Straling en stralingsbescherming

NASK1/K/11 De kandidaat kan

1. bronnen van ioniserende straling en soorten ioniserende straling noemen
- - alfa-, bèta- en gamma-straling onderscheiden
2. radio-actief verval beschrijven als het veranderen van atoomkernen
- - stabiele en instabiele kernen
- - halveringstijd
- - activiteit
3. toelichten welke rol straling speelt bij tracers, röntgenfotografie en bestraling
4. de werking uitleggen van maatregelen tegen ongewenste blootstelling aan straling en tegen het opnemen van radio-actieve stoffen
- - absorptie van straling
- - dracht
- - doordringend vermogen
5. maatregelen noemen om nadelige effecten van het gebruik van straling en radio-actieve stoffen voor mens en milieu te beperken
- - opslag afval.

Vragen

Straling

Bekijk de Kernpunt-video tot 7:30 minuten:
Röntgen deed in 1895 een experiment met elektriciteit en ontdekte bij toeval straling.
Drie jaar later ontdekte Marie Curie de zeer actief stralende stof radium en bedacht ze de term radioactiviteit. Straling heeft te maken met atomen: kleine bouwsteentjes van werkelijk alles om ons heen.
Aan bod komt materie, en ook atomen, isotopen, (toepassingen en gevaren) radioactieve straling.

Spectrum

Er zijn verschillende soorten straling. Zonnestraling ken je al, en je weet dat je ogen een deel van de zonnestraling kunnen waarnemen. Dat zijn de kleuren van de regenboog:
Rood,
Oranje,
Geel,
Groen,
Blauw,
Indigo,
Violet.

Je weet ook al dat het zonlicht straling bevat die je niet kunt zien: Infrarood (IR) en Ultraviolet (UV).
Er bestaan nog meer soorten straling. Voorbeelden: radioactieve straling, magnetronstraling, rontgenstraling.
In de volgende figuur is het elekromagnetisch spectrum weergegeven.

Je ziet in deze afbeelding dat je straling kunt weergeven als golven. Hoe korter een golf, hoe meer energie de straling bevat.
In de volgende figuur krijg je een indruk van de lengte van een stralingsgolf:

Bij dit onderwerp kijken we naar straling met veel energie; ioniserende straling.

Ontdekking

Radioactiviteit is in 1896 ontdekt door de Franse geleerde Becquerel. Hij had een brok uraniumerts op een fotografische plaat gezet, terwijl de plaat nog in zijn lichtdichte verpakking zat.
Toen Becquerel de fotografische plaat uit de verpakking haalde, stond er een foto van het brok erts op!
Kennelijk had het brok erts iets uitgestraald dat op de lichtgevoelige plaat inwerkte, door de verpakking van de plaat heen. Uranium zendt dus spotaan straling uit.
Het echtpaar Curie ontdekte in 1898 de radioactieve stoffen polonium (Po) en radium (Ra). Ook deze stoffen zenden spontaan straling uit.
Radioactieve straling kan elektronen uit atomen wegschieten zodat ionen ontstaan. Je noemt radioactieve straling daarom vaak ioniserende straling.

Isotopen

Atomen hebben een kern. In de kern zitten de protonen (positieve lading) en neutronen (geen lading). Elektronen 'vliegen' om de kern heen.
Het aantal elektronen is in een atoom gelijk aan het aantal protonen. Het aantal protonen is het atoomnummer. Het aantal protonen bepaalt welke stof het is.
Voorbeeld: alle atomen van koolstof hebben zes protonen in hun kern. Elk atoom met zeven protonen is een stikstof-atoom.
Het aantal protonen en neutronen bij elkaar opgeteld, is het massagetal.

Waterstof (H) heeft maar 1 proton in zijn kern. Bijna alle waterstofatomen hebben massagetal 1.
Sommige waterstofatomen hebben 1 proton en ook nog 1 neutron in de kern. Die hebben dus massagetal 2.
Er zijn zelfs waterstofatomen met massagetal 3, dus met 1 proton en 2 neutronen in de kern.

Atomen van dezelfde stof (dus met hetzelfde aantal protonen in de kern) maar met een verschillend aantal neutronen, noemen we isotopen.

Van helium (He) bestaan ook isotopen. Het aantal protonen is telkens 2 (want dat is altijd zo bij helium), maar het aantal neutronen kan verschillend zijn:

Van bijna alle elementen in het periodiek systeem bestaan isotopen.

Radioactieve stoffen

Bij sommige isotopen is de verhouding tussen het aantal protonen en neutronen niet optimaal, ze zijn instabiel. Die kernen zitten niet zo stevig in elkaar en zoeken naar een meer stabiele vorm.
Om stabieler te worden, kunnen die kernen straling uitzenden.
Een voorbeeld van een radioactieve stof is uranium-238. Dit is uranium met massagetal 238. Dus 92 protonen en 238-92=146 neutronen in de kern. Als de kern van dit uraniumisotoop uiteenvalt, ontstaan andere radioactieve stoffen.
Ook deze vallen uit elkaar, waarbij steeds ioniserende straling vrij komt. Er ontstaat uiteindelijk lood-206. Dit loodisotoop is stabiel, het valt niet verder uit elkaar en zendt dus ook geen straling uit.
Het veranderen van radioactieve isotopen naar andere isotopen, noemen we radioactief verval.

Halfwaardetijd, halveringstijd

Bij radioactief verval veranderen er telkens instabiele isotopen in meer stabiele isotopen. Er komen dus steeds minder radioactieve kernen.
De tijd waarin de helft van de radioactieve kernen vervalt, heet de halveringstijd of halfwaardetijd.
Na de halveringstijd is de helft van de radioactieve stof over. Dan is ook de hoeveelheid straling gehalveerd.

Voorbeeld:
Het isotoop aluminium-28 heeft een halveringstijd van 2,4 minuten.
Je hebt 8 gram Al-28. Na hoeveel tijd is er nog:
a. 2 gram van het aluminiumisotoop over?
b. 0,5 gram van het aluminiumisotoop over?

Bij dit soort vragen is het handig om een tabel te maken:

na ... minuten	nog ... gram over
na 0 minuten	nog 8 gram over
na 2,4 minuten	nog 4 gram over
na 4,8 minuten	nog 2 gram over
na 7,2 minuten	nog 1 gram over
na 9,6 minuten	nog 0,5 gram over
na 12,0 minuten	nog 0,25 gram over

na ... x halveringstijd	nog ... procent over
na 0 keer de halveringstijd	nog 100% over
na 1 keer de halveringstijd	nog 50% over
na 2 keer de halveringstijd	nog 25% over
na 3 keer de halveringstijd	nog 12,5% over
na 4 keer de halveringstijd	nog 6,3% over
na 5 keer de halveringstijd	nog 3,1% over
... enzovoort	... enzovoort

In de volgende grafiek is het percentage radioactief materiaal tegen het aantal halveringstijden afgezet.

Sommige isotopen hebben een halveringstijd van minder dan een honderdste van een seconde. Andere isotopen hebben een halveringstijd van miljoenen jaren. Die isotopen zijn dus nog heel lang radioactief.

Soorten ioniserende straling

alfastraling (α-straling). α-straling bestaat uit heliumkernen, Een heliumkern heeft twee protonen en twee neutronen. Deze straling wordt al door de huid of een vel papier tegengehouden.
betastraling (β-straling). β-straling bestaat uit elektronen en wordt door een lichte metalen plaat tegengehouden.
gammastraling (γ-straling) wordt pas door dik beton tegengehouden.
röntgenstraling (genoemd naar de ontdekker Röntgen) wordt door lood tegengehouden en is dus wat zachter dan gammastraling.
neutronenstraling. Bij kernsplijting in een kernreactor botst een neutron op uranium. Daardoor kan de uraniumkern zich splitsen in twee kleine kernen en enkele neutronen. Die neutronen vliegen met hoge snelheid weg en kunnen weer andere uraniumkernen splitsen.

Doordringend vermogen, halveringsdikte

Het doordringend vermogen geeft aan hoe ver de straling in een stof kan doordringen. Hoe groter de energie van de straling, hoe groter het doordringend vermogen van die straling.

α-straling

deeltjes: He-kernen
doordringend vermogen erg klein
kan door blad papier worden tegengehouden

β-straling

deeltjes: elektronen
doordringend vermogen groter
wordt door plaatje aluminium tegengehouden

γ-straling

geen deeltjes, elektromagnetische straling
groot doordringend vermogen
dikke plaat van lood of beton nodig om de straling tegen te houden

röntgenstraling

geen deeltjes, elektromagnetische straling
doordringend vermogen minder sterk dan bij γ-straling
wordt door lood tegengehouden

neutronenstraling

deeltjes: neutronen
groot doordringend vermogen
botst tegen kernen aan, veroorzaakt kernsplitsing

Hoe ver de straling in een stof kan doordringen, is dus afhankelijk van de soort straling.
Ook het soort stof speelt een rol. Sommige stoffen kunnen de straling beter tegen houden dan andere stoffen. De mate waarin de straling door een stof wordt tegengehouden, wordt aangegeven door de halveringsdikte.
De halveringsdikte is de dikte van een materiaal waarbij de helft (0,5 maal of 50%) van de straling wordt tegengehouden. Het materiaal absorbeert de straling. Als een materiaal zo dik is als twee halveringsdikten dan wordt er 25% (de helft van de helft) van de straling tegenhouden.
Over het algemeen houden stoffen met een grotere dichtheid de straling ook beter tegen. Enkele voorbeelden (niet uit je hoofd gaan leren!):

stof	halveringsdikte	dichtheid
lood	1,0 cm	11,3 g/cm³
staal	2,5 cm	7,86 g/cm³
beton	6,1 cm	3,33 g/cm³
aarde	9,1 cm	1,99 g/cm³
water	18 cm	1,00 g/cm³
hout	29 cm	0,56 g/cm³
lucht	15000cm	0,0012 g/cm³

Dracht

De afstand waarop je straling nog net kunt waarnemenm noem je de dracht van de straling. De term dracht wordt meestal voor straling die bestaat uit deeltjes gebruikt.

Gebruik van straling

Radioactieve straling wordt onder andere gebruikt voor

Tracers. Kankergezwellen, tumoren worden opgespoord met radioactieve stoffen. De patient krijgt een injectie met een beetje radioactieve stof. De tumor neemt de redioactieve stof gemakkelijker op dan gezond weefsel. Na enige tijd worden er foto's genomen. Je ziet dan de tumor helder op de foto.
Radioactieve straling kan ook gebruikt worden om tumoren onschadelijk te maken, te bestralen. Dit heet radiotherapie. Men bestraalt het gezwel vanuit verschillende richtingen.
Röntgenstraling. Op een rontgenfoto zijn botbreuken eenvoudig te herkennen. Omdat teveel röntgenstraling schadelijk kan zijn, schermt men lichaamsdelen die niet onderzocht worden af met lood.
In de industrie. Bijvoorbeeld bij diktemeting van papier of bij controle of een lasnaad aan de eisen voldoet.

Gevaren en bescherming

Ioniserende straling is straling met een hoge energie. Veel nuttige toepassingen van deze soorten straling – ergens doorheen kunnen kijken, radiotherapie, diktemetingen, etc. – zijn gebaseerd op deze hoge energie en de grote doordringendheid van de straling.
Die hoge energie is echter ook de oorzaak van de schade die straling kan veroorzaken, zowel aan materialen als aan ons eigen lichaam.
De hoeveelheid straling waaraan een iemand wordt blootgesteld, wordt de stralingsdosis genoemd. De stralingsdosis is eigenlijk niet veel anders dan de hoeveelheid stralingsenergie (in joules) die per kilogram lichaamsgewicht is opgenomen. Om aan te geven dat het stralingsenergie betreft, is er voor stralingsdosis een aparte eenheid bedacht: de sievert (Sv).

Of straling gevaarlijk is, hangt af van

de soort straling,
de hoeveelheid straling
de afstand van een persoon tot de stralingsbron
de duur van de blootstelling
het wel of niet aanwezig zijn van afscherming

De hoeveelheid straling waaraan een persoon wordt blootgesteld is de stralingsdosis. Dit is een belangrijke maat in de inschatting van het gevaar van een stralingsblootstelling.

Bescherming
De belangrijkste manieren om jezelf (en anderen) te beschermen tegen bestraling door radioactieve bronnen of röntgenapparaten zijn:

Het houden van voldoende afstand tot de bron.
Het beperken van de tijd dat je je in de buurt van de bron bevindt.
Het gebruik maken van afschermingsmaterialen om de straling van de bron tegen te houden.

Wanneer de radioactieve stof een poeder, een vloeistof of een gas is, is er ook een risico dat je radioactief besmet raakt.
Dit betekent dat er radioactieve stof op je huid of kleren komt, of dat je radioactieve stof door inademen of inslikken binnenkrijgt.
Voor het werken met verspreidbare radioactieve stoffen bestaan dan ook enkele extra veiligheidsmaatregelen die besmetting moeten voorkomen.

Gebruik Puffin!

Bestudeer de animaties over radioactieve straling op de site van de TU-Delft:

Kernenergie

Bekijk eerst

Bij de opwekking van elektriciteit door middel van kernenergie komen radioactieve stoffen vrij. Dit radioactieve afval moet goed worden opgeborgen, want het blijft honderden of duizenden jaren straling uitzenden.
Lees meer over kernenergie op energiegenie.nl en bekijk de infographic: