt hoger dan die voor leden van de bevolking; de natuurlijke achtergrondstraling telt daarbij niet mee. De syllabus noemt geen getallen; een examenvraag geeft de norm. Kijkvraag: waarvoor draagt een stralingswerker zo'n badge? Veelgemaakte fout: denken dat een dosimeter de straling tegenhoudt. Image credit: Erereony / Wikimedia Commons, CC BY 4.0
Twee personen absorberen evenveel energie per kg: de een van α, de ander van γ. Wie heeft de grootste H?
De persoon met γ-straling
De persoon met α-straling
Beiden evenveel, want D is gelijk
Dat is niet te zeggen zonder de massa
H = wR·D met wR(α) = 20 en wR(γ) = 1 en dezelfde D: α geeft een 20 keer grotere H. Verwachte fout: denken dat gelijke D gelijke schade geeft. Syllabus B2.2.
Vul in
Een dosimeter meet de dosis van een werker; de eenheid van de equivalente dosis is de sievert, afgekort Sv.
Syllabus B2.2: dosimeter en eenheid van H. Verwachte fout: gray invullen: dat is de eenheid van D.
Wat vond je het lastigst?
Fotonenergie berekenen
Kernreacties opstellen
Soorten straling vergelijken
Dosis en equivalente dosis
Gebruik de uitkomst om te kiezen waar je in de examentraining mee begint.
Wanneer is α gevaarlijker dan γ, en wanneer niet?
Een goed antwoord: α is gevaarlijker als de bron in of op je lichaam zit (besmetting), omdat alle energie op korte afstand in je weefsel gaat en wR groot is. Van buiten komt α niet door je huid en is γ gevaarlijker door het doordringend vermogen. Syllabus B2.2.
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Begrippen (1/2)
foton: Een pakketje stralingsenergie met E = h·f.
isotoop: Kern met hetzelfde Z maar een ander aantal neutronen.
radioactief verval: Een instabiele kern zendt straling uit en wordt een andere kern.
α-, β- en γ-straling: Heliumkern, elektron of positron, en foton uit de kern.
ioniserend vermogen: Hoe sterk straling elektronen uit atomen losmaakt.
Deze slide heeft geen instructies
EXAMENSTOF · B2 · IONISERENDE STRALING
Begrippen (2/2)
doordringend vermogen: Hoe diep straling in of door een stof komt.
dracht: De afstand die straling in een stof aflegt voordat ze stopt.
besmetting en bestraling: Stof op of in je lichaam, tegenover straling van buiten.
achtergrondstraling: Straling die er altijd is, ook zonder bron, zoals kosmische straling.
equivalente dosis: H = wR·D in sievert: dosis met het soort straling meegerekend.
Deze slide heeft geen instructies
