Ioniserende Straling

Inleiding:

Straling is niet iets wat heel gevaarlijk is, want het zit overal om ons heen. Neem nou de grond waar we op staan, daar zit uranium in.
Sinds de laatste eeuw kennen we behalve natuurlijke straling ook kunstmatige straling(radarstraling, radio - en televisiestraling). Toepassingen van radioactiviteit kun je vinden in de medische wereld, kerncentrales maar ook in consumentenartikelen zoals lichtgevende wijzerplaten op een horloge. De mens heeft er ook voor gezorgd dat er grote hoeveelheden radioactief stoffen in de natuur zijn terechtgekomen door kernproeven en ongelukken met kerncentrales.
Om uit te vinden wat straling precies is zal ik eerst vertellen hoe materie is opgebouwd.


Eigenschappen van ioniserende straling:

Alle materie bestaat uit atomen of verbindingen van atomen, moleculen. Er zijn een honderdtal verschillende atomen (elementen). Een atoom bestaat uit een atoomkern waar elektronen (negatief geladen -e) omheen cirkelen. De kern bestaat uit portonen (positief geladen +e) en neutronen(neutraal). Deze bestaan weer uit drie kleinere deeltjes (quarks). Atomen bezitten evenveel protonen als elektronen waardoor ze elektrisch neutraal zijn. Het aantal protonen bepaald wat voor element het is (waterstof heeft er een, zuurstof acht en uranium 92).
Waterstof heeft een kern, een proton en een elektron. Zolang je de elektronen en de protonen niet veranderd blijft het hetzelfde atoom.
Je hebt verschillende soorten straling, ze verschillen op grond van hun doordringend vermogen en andere eigenschappen. Je hebt alfastraling, bètastraling, gammastraling (deze drie zijn soorten kernstraling) en röntgenstraling.
Isotopen zijn kernen van hetzelfde element alleen dan met verschillende massagetallen. Dit betekent dus dat het aantal neutronen verschilt.

Röntgenstraling

W.C. Röntgen heeft in 1985 deze soort straling ontdekt. Hij kon niet verklaren waar het vandaan kwam, maar wel een deze eigenschappen:
- hij plant zich rechtlijnig voor en wordt niet door elektrische en magnetische velden afgebogen
- hij kan gas elektrisch geleidend maken
- fotografische platen zijn er gevoelig voor
- voorwerpen laten hem in verschillende maten door.
Hij wist ook dat de straling ontstaat waar kathodestralen (snelle elektronen) op de wand van een glazen buis vallen.
Toen het Bohr-model werd gemaakt werd pas duidelijk dat de straling uit de elektronen komt. Als een elektron naar een lagere baan springt dan komt er een foton vrij. Deze elektron is groter dan de meeste omdat hij dicht bij de kern ligt. Dit is röntgenstraling. Dit is dus een vorm van elektromagnetische straling. Hij is dus even snel als het licht. Met een röntgenbuis
kan men tegenwoordig kunstmatig energie opwekken.


De soorten kernstraling:

Alfastraling:
Alfa deeltjes bestaan uit 2 protonen en 2 neutronen, hij is dus geladen gelijk aan 2 elektronen alleen dan positief(+2e). Een alfa deeltje is identiek aan een heliumatoom, alleen heeft deze geen elektronen waardoor hij positief is geladen. Wanneer een kern de alfa deeltjes uitzendt, zal deze van element veranderen, want het aantal protonen neemt af. Deze straling heeft een maximale voortplantingssnelheid van 10% lichtsnelheid. Alfastraling heeft een zeer klein doordringend vermogen (een paar centimeters in de lucht) en kan gemakkelijk door een vel papier worden geabsorbeerd. Maar ze kunnen nog steeds makkelijk een aantal atomen ioniseren. Ioniseren is uit elektrisch neutrale atomen een elektron los te slaan waardoor het een ion wordt (een elektrisch geladen atoom).

Bètastraling:
Bètastraling is een andere naam voor elektronenstraling, hij heeft dus een negatieve lading
(-e). Bij bètastraling verandert een neutron in een proton en een elektron. Deze heeft een groter doordringend vermogen dan alfastraling (een meter in de lucht), maar door een stuk perspex of aluminium van enkele millimeters kan het al geabsorbeerd worden. Deze straling heeft een maximale voortplantingssnelheid van 90% lichtsnelheid. Hun ioniserend vermogen is een stuk kleiner dan bij alfa deeltjes, vanwege het verschil in omvang tussen een alfa- en bètadeeltje.

Gammastraling:
Gammastraling bestaat niet uit geladen deeltjes ( waardoor gammastraling geen massa heeft) , maar uit fotonen en is dus een vorm van elektromagnetische straling. De voortplantingssnelheid is dus gelijk aan die van het licht. De straling is moeilijk te stoppen, een loden of betonnen schild lukt het net. Het ioniserende vermogen is hier weer een stuk kleiner dan dat bij bètastraling.
In tegenstelling tot bèta- en alfastraling verandert erbij gammastraling alleen de inwendige energie van de kern en niet de verhouding tussen protonen en neutronen.

Alfa- en bètastraling gaan meestal gepaard met gammastraling. Allemaal zijn ze afkomstig uit de kern. Als de kern straling uitzendt dan verandert hij ook. Bij gammastraling verandert alleen de inwendige energie. Bij de andere 2 verandert het aantal protonen en neutronen, dus verandert het element ook. Door Bequerel, het echtpaar Curie en Rutherford is straling voor het grootste deel ontdekt.

Radioactief verval

Wat gebeurt er als een kern straling uitzendt? We nemen als voorbeeld de stof radium. Het atoomnummer (Z) is 88 en het massagetal (A) 226. Als het alfastraling uitzendt dan wordt het Z 86 en A 222, want alfastraling is Z 2 en A 4. Nu wordt het element ook radon.

Hetzelfde geldt voor bètastraling. Het wordt vaak gebruikt in de gezondheidszorg bij jodium. Dan verandert A 131 en Z 53 in A 131 en Z 54, nu heb je xenon.
Kernen die opeens van samenstelling veranderen zijn onstabiel, wanneer dit gebeurd is nooit zeker. Als je met een groot aantal kernen werkt kun je wel een bepaald aantal verwachten. Bij jodium vervalt 1 op de 1000000 per seconde. Na 8 dagen is dus de helft vervallen, na weer 8 dagen is daarvan weer de helft vervallen enz. De grafiek op de volgende pagina laat dit zien.

H-3 12,3 jaar
Au-198 2,7 dag
Rn-220 52 sec.
U-235 7,1 x 10^8 jaar
U-238 4,5 x 10^9 jaar
Ra-226 1620 jaar
Po-212 3 x 10^-7 sec.
De tijd die hij erover doet om het aantal kernen te halveren is de halveringstijd. Dit is de maat voor de snelheid van het vervalsproces. De halveringstijd is kenmerkend voor een bepaald isotoop. Hij varieert van een fractie van een seconde tot miljarden jaren. Zie de
tabel hiernaast voor een aantal voorbeelden. Het nummer achter de
streep is het massagetal.
De activiteit is het aantal kernen dat per
seconde vervalt (het aantal desintegraties per seconde). Hier wordt de eenheid

curie (Ci) voor gebruikt. 1 Ci=3,7 x 10^10 desintegraties/s. Nu gebruiken we de eenheid bequerel (Bq): 1 Bq = 1 desintegratie/s. De grootte hangt af van het aantal niet-vervallen kernen. De grootte is dus gehalveerd na 1x de halveringstijd.

Straling op sporen

Onze zintuigen zijn niet in staat straling op te sporen dus hebben we hulpmiddelen nodig. Deze maken gebruik van de eigenschappen van straling. We hebben 2 soorten hulpmiddelen de filmbadge en de geiger-müller-teller.

Filmbuis:
Hij maakt gebruik van de eigenschap dat straling fotografische materialen zwart maakt. Stralingswerkers moeten deze dragen. Nadat de oude ontwikkeld is wordt bepaald hoe erg de zwarting is. Er zit ook nog eens een filter in die onderscheid tussen de soorten stralingen kan maken.

Geiger-müller-teller:
Deze dingen zitten bijv. op de radiologische afdeling van het ziekenhuis. Als je met radioactieve stoffen werkt moet je naderhand je handen en voeten in een apparaat steken waar een geiger-müller-teller in zit en dan kijkt of je radioactief vuil mee draagt. In de telbuis zit een metalen buis met een gasvulling, een micavenster en een centrale draad. Tussen deze draad en de buis wordt een spanning van 400 V aangelegd. Als er straling binnenkomt worden er ionen gevormd en zal uiteindelijk de spanningspulsen worden geteld.