Atoom- en Kernfysica Quiz

Atoom- en Kernfysica

• Ioniserende straling: Heeft voldoende energie om atomen te veranderen. Verschillende soorten bestaan: alfa-, beta-, röntgen- en gammastraling.

Atoomstructuur

• Atoom: De kleinste eenheid van een element. Kern omringd door elektronenwolk. Elektronen zijn significant kleiner dan de kernmassa.
• Atoomdeeltjes: Protonen (positief), neutronen (neutraal), en elektronen (negatief).
• Schillen (K, L, M, etc.): Elektronen gegroepeerd in schillen. K-schil heeft hoogste bindingsenergie; bindingsenergie is aangegeven in eV (elektronvolt).
• Elektronvolt (eV): Eenheid van energie voor geladen deeltjes. 1 eV = 1.6 * 10⁻¹⁹ Joule. Volt is de energie die het kost om een lading van 1 Coulomb te verplaatsen.
• Atoomnotatie: (_z^A)X, bijvoorbeeld (_6^12)C A=massagetal=Z+N, Z=atoomnummer, X = elementsymbool, N = aantal neutronen.

Nucliden, Isotopen, Isomeren, Isobaren

• Nucliden: Alle verschillende atomen van alle elementen.
• Isotopen: Elementen met hetzelfde atoomnummer (Z) maar verschillend massagetal (A). Zelfde chemische eigenschappen, verschillend aantal neutronen.
• Radio-isotopen: Isotopen die radioactief zijn, met gelijk atoomnummer, verschillend massagetal.
• Isomeren: Gelijk massagetal en atoomnummer, maar verschillen in energie-inhoud.
• Isobaren: Gelijk massagetal (A).

Instabiele Atoomkernen

• Stabiliteit: Stabiele kernen hebben gelijke verhouding protonen/neutronen..
• Instabiliteit: Instabiele kernen hebben een verkeerd aantal protonen/neutronen, teveel energie in de kern. Vaak radioactief.
• Radioactief verval: Instabiele atoomkernen veranderen in stabielere stoffen door het uitzenden van ioniserende straling.

Deeltjesstraling

• Alfa-deeltjes (α): Heliumkernen (2 protonen + 2 neutronen). Positieve lading.
• Beta-deeltjes (β⁻): Elektronen (e⁻) bij emissie uit de kern.
• Positrons (β⁺): Antideeltjes van elektronen (e⁺).
• Neutronenstraling: Voornamelijk afkomstig uit kernreactoren.
• Elektronen- en protonenstraling: Afkomstig uit deeltjesversnellers.

Fotonenstraling

• Fotonen (ioniserende straling): Υ-straling en röntgenstraling.
• Υ-straling: Elektromagnetische straling afkomstig uit de atoomkern. Zeer energiek.
• Röntgenstraling: Elektromagnetische straling, met lagere energie dan Υ-straling, afkomstig van elektronenschillen.

Radioactief Afval

• Energie vrijmaking: Verschillende deeltjes (α, β⁻, β⁺, neutronen, Υ) geven verschillende hoeveelheden energie (eV) vrij tijdens verval.

Vervalprocessen

• Alfa-verval: Zware kernen stabiliseren zich door uitzending van heliumkern(α-deeltje).

• Beta⁻-verval: Overschot aan neutronen. Neutron verandert in proton, elektron (β⁻), en antineutrino (v⁻). Energie van β⁻ kan variëren.

• Beta⁺-verval: Overschot aan protonen. Proton verandert in neutron, positron (β⁺), en neutrino (v). Energieoverschot van 1022 keV nodig. Annihilatie met elektron gevolgd door emissie van fotonen (511 keV).

• Elektronenvangst (EC): Kern neemt elektron op uit elektronenwolk. Proton verandert in neutron, röntgenfoton/Auger-elektron.

• Spontane splijting: Zeer zware kernen kunnen spontaan in kleinere delen splitsen, neutronen vrijkomen, veel energie vrij.

• Υ-verval: Kern in aangeslagen toestand raakt energie kwijt door emissie van ϒ-foton. Energie van foton is karakteristiek.

• Interne conversie (IC): Overtollige energie van de kern wordt overgebracht aan een elektron, zonder verandering kern. Energie detecteerbaar als conversie elektronen, röntgenstraling en Auger elektronen volgen.

Verval en Halveringstijd

• Halveringstijd (T₁/₂): Tijd waarin de helft van de atomen is vervallen. Exponentiële afname.
• Activiteitsformule: At = A₀ * (½)^(t/T₁/₂)

Eenheden

• Activiteiten: Becquerel (Bq) en Curie (Ci). Bq is de gangbare eenheid. 1 Ci = 3.7 * 10¹⁰ Bq.

Wisselwerking en Afscherming

• Doordringend vermogen: Alfa- en beta-deeltjes hebben dracht, fotonen niet.
• Energieverlies / Dracht: Alfa en beta deeltjes geven hun energie af via botsingen met elektronen in het medium. Neutronen botsen met atoomkernen. Het verschil in dracht tussen de verschillende deeltjes in lucht en weefsel.
• Remstraling: Energieverlies door β-deeltjes bij interactie met elektrische velden in materialen met hoge Z-waarde.
• Annihilatie: In het geval van β+-deeltjes resulteert een botsing met elektron in annihilatie met fotonen.
• Verschillende effecten van fotonen: Foto-elektrisch effect, Compton-effect en Paarvorming, de kans op deze effecten is afhankelijk van de energie van het foton en het atoomnummer.
• Afscherming: Materiaaldikte en Z-waarde bepalen de effectiviteit voor verschillende stralingssoorten. Lood voor γ-straling, beton voor grote structuren.

Grootheden en Eenheden in Stralingshygiëne

• Absorptiedosis (D): Energie per massa (Gy).
• Equivalente dosis (H): Absorbeerdedosis gewogen met de stralingsweegfactor (Wr) (Sv).
• Effectieve dosis (E): Equivalente dosis gewogen met de weefselweegfactor (Wt) (Sv).
• Stralingsweegfactor (Wr): Dimensionloos; geeft aan hoe schadelijk een type straling is.
• Weefselweegfactor (Wt): Geeft het relatieve belang van straling op verschillende lichaamsdelen.

Detectie van Ioniserende Straling

• Verscheidene soorten detectoren: Gasgevulde detectoren (ionisatiekamer, proportionele telbuis en Geiger-Müller teller), Halfgeleiders en scintillatiedetectoren.

• Scintillatiedetectoren: Materialen die licht produceren bij straling.

• Detectie via ionisatie: De elektronen en ionen die ontstaan door straling worden gebruikt om de straling te meten.

Biologische Effecten van Ioniserende Straling

• Schade op cellulair niveau: Direct en indirect, door interactie met materie en vorming vrije radicalen.

• DNA-reparatie: Mechanismen voor herstel van DNA-schade.

• Apoptose: Mechanismen voor verwijdering van beschadigde cellen.

• Stralingsgevoelige en stralingssober cellen: Snel delende (tumorcellen, rode bloedvormende cellen, kinderen) vs. Langzame delende cellen (zenuwcellen, spieren, hersenen)

• Effecten op mens: Somatische (acuut, laat, kansgebonden) en genetische (kansgebonden).

• Kansgebonden effect: Hoge dosis vergroot kans maar ernst niet afhankelijk van dosis. Late effecten met latentieperiode.

• Deterministische effect: Hoge drempel dosis, hoge dosis leidt tot hogere ernst. Acuut of laat effect

• Verschillende syndromen bij schadelijke weefselreactie: Beenmergsyndroom (1 Gy), Darmsyndroom (5 Gy), Hersensyndroom (50 Gy).

• Effecten op ongeboren kind: Spontane abortus, misvormingen, vermindering IQ, groeiachterstand.

• Nageslacht: Schade in geslachtscellen.

• Risicogetal van stralingsschade: 5% per Sv op het risico van fatale kanker.

Blootstelling aan Ioniserende Straling

• Jaardosis in Nederland: Ongeveer 2 mSv (van natuurlijke bronnen).
• Blootstelling van werknemers: Diverse categorieën en maximum limiet per jaar (1 mSv, 1-6 mSv en 6-20 mSv).