Atoom en Kernfysica: Ioniserende Straling

Atoom en Kernfysica

• Ioniserende straling bevat voldoende energie om atomen te veranderen.
• Er zijn verschillende soorten ioniserende straling, waaronder alfa-, bèta- en röntgen-/gammastraling.

Bouw van een Atoom

• Een atoom is de kleinste eenheid van een element en bestaat uit een kern omgeven door een elektronenwolk.
• Elektronen zijn ongeveer 4000 keer kleiner dan de massa van de kern.
• Een atoom bevat drie soorten deeltjes:
  • Protonen: Positief geladen deeltjes.
  • Neutronen: Neutraal geladen deeltjes.
  • Elektronen: Negatief geladen deeltjes.
• Elektronen zijn gegroepeerd in verschillende schillen, aangeduid als K, L, M, etc.
• De K-schil heeft de hoogste bindingsenergie, die afneemt naarmate de schillen verder van de kern liggen.
• Bindingsenergie wordt uitgedrukt in elektronvolt (eV), waarbij 1 eV gelijk is aan 1.6 * 10^-19 Joule.
• Volt is de energie die nodig is om een lading van 1 Coulomb te bewegen.
• A = massagetal (Z+N)
• Z = atoomnummer
• X = elementsymbool
• N = aantal neutronen
• Nucliden zijn alle atomen van alle elementen.
• Isotopen zijn elementen met hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen.
• Radio-isotopen hebben hetzelfde atoomnummer, maar verschillende massagetallen en aantal neutronen en verder dezelfde chemische eigenschappen.
• Isomeren hebben hetzelfde massagetal en atoomnummer, maar verschillen in energie-inhoud.
• Isobaren hebben hetzelfde massagetal.
• Stabiele atoomkernen hebben een evenwichtige verhouding tussen protonen en neutronen, terwijl instabiele kernen een onevenwichtige verhouding hebben en overtollige energie bezitten.
• Instabiele stoffen zijn vaak radioactief en vervallen naar een stabielere toestand door ioniserende straling uit te zenden.

Deeltjesstraling

• Alfadeeltjes bestaan uit heliumkernen.
• Bètadeeltjes bestaan uit β-straling (elektronen e-) en β+-straling (positronen e+).
• Neutronenstraling komt voornamelijk uit kernreactoren, terwijl elektronen- en protonenstraling afkomstig is van deeltjesversnellers.

Fotonenstraling

• Fotonenstraling bestaat uit γ-straling en röntgenstraling.
• γ-straling is een vorm van elektromagnetische straling uit de kern van een atoom.
• Röntgenstraling is elektromagnetische straling met minder energie, afkomstig uit de elektronschillen.

Radioactief Afval

• Bij het verval van α-, β-, β+-deeltjes en neutronen komt energie vrij in de vorm van eV.
• Y-straling zendt een grote hoeveelheid aan eV vrij.

Alfa Verval

• Zware kernen met een overschot aan protonen kunnen stabiliseren door een heliumkern (2 protonen, 2 neutronen) uit te zenden.
• Een alfadeeltje heeft een lading van 2+ (heliumkern).
• In een vervalschema resulteert dit in een verlies van 2 Z-waarden, 2 N-waarden en 4 A-waarden.
• Door de relatief zware massa van de kern kan alfa-verval een terugstoot veroorzaken.
• Alfadeeltjes kunnen zich gemakkelijk verspreiden, waardoor het risico op inwendige besmetting toeneemt.
• Het alfa-verval wordt gekenmerkt door zijn eigen karakteristieke energie.

Bèta Min Verval

• Ontstaat door een overschot aan neutronen.
• Neutron → proton+ + β- + v (antineutrino)
• Een β- deeltje is een elektron dat vrijkomt en uitgezonden bij een radioactief verval.
• De energie van een β-deeltje bepaalt hoe ver het deeltje zich kan verplaatsen.
• Het vervalschema geeft een winst van 1 Z-waarde, en een verlies van 1 N-waarde.

Bèta Plus Verval

• Ontstaat door een overschot aan protonen, waarbij er dus een neutronentekort is.
• Proton+ → neutron + β+ + v (neutrino)
• Een β+-deeltje is een positron(anti-deeltje van elektron) dat ontstaat bij radioactief verval, en die uitgezonden wordt.
• Bèta plus kan enkel ontstaan als er een energieoverschot van 1022 keV is.
• Uiteindelijk samensmelten van b+ deeltje en een elektron, en wordt omgezet naar Ey = mc2
• Die het samensmelten van een het b+ deeltje en elektron ook wel annihilatie genoemd, waarbij fotonen worden uitgezonden met een energie van 511 keV.
• Het vervalschema zal resulteren in een verlies van 1 Z waarde en winst van 1 N waarde.

Elektronvangst

• Heeft plaats wanneer er bij een protonenoverschot geen mogelijkheid is tot bèta+verval.
• Hierbij neemt de kern een elektron op uit de elektronenwolk, wat kan resulteren in een röntgenfoton of een auger-elektron.
• Proton+ + e- → neutron + röntgenfoton of auger-elektron
• Bij elektronenvangst wordt een elektron uit de elektronenwolk opgenomen, het ontstane gat wordt opgevuld.
• Concurrentie tussen röntgenfotonen (hoge Z) en auger-elektronen (lage Z).
• Het vervalschema lijkt op dat van β+-verval.

Spontane Splijting

• Zeer zware kernen kunnen spontaan splijten, waarbij 2 of 3 neutronen vrijkomen en veel energie (ca. 200 MeV).

Y-Verval

• Na alfa- of bèta-verval kan de kern nog veel energie bezitten en zich in een aangeslagen toestand bevinden.
• De kern verliest deze energie door het uitzenden van γ-fotonen (isomerende toestand).
• De energie van het uitgezonden foton is karakteristiek voor het specifieke γ-verval, waardoor de radionuclide kan worden geïdentificeerd.
• Er verandert niks aan het massagetal of atoomnummer.

Interne Conversie

• Naast γ-verval kan interne conversie plaatsvinden.
• De overtollige energie van de kern wordt overgedragen aan een elektron, zonder dat de samenstelling van de kern verandert.
• Het elektron wordt uit de K-schil geschoten, waarbij een detecteerbare hoge energie vrijkomt (conversie-elektron).
• De energie van het conversie-elektron is gelijk aan de γ-energie verminderd met de bindingsenergie van het betrokken elektron.
• Het gat in de K-schil wordt opgevuld onder uitzending van karakteristieke röntgenstraling, gevolgd door het Auger-elektron.
• Y-verval en interne conversie concurreren met elkaar.

Vervalprocessen en Vervalschema's

• Vervalprocessen worden weergegeven in vervalschema's.
• Hierin staat T1/2 voor de halveringstijd.
• De Q-waarde is de desintegratie-energie, weergegeven in MeV.
• De Q-waarde geeft ook het energieverschil tussen de moeder- en dochternuclide weer.
• Halveringstijd geeft aan wanneer de helft van de atomen is vervallen.
• Activiteit (At) neemt exponentieel af in de loop van de tijd.
• At = Ao * (1/2)^(t/T1/2).
  • At = activiteit op tijdstip t.
  • Ao = activiteit op t=0.
  • t = tijdstip.
  • T1/2 = halveringstijd.
• T en T1/2 moeten dezelfde eenheid hebben (uren, dagen, jaren, etcetera).

Eenheid van Activiteit

• Radioactiviteit wordt uitgedrukt in becquerel (Bq) of curie (Ci).
• Meestal wordt gewerkt met Bq. 1 Ci = 3.7 * 10^10 Bq, wat overeenkomt met de activiteit van 1 gram radium.

Wisselwerking en Afscherming

• α- en β-deeltjes hebben een massa en worden volledig gestopt (dracht).
• Fotonen hebben geen massa, maar zijn elektromagnetische straling, die nooit volledig te stoppen is.

Wisselwerking

• Ioniserende straling ontstaat voornamelijk door de energie die vrijkomt bij wisselwerking met elektronen.
• Dit kan excitatie (elektron naar hogere schil en terugval) of ionisatie (elektron volledig uit elektronenwolk) veroorzaken.

Alfa Deeltjes

• Alfa deeltjes stoten tegen elektronen waardoor energie wordt afgegeven.
• Alfa deeltjes blijven botsen totdatdat alle energie is verbruikt. En elk alfa-deeltje geeft ongeveer 5 Mev af.

Bèta Deeltjes

• Beta deeltjes geven energie af door achtereenvolgende botsingen met elektronen, hierdoor veranderd de richtingsboog.
• Er kan energieverlies ontstaan van botsingen met elektronen, maar er is ook en klein beetje verlies door remstraling.
• Het verschil bij beta + is dat er geen remstraling ontstaat als de wisselwerking wordt gevold door annihilatie van positron met elektron.

Neutronen

• Er is energie afgfite door botsingen met atoomkernen, er vindt hierbj geen reactieplaaats met elektronen.
• Het meeste energieverlies vindt plaats bij neutronen met waterstof.

Dracht van Deeltjesstraling

• Voor γ- en röntgenfotonen kunnen verschillende effecten ontstaan: foto-elektrisch effect, comptonstrooiing en paarvorming.

Foto-Elektrisch Effect

• Komt voor bij hoge Z-waarden en lage fotonenergie.
• Het foton staat alle energie af aan een elektron, het leeggekomen gat wordt opgevuld en hierdoor ontstaat karakteristieke röntgenstraling

Compton Strooiing

• Is groter bij kleine Z-waarden en fotonen energie rond de 2 Mev.
• Botsing van een foton met een buiten shell elektron, de foton-energie verdeeld zich tussen het electron en het nieuwe foton.

Paarvorming

• Ontstaat bij hoge Z-waarde en fotonen energie boven de 4 Mev.
• Het foton botst met de atoomkern en gaat daarna over in een elektron en een positron en dit gevolgd door annihilatie.

Afscherming

• Alfadeeltjes --> hoge stralingsweegfacto, maar passeert geen dode huidcellen
• Beta deeltjes --> voor afscherming van beta deeltjes gaat het om de hoeveelheid materiaal per oppervlakteeenheid. De massieke of gereduceerde dracht is onafhankelijk van het afschermingsmateriaal.
• Beta + deeltjes --> is er sprake van annihilatiestraling, maar moet dan nog extra afscherming gebruikt worden met bijv. lood.
• Y-straling heeft heeft een lage energie en domineert het foto-elektrisch efect.
• halfwaardedikte d1/2: De halverwaarde dikte is de dikte van het afschermingsmateriaal waarbij de stralingsintensiteit gehalveerd wordt.
• 10x de d1/2 is de intensiteitsfactor 2^10 oftewel 1000 keer kleiner.
• Grootheden een eenheden:
• Grootheid = wat je meet.
• Eenheid = hoe je iets meet.
• Direct ioniserend: zijn geladen deeltjes zoals protonen en elektronen.
• Indirect ioniserend: zijn ongeladen deeltjes zoals neutronen en/of fotonen, die daarna energie overdragen in materie, daarna aan een alpha deeltje.
• Exposie: Is de vrijgemaakte lading per mssa in lucht of te wel R of C/kg. Dit is niet de overgedragen energie, maar vrijgemaakte elektronen.
• geabsorbeerde dosis (D): is de hoeveelheid geabsorbeerde enerie per kg materiaal.
• Dosistempo: dosissnelheid; hoeveelheid Gy in een tijdseenheid
• Equivalente dosis (H): is de hoeveelheid geabsorbeerde enerie per kg in organen. Bij de H komt de stralingsweegfactor (Wr) van pas.
  • Dit is een dimensieloos getal, maar wordt gebruikt om een H te bepalen.
  • elke straling heft een andere Wr (zie tabel)
• Effectieve Dosis (E): Is de som van gewogen equivalente dosis in alle weefsels en organen ten gevolge van inwendige en uitwendige bestraling. De E is afhankelijk van Ht en weefselweegfactoren(Wt).
  • Zie tabel voor een voorbeeld.

E(50)

• Effectieve dosis of E(50) is de dosis die het gevolg is van besmetting in een periode van 50 jaar. Hierbij zijn er verschillende bepalende factoren.
• De distribitie
• De verblijftij
• Het soort straling en stralingsenergie
• E(50) kan berekend worden door e(50) te vermenigvuldigen met de activiteit.

Orde Van Grootte

• Beroepsamtig worden blootsteiingen verdeeld in Nederland.
• B-werker --> een jar limiet van 1 - 6 mSv per jaar
• A-werker --> Een jaar limiet van 6 - 20 mSv per jaar

Detectie van Ioniserende Straling

• Is loniserende straling. Wordt gemeten door meten elektornische lading, door ionisatie. Dit werd ook wel ionisatiedetectoren genoemd.
• Soorten detectoren (Gasgevulde detectoren, Scintillatiedetectoren, halfgeleiders)

Bepaalde Detectoren

• Ionisatiekamer: Voldoende spanning zijn tussen de anode en kathode dat een alle ionisatielading naar de elektroden wordt brengt.
• Proportionele telbuis; er worden secundaire ionen gevormd.
• Geiger - Muller teller --> bij een te hoge spanning, komt er een positieve wolk die de negatieve kathode afschermt en zo elktrisch veld opheft
• Vaste stof ionisatie Kamer --> bevat hoge elektrische weerstand.
• Scintillatiedetectoren --> er wordt gebruik gemaaakt van dat na exitatie en ionisatie in het scintillatiemateriaal fotonen worden gezonden etc (zie pagina)
• Thermoluminescentie; Andere form van Scintillatiedetector. Waarbij de geexiciteerde toestand aanwezig blijft in de material

Activiteit

• Detectoren om activitiet te meten is sterk afhankelijk van de straling die het uitzendt.
• Effecten op de mens:
• Indircte schade: weefsel, veel h20, hierdoor vrij radicalen, kunnen vervolgens biomoeculen beschadiogen

Welke Detectoren Zijn Geschikt Om Activiteit Te Meten Hangt Af Van De Straling Die Uitgezonden Wordt.

• Laag energetische röntgen- is de proportionele telbuis geschikt met en dun venster.
• Hoogenergetische --> Nal en Ge Detectoren
• Beta activiteit --> vloeistifscintillalie + Si detector.

Stralingsschade Zorg Voor Breuken Aan De Zijkant Van De Dna-Helix.

Er zijn ook een aantal beperkingen:

• Dna reparatie- Enzyme reparatie de dna
• CheckPoint --> Mitose/Mitose Onderbreking. Cel reproductie onderbreken.
• Antioxideren + Anti-Oxidanten
• Apoptose (blijf p53 en Bcl2
• Sneler cellen-minder tijd voor dna reparatie: tumors cellen-milt-darmpitheel
• Minder snelle cellen: Spieren enzenuwcellen
• Somatische efffecten: effecten in een invidiu. schaduwt, weefseffect. Dit kan aquut zijn, pas later.
• Genetische effecten (nageslacht), maar geen direct effect.

Kansgeboden-Effect

• Hoe hoger dosis/hoe groter de kans - het spreek voor zich + Het heeft namelijk geen Drempbel + De effecten hang af van de latietijd.
• Schadelijk Weefselsreactie-Wordt Bepaald Door Hoger Drembeldiodes + treed op als veel cellen beschaduwd zijn-hoe hoger de schades dose hoe groot effect ook al dit kan.
• Effect Ongereborn Kide (11 Mgy): W1 - spontenae aboru w28 misvormdingen-w815: hersenschaes-w163, Grroei Achterstand
• Nagelshcat-Effect Magelijk als straling in gezlachtscellen zitten
• Risico getal Stralingsschade--- 5 Procent Per Sv risico op fatale kanker

Stralingsbelasting Bij Ingekapselde Bronnen

• • Ingelkapselbron: gesloten Bronnen die permant ophult gehouden, op. + Het dragermateriaal oomhulling biedt voldoende weerstand en moet voorkomen dat de stralingstoffen verspreid worden
• Variaite Bronnen-Meten voor Contorlerne enzo
• Regelgebruikte--> Alle ingelkapelste Bron moeten voldoen aan insternastiaal normenselsel 2919 + Hierby een crfierias = tremperatuur-druk - stotten= valhhoogte) -virbatte-Puntellasting)
• --> elk ondersecdtor een aantal standatrstesuitgevoerd - waarde van 16 + het aantal waarde hoe des te zwaarder op des de hoogte eissen voldoet

Deze les behandelt ioniserende straling en de bouw van een atoom. Ioniserende straling bevat genoeg energie om atomen te veranderen. Een atoom bestaat uit een kern met protonen en neutronen, omgeven door een elektronenwolk.