Straling en radioactiviteit (Natuurkunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introductie

Uitleg over uitzenden en opnemen van elektromagnetische straling, het spectrum, fotonenergie E = h·f, isotopen, α-, β- en γ-straling, vervalvergelijkingen, ioniserend en doordringend vermogen, bestraling en besmetting en stralingsbescherming. Met woordweb, zes controlevragen, twee animaties, een poll en een open vraag. Activiteit, dosis en halveringstijd staan in de les Halveringstijd en dosis.

Geigerteller (foto: TimVickers, publiek domein)

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Straling en radioactiviteit

Examenstof natuurkunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: B2.1, B2.2 (zonder activiteit, dosis en halveringstijd). Image credit: TimVickers / Wikimedia Commons, publiek domein

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Wat ga je kunnen?

Ik kan de soorten straling beschrijven, fotonenergie berekenen en een vervalvergelijking opstellen.

Wat komt er bij jou op bij het woord straling?

Verwacht: zon, röntgenfoto, magnetron, gsm, radioactief, kernramp, UV. Sorteer de woorden na afloop in twee groepen: gevaarlijk voor je cellen (ioniserend) en onschuldig. Daar gaat de les over. Syllabus B2.1 en B2.2.

Radiotelescoop vangt radiogolven op, Westerbork 2010 (R. Spekking, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Straling uitzenden en opnemen

• Een elektromagnetische golf plant zich in vacuüm voort met de lichtsnelheid, c ≈ 3,0·10⁸ m/s.

• Emissie: een stralingsbron zendt straling uit, zoals een warm voorwerp infrarood.

• Absorptie: een stof neemt straling op. De energie wordt bijvoorbeeld warmte.

• Uitzenden en opnemen gaat in fotonen: kleine pakketjes stralingsenergie.

Syllabus B2.1: uitzending, voortplanting en opname van elektromagnetische straling; vakbegrippen absorptie, emissie, elektromagnetische golf, foton. De schotels van de radiotelescoop bij Westerbork vangen radiogolven uit de ruimte op: absorptie. Sterren en gaswolken zenden die golven uit: emissie. Kijkvraag: waar is hier de stralingsbron en waar wordt de straling opgenomen? Veelgemaakte fout: denken dat licht en radiogolven een stof nodig hebben om zich voort te planten, zoals geluid. Image credit: Raimond Spekking / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Eigen figuur: het elektromagnetisch spectrum

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Elektromagnetisch spectrum

• Van lage naar hoge frequentie: radiogolven, microgolven, infrarood, licht, UV, röntgen en γ.

• Infrarood voel je als warmte; microgolven warmen het water in weefsel op.

• UV kan de huid verbranden en huidkanker veroorzaken; met zichtbaar licht zie je.

• Röntgen- en γ-straling kunnen cellen en DNA beschadigen.

Syllabus B2.1: de onderdelen van het elektromagnetisch spectrum en hun effecten op het menselijk lichaam (gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet, zichtbaar licht, infrarood, radiogolven, microgolven). De volgorde is het belangrijkste: laat leerlingen de rij van onder naar boven opzeggen. Elke soort is dezelfde soort golf, alleen met een andere frequentie. Veelgemaakte fout: denken dat radiogolven en microgolven schadelijk zijn zoals röntgenstraling. Image credit: LessonUp, eigen figuur

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Fotonenergie: E = h·f

• E = h·f: de energie van één foton in J, met f in Hz en h = 6,626·10⁻³⁴ J·s (informatieboek).

• c = f·λ: in vacuüm geldt dat hoe korter de golflengte λ, hoe groter f en dus E.

• In eV reken je met 1 eV = 1,602·10⁻¹⁹ J: deel een energie in J door 1,602·10⁻¹⁹.

• Een radiofoton heeft een kleine energie, een röntgenfoton een grote.

Syllabus B2.1 en de formules Ef = hf en c = fλ bij B2; de eenheid eV bij B2.2. De formules en constanten staan in je informatieboek (Binas of ScienceData); je moet ze kunnen kiezen en toepassen. Voorbeeld: f = 1,0·10⁸ Hz geeft E = 6,6·10⁻²⁶ J, onvoorstelbaar klein. Veelgemaakte fout: vergeten van J naar eV om te rekenen, of nm niet omzetten naar m.

Laagste energie eerst

1

Radiogolven

2

Ultraviolet

3

Infrarood

4

Zichtbaar licht

5

Röntgenstraling

Zet de foton-energie van klein naar groot. Hogere frequentie geeft meer energie per foton, dus de volgorde van het spectrum van lage naar hoge frequentie. Verwachte fout: UV en zichtbaar licht verwisselen.

Vul in

Bij emissie zendt een bron straling uit en bij absorptie neemt een stof straling op.

emissie

absorptie

ionisatie

besmetting

Syllabus B2.1: vakbegrippen emissie en absorptie. Verwachte fout: de twee begrippen omdraaien.

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Kern, isotoop en massagetal

• Een kern bestaat uit protonen (positief) en neutronen (neutraal); eromheen zitten elektronen.

• Z is het aantal protonen, N het aantal neutronen en A = N + Z het massagetal.

• Isotopen hebben hetzelfde aantal protonen (Z) maar een ander aantal neutronen.

• Je schrijft Ra-226 voor radium met A = 226. Z zoek je op in de isotopentabel van je informatieboek.

• Massa's van atomen en kernen geef je in de atomaire massaeenheid u; 1 u = 1,66·10⁻²⁷ kg.

Syllabus B2.2: vakbegrippen kern, proton, neutron, elektron, isotoop, atomaire massaeenheid; formule A = N + Z bij B2. Voorbeeld: Ra-226 met Z = 88 heeft N = 226 - 88 = 138 neutronen. Veelgemaakte fout: Z en A verwisselen, of denken dat isotopen een ander element zijn. Dat is niet zo: Z blijft gelijk.

Alfasporen in een nevelkamer (foto: Nuledo, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

α-, β- en γ-straling

• Een instabiele kern valt spontaan uiteen: radioactief verval. De stof is dan een stralingsbron.

• α-straling: een heliumkern met 2 protonen en 2 neutronen, dus Z daalt met 2 en A met 4.

• β-straling (β⁻): een elektron uit de kern. Een neutron wordt een proton, dus Z stijgt met 1.

• γ-straling: een foton uit de kern. Z en A veranderen niet.

Syllabus B2.2: de soorten ioniserende straling, hun ontstaan; vakbegrippen radioactief verval, stralingsbron, α-, β- en γ-straling. Alleen β⁻ hoeft gekend te worden (voetnoot in de syllabus). In de nevelkamer zie je de sporen van α-deeltjes als witte strepen. Veelgemaakte fout: denken dat het elektron bij β-verval uit de elektronenwolk komt. Het ontstaat in de kern. Image credit: Nuledo / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Eigen animatie: radium-226 zendt een alfadeeltje uit

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Vervalvergelijkingen

• Bij spontaan verval zijn A en Z links samen gelijk aan A en Z rechts.

• α: Ra-226 → Rn-222 + α. A: 226 = 222 + 4. Z: 88 = 86 + 2.

• β: Co-60 → Ni-60 + e. A blijft 60. Z: 27 = 28 + (-1), want het elektron heeft Z = -1.

• De Z van de nieuwe kern zoek je op in de isotopentabel van je informatieboek.

Syllabus B2.2: de vergelijking opstellen van een vervalreactie (alleen spontane vervalreacties). Het antineutrino dat bij β-verval hoort staat niet in de syllabus: laat het weg. Kijkvraag bij de animatie: wat gebeurt er met Z en A van de kern? Veelgemaakte fout: A en Z bij α-verval allebei met 4 laten dalen. Image credit: Eigen animatie

Ra-226 (Z = 88) zendt α-straling uit. Welke kern ontstaat?

A

Rn-224 (Z = 86)

B

Th-222 (Z = 90)

C

Ac-226 (Z = 89)

D

Rn-222 (Z = 86)

Bij α-verval daalt A met 4 en Z met 2: A = 222, Z = 86. Verwachte fouten: A slechts 2 laten dalen, of Z juist laten stijgen (dat is bij β).

Wat gebeurt er met Z en A van een kern bij β-verval?

A

Z wordt 1 kleiner, A blijft gelijk

B

Z wordt 1 groter, A blijft gelijk

C

Z blijft gelijk, A wordt 1 kleiner

D

Z wordt 2 kleiner, A wordt 4 kleiner

Een neutron wordt een proton: Z + 1, A gelijk. Verwachte fout: de α-regel (Z - 2, A - 4) toepassen.

Eigen animatie: α, β en γ door papier, aluminium en lood

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Ioniserend en doordringend

• Ioniserend vermogen: straling kan elektronen uit atomen slaan en zo cellen beschadigen.

• α ioniseert het sterkst, β minder en γ het zwakst; röntgenstraling ioniseert ook.

• Doordringend vermogen is omgekeerd: papier houdt α tegen, aluminium β, en γ wordt pas in dik lood sterk verzwakt.

• De dracht is de afstand die straling in een stof aflegt voor ze is gestopt.

Syllabus B2.2: vakbegrippen ioniserend en doordringend vermogen, dracht. In de animatie stopt α bij papier, β bij aluminium en wordt γ pas in dik lood sterk verzwakt. Een grote dracht en weinig ionisatie horen bij elkaar: de energie wordt over een lange weg verspreid. Kijkvraag: bij welke straling is de dracht het kleinst? Veelgemaakte fout: denken dat sterk ioniserend ook sterk doordringend is. Image credit: Eigen animatie

Waarschuwingsteken voor straling (afbeelding: IAEA en ISO, publiek domein)

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Bestraling en besmetting

• Bestraling: straling van een bron buiten je lichaam treft je. Zonder de bron stopt het.

• Besmetting: radioactieve stof zit op je huid of kleding of in je lichaam en blijft bestralen.

• Achtergrondstraling is er altijd: uit de bodem, bouwmaterialen, voeding en de lucht.

• Kosmische straling komt uit de ruimte en hoort ook bij de achtergrondstraling.

Syllabus B2.2: vakbegrippen bestraling, besmetting, kosmische straling, achtergrondstraling. Een bron die je alleen bestraalt kun je weghalen; bij besmetting verwijder je de stof zelf (kleren uit, wassen). Een α-bron buiten het lichaam is weinig gevaarlijk, binnen in het lichaam juist wel. Hoeveel dosis je oploopt komt in de les Halveringstijd en dosis aan bod. Image credit: IAEA en ISO / Wikimedia Commons, publiek domein

Gammacamera (foto: TheRealSteelskin, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Tracer en stralingsbescherming

• Bij nucleaire diagnostiek krijgt een patiënt een radioactieve stof (tracer) toegediend.

• Een gammacamera buiten het lichaam vangt de γ-straling op. γ komt door je lichaam heen, α niet.

• Bescherming: kort blootstaan, ver weg blijven en afschermen met een geschikt materiaal.

• Een α-bron is buiten het lichaam ongevaarlijk, maar in het lichaam juist gevaarlijk.

Syllabus B2.2: minimaal in de contexten nucleaire diagnostische geneeskunde en stralingsbescherming. Waarom γ als tracer: de straling verlaat het lichaam en is buiten te meten. De overige technieken en de keuze ertussen staan in de les Medische beeldvorming, de halveringstijd in de les Halveringstijd en dosis. Veelgemaakte fout: denken dat afstand houden niets uitmaakt voor γ. Het helpt wel, maar minder snel dan afschermen met lood. Image credit: TheRealSteelskin / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Welke straling heeft het grootste ioniserend en kleinste doordringend vermogen?

A

α-straling

B

β-straling

C

γ-straling

D

Röntgenstraling

α-deeltjes geven hun energie op een korte afstand af: sterk ioniserend, kleine dracht. Verwachte fout: γ kiezen omdat die het gevaarlijkst klinkt.

Radioactief poeder zit op je huid. Wat is dit?

A

Bestraling

B

Achtergrondstraling

C

Besmetting

D

Kosmische straling

De radioactieve stof zit op je huid en blijft bestralen: besmetting. Verwachte fout: bestraling kiezen omdat je straling ontvangt. Bestraling betekent dat de bron buiten je blijft.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Fotonenergie berekenen

2

Vervalvergelijkingen opstellen

3

α, β en γ vergelijken

4

Bestraling en besmetting

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je met een voorbeeld op het bord nog eens doorloopt.

Welk begrip uit deze les moet je nog oefenen?

Persoonlijke reflectie; geen goed of fout. Laat leerlingen het begrip in een eigen zin uitleggen.

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Begrippen (1/2)

• elektromagnetisch spectrum: De rij van radiogolven tot γ-straling, geordend op frequentie.

• foton: Een pakketje stralingsenergie, E = h·f.

• isotoop: Kern met hetzelfde aantal protonen maar een ander aantal neutronen.

• α-straling: Heliumkernen uit een instabiele kern; Z daalt met 2, A met 4.

• β-straling: Elektronen uit de kern; Z stijgt met 1, A blijft gelijk.

EXAMENSTOF · B2 · STRALING

Begrippen (2/2)

• γ-straling: Fotonen uit de kern; Z en A blijven gelijk.

• ioniserend vermogen: Het vermogen om elektronen uit atomen te slaan.

• doordringend vermogen: Het vermogen om door materiaal heen te komen.

• bestraling en besmetting: Bestraling: een bron buiten je lichaam. Besmetting: radioactieve stof op of in je lichaam.

• achtergrondstraling: Straling die er altijd is, uit de bodem en de ruimte.