Samenvatting Natuurkunde H11 (klas 5)

§1: Straling wordt door een stralingsbron uitgezonden. Naast zichtbaar licht en IR-straling is er ook kernstraling en röntgenstraling. Deze kunnen atomen ioniseren, atomen veranderen in ionen (ioniserende straling). Daardoor treden chemische reacties op of raken cellen beschadigd. Het risico vd straling hangt af vd stralingsdosis: hoevh straling die het lichaam absorbeert.

§2:

Röntgenstraling	Kernstraling:
Bron: röntgenbuis. Elektronen worden dmv spanning versneld tegen een metalen plaat aangeschoten. Bij de botsingen komt röntgenstraling vrij.	Bron: radioactieve stof. De kernen van atomen zijn instabiel en vervallen. Veel deeltjes hebben meerdere isotopen waarvan sommige radioactief zijn.
Grote stralingsenergie en daardoor groot doordringend vermogen	Grote stralingsenergie en daardoor groot doordringend vermogen
Grote stralingsenergie en daardoor ioniserend vermogen: hierbij raakt de straling een deel vd energie kwijt (absorptie) en komt er minder energie uit.	Grote stralingsenergie en daardoor ioniserend vermogen.
Straling beweegt zich rechtlijnig voort
Straling maakt gas geleidend

Absorptie v stralingsenergie is afhankelijk van:

1.       Materiaalsoort

2.        Materiaaldikte: hoe groter de dikte, des te groter de absorptie.

Er zijn 3 verschillende soorten kernstraling met verschillend doordringend en ioniserend vermogen:

1.       Alfastraling: kernen van heliumatomen. Groot ioniserend vermogen, klein doordringen vermogen

2.       Bètastraling: elektronen. Matig ioniserend vermogen, matig doordringend vermogen.

3.       Gammastraling: straling. Klein ioniserend vermogen, groot doordringend vermogen.

Activiteit (A): aantal kernen die per seconde vervallen (eenheid: Bq, becquerel). Door radioactief verval wordt het aantal instabiele kernen in de loop van tijd kleiner. Verder hangt radioactief verval af vd beginhoeveelh. En tot slot hangt het ook af vd instabiliteit vd kern (hoe instabieler de kern, des te hoger de activiteit in het begin het des te sneller neemt de activiteit in de loop van tijd af)

A(t) = -ΔN(t)/ Δt

·         A(t): activiteit op tijdstip t in Bq

·         -ΔN(t): aant instabiele kernen dat vervallen is

·         Δt: korte tijdsduur vh verval in s

A(t) = λ * N(t)

·         A(t): activiteit op tijdstip t in Bq

·         λ: vervalsconstante in s^-1

·         N(t): aant instabiele kernen op tijdstip t

N(t) = N(0) * e^{- λ * t}

·         N(t): aant instabiele kernen op tijdstip t

·         N(0): aant instabiele kernen op tijdstip 0

·         λ: vervalsconstante in s^-1

·         t: tijd in s

A(t) = A(0) * e^{- λ* t}

·         A(t): activiteit op tijdstip t in Bq

·         A(0): activiteit op tijdstip 0 in Bq

·         λ: vervalsconstante in s^-1

·         t: tijd in s

Halveringstijd: in bepaalde tijdsduur vervalt de helft vd instabiele kernen en wordt de activiteit gehalveerd.

N(t) = N(0) * (1/2)^(t/t_1/2⁾

·         N(t): aant instabiele kernen op tijdstip t

·         N(0): aant instabiele kernen op tijdstip 0

·         t: tijd in s

·         t1/2: halveringstijd vd stof in s

A(t) = A(0) * (1/2)^(t/t_1/2⁾

·         A(t): activiteit op tijdstip t in Bq

·         A(0): activiteit op tijdstip 0 in Bq

·         t: tijd in s

·         t_1/2: halveringstijd vd stof in s

Ouderdomsbepaling: in de lucht en in organismen is een constante hoeveelheid vh isotoop C-14 aanwezig, 1,0 * 10^10 (= N(0)). Wanneer het organisme overlijdt, treedt radioactief verval op. De halveringstijd is 5730 jaar. Door meting vh percentage C-14 in materiaal is de ouderdom te bepalen, te berekenen met de vervalformule.

Computermodellen: de oplossing vd vergelijking dN(t)/dt = - λ * N(t) is door een computermodel uit te rekenen (N(t) is de onbekende). Dat gaat als volgt:

In de vergelijking heb je 3 onbekenden: dN(t), dt en N(t). Om N(t) te berekenen moet je dt en dN(t) weten, om dN(t) te berekenen moet je dt weten. Daarom begin je met

0. t:= t + dt (verstreken tijd)

(evt. λ = ln(2)/t_1/2

1. dN = -λ * N * dt (aant vervallende kernen per tijdseenheid)

2. N:= N + dN (nieuwe aant instabiele kernen)

Startwaarden:

·         Starttijdstip t

·         Grootte vd tijdsstap dt

·         Aant instabiele kernen op t = 0 N

·         Vervalsconstante λ

·         Halfwaardetijd t_1/2

§3

Bij absorptie van ioniserende straling ontvangt het lichaam een stralingsdosis.

Er zijn stralingnormen die aangeven welke dosis aanvaardbaar is van een stof. Dat vraagt om stralingsdetectie, een voorwerp waarmee je de straling meet.

De door een stralingsbron uitgezonden röntgen- en kernstraling worden door de ontvanger geheel/gedeeltelijk geabsorbeerd (stralingsenergie). Die energie wordt omgezet in warmte, waardoor het voorwerp (niet levend) in warmte stijgt. Er wordt geen straling in het voorwerp opgeslagen, het wordt niet radioactief en het gaat ook niet zelf straling uitzenden. Het is alleen maar een energieomzetting: de geabsorbeerde straling verdwijnt.

Maar absorptie van straling door een levend weefsel kan wél schadelijke gevolgen hebben. Dat kan doordat atomen in levende cellen door absorptie van stralingsenergie kunnen veranderen in ionen. Er treden chemische reacties op in de cellen, die het kunnen beschadigen of doden.

De schade hangt af van de geabsorbeerde stralingsenergie. Die hoeveelheid hangt af van de stralingsintensiteit en de tijdsduur waarin het lichaam aan die straling is blootgesteld.

Ook hangt het af van de soort straling, en de manier van bestralen; inwendig of uitwendige straling maakt verschil uit.
De mate van blootstelling wordt bepaald door de dosis en het dosisequivalent.

Dosis: een eerste maat voor de blootstelling van het lichaam aan ioniserende straling is de dosis. Deze dosis is de hoeveelheid stralingsenergie die 1 kg van het bestraalde voorwerp heeft geabsorbeerd. Er is een verband met de volgende formule:
D = Estr / m
D = dosis (J/kg of Gy)
Estr = geabsorbeerde stralingsenergie (J)
m = massa voorwerp (kg)

Dosisequivalent: de aangerichte schade in het lichaam hangt ook af van de soort straling. Een dosis van 1 Gy blijkt bij röntgen- beta- en gammastaling dezelfde schade te leveren. Een dosis van 1 Gy alfastraling is echter 20x zo schadelijk! Een betere maat voor de blootselling aan ioniserende straling is daarom het dosisequivalent (H):
H = Q * D
H = dosisequivalent (Sv)
Q = weegfactor (hangt af van de soort straling; alfa = 20, beta/gamma/röntgen = 1)
D = dosis (Gy)

Effecten op korte termijn: organen die stuk gaan; stralingsziekte of acute stralingseffecten.
Effecten op lange termijn: tumoren; mutatie.

De meeste bronnen bevinden zich uitwendig. Enkele inwendige bestralingen zijn radioactief koolstof (C-14) en kalium (K-40). Ze komen het lichaam binnen via voedsel en de ademhaling.

• Alfastraling is bij uitwendige straling vrijwel ongevaarlijk. De alfa-deeltjes geven hun energie af aan dode cellen in de hoornlaag van de opperhuid. De beta-deeltjes dringen iets dieper door, maar het is de gammastraling die diep in het lichaam kan doordringen en daar ionisatie kan veroorzaken.
• Bij inwendige straling is de alfastraling veel gevaarlijker dan de gammastraling, omdat de alfa-deeltjes nu hun energie afgeven aan de levende cellen en daarbij zeer veel ionisatie veroorzaken. De betastraling neemt een tussenpositie.

Het opnemen van radioactieve stoffen via voedsel is gevaarlijker als het gaat om isotopen (vervangers) van stoffen die van nature in het lichaam voorkomen.

Denk aan de jodiumisotoop I-131. Als je hem op neemt concentreert het zich in de schildklier, waar het het niet radioactieve I-127 vervangt. De stralingsdosis kan hierdoor hoog oplopen.

Stralingsdetecties: niet percee leren, maar wel lezen: blz 91/92

Afgesloten stralingsbronnen zijn radioactieve stoffen die zijn opgesloten in een omhulsel; denk aan de röntgenbuis, de straling kan niet verder komen dan de buis zelf waar de persoon in zit.
Er zijn hierbij twee mogelijkheden op bescherming: afstand houden en tijdsduur. In het algemeen geldt: hoe groter de dichtheid van de stof is, des te groter is de stralingsabsorptie.

De absorptie van straling door stoffen is bij alfa- en betastraling anders dan bij röntgen- en gammastraling:

• Alfa- en Bètastraling: de absorptie kan volledig zijn, als de straling een bepaalde afstand in de stof heeft doorlopen, de dracht van de straling in die stof. De dracht R hangt af van de soort straling, en van de soort stof waar het op in werkt.
• Röntgen- en gammastraling: de absorptie door een stof is nooit volledig. Hoe groter de absorptie is, wordt weergegeven door de halveringsdikte d½. Als de halveringsdikte dus 10 mm is (bij lood met röntgenstraling bijv), betekent dat 10 mm van een loodmuur de röntgenstraling zal halveren!

De intensiteit van de straling die op een materiaal invalt, noemen we I(o). Na het afleggen van een afstand x in het materiaal is de stralingsintensiteit afgenomen tot I(x). Na één halveringsdikte (x = d½) is de stralingsintensiteit gedaalt tot ½ x I(o). Bij twee is het (½)^2 * I(o).

Dus de stralingsintensiteit is I(x) = I(o) * (½)^n. → n is echter x (afstand)/d½ (halveringsdikte)

De formule:
I(x) = I(o) * (½)^x/d½
I(x) = stralingsintensiteit na x meter
I(o) = intensiteit van invallende straling
x = afstand (m)
d½ = halveringsdikte (m)

Bij een scintigram, dat in het ziekenhuis gemaakt wordt, wordt er een radioactieve stof in je lichaam gegoten dat het ene orgaan opneemt en de andere organen niet. Er wordt dan met een gamma-camera buiten het lichaam een beeld gemaakt. Als een deel van het orgaan niet goed werkt, wordt daar de radioactieve stof niet opgenomen en zendt dus geen straling uit. De radioactieve stof wordt dan als tracer gebruikt (spoorzoeker). Alleen gammastraling is geschikt hiervoor, de anderre stralingen worden door het lichaam geabsorbeerd. Buiten het lichaam zijnze daardoor niet te meten en in het lichaam richten ze te veel schade aan.
De toegediende tracer moet een korte halveringstijd hebben, om het risico voor de patiënt zo klein mogelijk te houden.

Examencontext 6 Diktecontrole (en Gas en vloeistofstromen volgen): Sommer zei dat we deze niet moesten leren, wel lezen. Blz 102 (en 103).