Kernfysica

Kernfysica
INKIJKEXEMPLAAR
1 | Radioactiviteit en ioniserende straling
2 | Toepassingen van radioactiviteit

10
1 Radioactiviteit en ioniserende straling
ja nee juist?
Radioactieve stralen bestaan niet. ❑ ❑ ❑
Isotopen spelen een belangrijke rol bij weersvoorspellingen. ❑ ❑ ❑
De aarde zendt voortdurend kosmische straling uit. ❑ ❑ ❑
Een nevelkamer wordt gebruikt om radioactieve stoffen
onschadelijk te maken. ❑ ❑ ❑
Atomen met een atoomnummer hoger dan 83 zijn radioactief. ❑ ❑ ❑
Met behulp van radioactieve stoffen kan je foto’s maken. ❑ ❑ ❑
De wijzerplaat van een uurwerk kan radioactief zijn. ❑ ❑ ❑
Gezonde cellen zijn gevoeliger voor straling dan tumorcellen. ❑ ❑ ❑
Röntgenstralen zijn onschadelijk. ❑ ❑ ❑
Het menselijke lichaam is een stralingsbron. ❑ ❑ ❑
1.1 Ioniserende stralen
1.1.1 Radioactiviteit in de buurt
Opdracht 1
Op welke afdelingen in een ziekenhuis tref je het waarschuwingsteken aan dat hiernaast is
afgebeeld?
Het teken wijst erop dat je op een plaats bent waar er zich radioactieve stoffen bevinden
en waar er ioniserende straling of kortweg straling aanwezig is.
Op de heuvel Morro do Ferro in de Braziliaanse hooglanden
doet er zich een bijzonder natuurfenomeen voor.
Het plaatje hiernaast toont bladeren van een welbepaalde
plant uit de familie van de Melastomataceae. De foto is
ontstaan door de plant op een omslag te leggen waarin
zich een röntgenfilm bevond.
De plant heeft dus in feite een röntgenfoto van zichzelf
gemaakt. De bodem waarop deze plant groeit bevat een
oplosbare radioactieve verbinding op basis van thorium.
INKIJKEXEMPLAAR
Radioactiviteit en ioniserende straling

Opdracht 2
Verklaar met deze gegevens hoe de plant een röntgenfoto van zichzelf kon maken.
Het element thorium bevindt zich in het periodiek systeem in de reeks van de actiniden. De
meeste elementen van de actiniden zijn radioactief. Om dat te kunnen begrijpen moeten
we eerst doordringen tot in de kernen van de atomen.
1.1.2 Nucleonen en nucliden
Atomen zijn heel kleine deeltjes van ongeveer 10 –10 m groot. Ze bestaan uit een kern en
een elektronenmantel.
De kern bestaat op zijn beurt uit kleine deeltjes die we nu cleonen noemen. Er zijn twee
soorten: protonen (positief geladen deeltjes) en neutronen (neutrale deeltjes).
Zo bezit de kern van een natriumatoom 23 nucleonen: 11 protonen en 12
neutronen. Rond die kern bewegen bovendien 11 elektronen.
In de chemie stellen we dit atoom symbolisch voor als 23 11 Na (ook wel: 23Na). In de kernfysica gebruiken we dit symbool om alleen de kern van het atoom
voor te stellen. We spreken dan van een nuclide. Dat is een kern met een
welbepaald aantal protonen en neutronen.
neutron
elektron
atoomkern
proton
In de kern zit er bovendien veel energie opgeslagen. Met de straling, die door de kern wordt
uitgezonden, komt een deel van die energie vrij.
INKIJKEXEMPLAAR
Het aantal neutronen in de kern stellen we voor door het symbool N.
Het aantal protonen in de kern noemen we het atoomnummer Z. In het periodiek systeem
staat het links boven het symbool van het element.
Het aantal nucleonen in de kern noemen we het massagetal A. Het massagetal is de som
van de protonen en de neutronen (Z + N = A).
Radioactiviteit en ioniserende straling 11

12
3 He
1.1.3 Isotopen
Speelgoedballonnen worden gevuld met het gas helium.
Het is lichter dan lucht en niet brandbaar. Het gas
dat uit de gasfles komt, is een mengsel van twee ‘soorten’
helium: 4 He (99,999 863 %) en 3 He (0,000 137 %).
4 He
De atomen van deze twee ‘heliumsoorten’ bevatten hetzelfde aantal
protonen (2) en elektronen (2). Alleen het aantal neutronen
verschilt: 3He heeft één neutron en 4He heeft twee neutronen. Het
massagetal is dus ook verschillend (respectievelijk 3 en 4). We zeggen
dat 3He en 4He isotopen zijn van elkaar.
Isotopen hebben eenzelfde aantal protonen en elektronen, maar
verschillen van elkaar door het aantal neutronen. Daardoor verschilt
ook het massagetal.
3 He
4 He
atoomnummer Z 2 2
aantal protonen 2 2
massagetal A 3 4
aantal neutronen 1 2
aantal elektronen 2 2
3 4 He en He worden heel veel gebruikt bij wetenschappelijk onderzoek rond het absolute
nulpunt (0 K). Beide heliumisotopen zijn niet radioactief.
Opdracht 3
Het gas in neonreclamebuizen is een mengsel van drie isotopen. Voor 90,9 % bestaat het
uit atomen 20Ne, voor 0,3 % uit 21Ne en de andere 8,8 % zijn atomen 22Ne. Vul nu de onderstaande tabel aan.
atoomnummer Z
aantal protonen
massagetal A
aantal neutronen
aantal nucleonen
aantal elektronen
20 Ne 21 Ne 22 Ne
INKIJKEXEMPLAAR
voorkomen 90,9 % 0,3 % 8,8 %
Neon wordt gewonnen uit lucht. Door destillatie van vloeibare lucht worden alle andere
componenten verwijderd tot alleen het neongas overblijft.
Radioactiviteit en ioniserende straling

1.1.4 Ioniserende straling
Op de foto zie je een schaaltje waarin zich 3,4 g radium ( 226 88 Ra )
bevindt, een element dat uit uraanerts wordt gehaald. In de kamer
was geen licht en de foto werd zonder flits gemaakt!
Dat komt omdat radium in het schaaltje aanhoudend deeltjes en golven,
afkomstig uit de kern van de atomen, uitzendt in alle richtingen:
– α-deeltjes bestaan uit 2 protonen en 2 neutronen;
– β-deeltjes zijn snelbewegende elektronen;
– γ-stralen zijn elektromagnetische golven met een kleine golflengte.
De deeltjes botsen met grote energie op de moleculen van de omringende lucht. Die
moleculen nemen daarbij zoveel energie op dat ze die na elke botsing weer uitzenden in
de vorm van licht.
uitgestoten elektron
Veel atomen verliezen bij die botsingen één of meer
elektronen en worden ionen. We zeggen dat de
β-deeltje
lucht wordt geïoniseerd. Daarom noemen we de
deeltjes en golven die door de stof worden uitgezonden
ioniserende straling.
Ook röntgenstraling is ioniserend. De stof die de
straling uitzendt, noemen we radioactieve stof.
In het dagelijkse leven hoor je soms de uitdrukking ‘radioactieve straling’. Uit het voorgaande
heb je wellicht begrepen dat straling niet radioactief kan zijn; alleen de stof die de ioniserende
straling uitzendt, is radioactief.
1.1.5 Straling wordt zichtbaar
β-deeltje
Ioniserende straling is onzichtbaar, maar kan ‘zichtbaar’ gemaakt worden in een nevelkamer.
Dat is een klein, cilindervormig, doorzichtig vat dat gevuld is met damp die op het
punt staat te condenseren (= vloeibaar worden). Zodra er een radioactieve stof in het vat
gebracht wordt, schieten er α- of β-deeltjes door de damp. Langs de banen, die de deeltjes
volgen, ontstaan er vloeistofdruppeltjes zodat de banen zichtbaar worden.
INKIJKEXEMPLAAR
Radioactiviteit en ioniserende straling 13
kern

14
ZoekopdracHt 1
Zoek op YouTube enkele filmpjes op basis van de volgende zoekwoorden: nevelkamer –
Nebelkammer – cloud chamber – wilsonvat – Wilson nevelkamer …
Bekijk de filmpjes aandachtig.
Teken daarna in de cirkel hieronder enkele sporen die je duidelijk kon waarnemen.
Duid met een pijltje aan in welke richting het deeltje beweegt en markeer de plaats
waar de radioactieve stof zich bevindt.
Ook zonder radioactieve stof kan je in de nevelkamer sporen zien. Die worden veroorzaakt
door terrestrische straling die de aarde zelf uitzendt, maar ook door kosmische straling
die de aarde bereikt vanuit het heelal. Het grootste deel van die kosmische straling wordt
geabsorbeerd in de dampkring, maar toch leven we op aarde in een (licht) radioactieve
omgeving. We noemen dat de achtergrondstraling.
In de ruimte zelf is de kosmische straling zeer sterk en gevaarlijk voor de mens. Hoe astronauten
hiertegen beschermd kunnen worden bij lange ruimtereizen is een onopgelost probleem.
Opdracht 4
– Piloten en vliegend personeel zijn meer blootgesteld aan ioniserende straling dan grondpersoneel.
Hoe komt dat?
– Is de bemanning van het ISS onderworpen aan een grotere straling?
Synthese
• De kern van een atoom bestaat uit nucleonen: protonen (positief geladen deeltjes)
en neutronen (neutrale deeltjes).
INKIJKEXEMPLAAR
• Het aantal neutronen in de kern stellen we voor door het symbool N.
Het aantal protonen in de kern noemen we het atoomnummer Z.
Het aantal nucleonen in de kern noemen we het massagetal A.
• Atomen van eenzelfde element, maar met een verschillend massagetal noemen we isotopen:
ze hebben hetzelfde aantal protonen, maar een verschillend aantal neutronen.
• Een radioactieve stof zendt ioniserende straling uit. Die straling bestaat uit deeltjes
en golven.
• Ioniserende straling kan zichtbaar gemaakt worden in een nevelkamer.
Radioactiviteit en ioniserende straling

1.2 Ontsnappen uit de atoomkern
1.2.1 Stabiliteit en verval van kernen
Elke atoomkern bevat één of meer protonen. De positief geladen protonen stoten elkaar af
en hebben dus de neiging om de kern te doen ‘ontploffen’. Nochtans zijn een groot aantal
nucliden (ongeveer 150) stabiel. Die stabiliteit wordt veroorzaakt door de neutronen. De
sterke kernkracht zorgt er immers voor dat protonen en neutronen elkaar aantrekken als
ze zich zeer dicht bij elkaar bevinden.
Een onstabiele atoomkern noemen we radioactief; we zeggen dat hij spontaan vervalt.
Na korte of lange tijd wordt hij vanzelf weer stabiel door één of meer kerndeeltjes weg te
slingeren. Die deeltjes vormen de ioniserende straling. Een radioactieve atoomkern duiden
we aan met de term radionuclide.
Opdracht 5
Om beter het verschil te zien tussen stabiele en onstabiele kernen vul je eerst de volgende
tabel in. In de laatste kolom deel je het aantal neutronen door het aantal protonen (2 cijfers
na de komma).
element stabiele isotopen Z N N/Z
helium 4 He
titaan 46 Ti
zilver 109 Ag
dysprosium 156 Dy
lood 207 Pb
Maak vervolgens dezelfde berekening voor onstabiele isotopen van dezelfde elementen.
element onstabiele isotopen Z N N/Z
helium 5 He
titaan 44 Ti
zilver 118 Ag
dysprosium 148 Dy
INKIJKEXEMPLAAR
lood 213 Pb
Uit deze tabellen blijkt:
– In elke atoomkern (behalve 1 H) is het aantal neutronen groter dan of gelijk aan het aantal
protonen.
– Hoe meer protonen een kern bevat, hoe groter de verhouding N/Z. Bij elke stabiele isotoop
van een bepaald element in de eerste tabel hoort een ‘optimale’ verhouding N/Z.
Bij de onstabiele isotopen van diezelfde elementen (tabel 2) wijkt de verhouding N/Z af
van dit optimum. Is N/Z>1,55, dan weet je zelfs meteen dat de kern radioactief is.
Radioactiviteit en ioniserende straling 15

16
Kernen met een atoomnummer hoger dan 83 vallen niet meer te stabiliseren met neu-
tronen. Al die kernen zijn radioactief.
Atoomkernen kunnen op verschillende wijzen vervallen. De drie voornaamste vormen van
verval nemen we even apart onder de loep. Ze worden weergegeven in drie transmutatieregels.
1.2.2 Alfaverval
Een mengsel van zinksulfide en radiumzout licht op in het donker (radioluminescentie).
De zachte gloed ontstaat doordat de radiumkernen ( 226Ra) één voor één vervallen. Daarbij
stoten ze een alfadeeltje (α) uit. Telkens wanneer zo’n α-deeltje het zinksulfide treft, licht
dat even op.
ZoekopdracHt 2
Vroeger werden de wijzers en de cijfers van uurwerken bestreken met dit mengsel om
ook in het donker te kunnen zien hoe laat het is. In de jaren 1920 leidde dit tot de
tragische dood van de zogenaamde ‘radium girls’. Zoek op wat er aan de hand was.
Een α-deeltje is een hecht geheel van 2 protonen en 2 neutronen. Het is ook de kern
van een bepaalde nuclide. Zoek de naam van de nuclide op in het periodiek systeem.
Wat gebeurt er als een radiumkern een α-deeltje uitstoot?
De radiumkern 226 88 Ra is natuurlijk niet meer dezelfde als voorheen. Het aantal protonen is
immers met twee verminderd, zodat het atoomnummer Z wijzigt van 88 naar 86. Bovendien
is het massagetal A met vier verlaagd: het wordt 222 in plaats van 226.
Bij alfaverval verandert radium dus in radon.
INKIJKEXEMPLAAR
A Z A – 4 Z – 2
Radioactiviteit en ioniserende straling

De eindproducten bij het verval van een radiumkern zijn een radon- en een heliumkern
(α-deeltje). We stellen deze omzetting als volgt voor:
226
88 Ra 222 86 Rn + 4 2He
Door het verval maakt het radiumatoom dus een ‘sprong’ in het periodiek systeem.
Vooral radionucliden met een atoomnummer hoger dan 83 (bismut) zenden α-deeltjes uit.
1.2.3 Bètaverval
In het hart van een kernreactor ontstaat bij normale werking een hele reeks radionucliden.
Die mogen natuurlijk niet ontsnappen.
Toen in 1986 de kernreactor van Tsjernobyl ontplofte, kwam er een wolk van radioactieve
stoffen vrij, die Europa binnendreef. Ze bevatte onder andere grote hoeveelheden
131
53 I (jood-131), 90 38 Sr (strontium-90) en 137 55 Cs (cesium-137). Die drie radionucliden vervallen
door een elektron uit te zenden.
Dat komt omdat in de kern een neutron wordt omgezet in een proton en een elektron (dat
wordt uitgezonden). De omzetting schrijven we als volgt:
1
0 n 1 1 p + 0 –1e
Het uitgezonden elektron noemen we ook een bètadeeltje (β). Door een β-deeltje uit te
zenden verandert het massagetal A niet. Het atoomnummer Z stijgt echter met 1; er komt
immers een proton bij.
A Z A Z + 1
Door een β-deeltje uit te zenden, wordt het jood-131 omgezet in een andere nuclide. Welke?
INKIJKEXEMPLAAR
131 I
53 + 0 –1e
Door het verval schuift het joodatoom een plaats naar rechts in het
periodiek systeem. Het nieuwe element staat dus één plaats voorbij
het oorspronkelijke element.
Vooral radionucliden met een atoomnummer lager dan 83 (bismut)
zenden β-deeltjes uit.
Radioactiviteit en ioniserende straling 17

18
1.2.4 Gammaverval
Een atoomkern die een α- of een β-deeltje heeft afgegeven, is
meestal nog niet stabiel. Hij raakt de overtollige energie kwijt
door elektromagnetische straling uit te zenden.
Zo’n gammastraal (γ) kun je voorstellen als een golf die uitgezonden
wordt door de kern. De energie in die golf is echter
zo geconcentreerd dat het lijkt alsof de kern ‘pakketjes’ energie
uitstuurt. Zo’n pakketje noemen we een gammafoton (γ).
Een gammafoton heeft geen lading en geen massa. Wanneer een atoomkern een gammafoton
uitzendt, verandert noch zijn massagetal, noch zijn atoomnummer. De kern verliest
wel zijn overtollige energie.
A Z A Z
Synthese
• In een stabiele atoomkern is het aantal neutronen groter dan of gelijk aan het aantal
pro tonen. De stabiliteit wordt veroorzaakt door de neutronen.
• Onstabiele atoomkernen noemen we radioactief. Ze vervallen spontaan. De straling
die daarbij ontstaat, noemen we ioniserende straling. Kernen met een atoomnummer
hoger dan 83 zijn altijd radioactief.
• Bij alfaverval wordt een α-deeltje uitgezonden. Het is een hecht geheel van twee
protonen en twee neutronen.
Wanneer een instabiele kern een α-deeltje uitstoot, vermindert het massagetal met
vier en het atoomnummer met twee. Daardoor ontstaat een nieuw element dat twee
plaatsen voor het oorspronkelijke element staat in het periodiek systeem.
• Bij bètaverval wordt een β-deeltje uitgezonden. Het aantal nucleonen blijft ongewijzigd,
maar het atoomnummer neemt toe met één. Het nieuwe element staat dus één
plaats voorbij het oorspronkelijke element in het periodiek systeem.
INKIJKEXEMPLAAR
• Een radioactieve kern kan haar overtollige energie ook kwijtspelen door het uitzenden
van gammastraling. Zo’n γ-foton heeft geen lading en geen massa. De radionuclide
verliest alleen haar overtollige energie.
Radioactiviteit en ioniserende straling

1.3 Ioniserende stralen zijn gevaarlijk
Met een beetje gezond verstand ken je meteen een aantal basisregels om je tegen de gevaren
van α-, β- en γ-straling te beschermen:
– kom niet te dicht bij een stralingsbron;
– zorg voor een afscherming tussen jou en de stralingsbron;
– zorg ervoor dat de bestralingstijd zo kort mogelijk is.
1.3.1 Lichamelijke schade
Vroegsomatische schade
Al snel na een sterke bestraling treedt vroegsomatische schade op. Dat komt doordat sneldelende
cellen in organen en weefsels (bv. maag- en darmslijmvlies, beenmerg, lymfeklieren)
erg stralingsgevoelig zijn. Ook een embryo is zeer stralingsgevoelig.
Bovendien kunnen ioniserende stralen door hun grote energie-inhoud de cellen van de huid
vernietigen, waardoor brandwonden ontstaan.
Bij slachtoffers van massieve bestraling zijn er zoveel cellen vernietigd dat de organen niet
meer behoorlijk kunnen werken. We spreken dan van een acuut stralingssyndroom (stralingsziekte).
De eerste symptomen, die al na enkele minuten kunnen optreden, zijn hoofdpijn,
misselijkheid, braken en diarree. Later ontstaan bloedarmoede, vermindering van de
immuniteit, vermoeidheid, enz. De ziekte heeft dikwijls de dood tot gevolg.
Laatsomatische schade
Laatsomatische schade is de schade die jaren
na de bestraling optreedt.
Straling kan het DNA in een celkern beschadigen
waardoor die afsterft. Soms herstelt de cel
zich spontaan. Soms begint ze echter ongecontroleerd
te delen zodat er kanker ontstaat.
Als het DNA in geslachtscellen (eicellen of
zaadcellen) beschadigd wordt, kunnen er
door mutaties afwijkingen ontstaan bij de
kinderen.
celkern
IONISEREND
DEELTJE
Stralingsschade kan ook positief worden aangewend. Tumorcellen zijn immers gevoeliger
voor straling dan gezonde cellen. Dat is de reden waarom kanker bestreden wordt met
radiotherapie.
Het al dan niet optreden van laatsomatische schade is sterk afhankelijk van het toeval. Zo
krijgt een kleine minderheid van de patiënten die met radiotherapie worden behandeld na
jaren opnieuw kanker van een andere aard.
INKIJKEXEMPLAAR
1.3.2 Energie van ioniserende straling
α-deeltjes, β-deeltjes en γ-fotonen krijgen energie mee van de kern waaruit ze ontsnappen.
– α-deeltjes dragen veel energie met zich mee hoewel hun snelheid vrij laag is (ongeveer
16 000 km/s). In lucht kunnen ze slechts een afstand van enkele cm afleggen, maar op
dat korte traject ioniseren ze tot 100 000 atomen.
Ze kunnen niet door papier dringen en ook niet door de menselijke huid. Daarom is het
niet echt gevaarlijk wanneer je uitwendig bestraald wordt met α-deeltjes.
Radioactiviteit en ioniserende straling 19
cel
DNA

20
Heel anders wordt het als je een klein korreltje inslikt of inademt van een radioactieve
stof die α-deeltjes uitstraalt. We spreken dan van besmetting.
De radioactieve stof kan dan je weefsels rechtstreeks bestoken met α-deeltjes. We noemen
dat inwendige bestraling.
Bij de ontploffing in de kernreactor van Tsjernobyl (1986) werd het dak van het gebouw
gerukt, zodat grote en kleine brokstukken van radioactieve stoffen zich kilometers in de
omgeving konden verspreiden. Reddingswerkers probeerden het besmettingsgevaar
tegen te gaan door o.a. de gevels van alle gebouwen met water af te spoelen waardoor
het radioactief stof zoveel mogelijk op de grond terecht kwam en de kans op inslikken
of inademen verkleinde.
ZoekopdracHt 3
In 2006 overleed de Russische dissident en voormalige KGB-agent Alexander
Litvinenko in een Londens ziekenhuis.
Wat had zijn dood met α-deeltjes te maken?
Waarom was er geen gevaar voor het medische personeel?
– β-deeltjes dragen minder energie met zich mee maar bewegen bijna even snel als het licht.
In lucht kunnen ze een afstand afleggen van enkele meters, maar ze werken niet zo sterk
ioniserend. Ze dringen door de huid tot enkele millimeters in menselijk weefsel. Een aluminiumplaatje
houdt ze wel tegen.
Ook β-straling is gevaarlijk, vooral bij inwendige bestraling.
Opdracht 6
a Bij een zwaar ongeval in een kerncentrale kunnen grote hoeveelheden radioactieve stoffen
vrijkomen in de lucht, waaronder de β-straler jood-131.
Noteer de reactie die het verval weergeeft.
INKIJKEXEMPLAAR
b Als I-131 in het lichaam terechtkomt, stapelt het zich vooral op in de schildklier. Hierdoor
kan er schildklierkanker ontstaan. Welke maatregel neemt de overheid om dit zoveel
mogelijk te voorkomen?
Radioactiviteit en ioniserende straling

– γ-fotonen hebben meestal heel veel energie en zijn moeilijk af te schermen.
Als ze doordringen in een stof, geven ze energie af aan de kernen, waardoor die zelf
deeltjes gaan uitzenden. Daarom zijn γ-fotonen zo gevaarlijk.
Een loodplaat met een dikte van 6 cm houdt 95 % van de γ-straling tegen die uitgezonden
wordt door kobalt-60. Om de straling volledig tegen te houden is een loodplaat
van 1 m dik nodig.
Onderstaande tabel vergelijkt het gevaar van de verschillende vormen van straling. Hoe
meer kruisjes, hoe gevaarlijker.
binnen het lichaam buiten het lichaam
α-straling xxx x
β-straling xx xx
γ-straling x xxx
stralingstype
α-deeltjes
β-deeltjes
gammafotonen
Synthese
papier huid
lood 6 cm
• Door sterke bestraling kan de mens twee typen van lichamelijke schade oplopen.
– Vroegsomatische schade is de schade die kort na de bestraling optreedt, waardoor
er cellen vernietigd worden.
– Laatsomatische schade is de schade die jaren na de bestraling optreedt omdat het
DNA van de cel aangetast werd.
• De energie van alfastraling is groot. De stralen hebben een groot ioniserend vermogen.
Bij inwendige besmetting is de straling erg gevaarlijk.
• De energie van bètadeeltjes is kleiner, maar de straling is ook vooral gevaarlijk bij
inwendige bestraling.
INKIJKEXEMPLAAR
• Gammastraling is altijd gevaarlijk en zeer moeilijk af te schermen.
Radioactiviteit en ioniserende straling 21

22
1.4 Radioactiviteit in cijfers
1.4.1 Halveringstijd
Het radioactief verval is een toevalsproces. Je kan onmogelijk voorspellen wanneer een welbepaalde
kern zal vervallen. Maar je kan wel weten welk percentage van de kernen binnen
een bepaalde periode zal vervallen.
We maken de volgende denkoefening. Veronderstel dat we 400 atomen strontium isoleren
uit het radioactieve afval van een kerncentrale. Sr zendt bètastralen uit en wordt daarbij
omgezet in yttrium.
90
38 Sr + 0 –1e
We volgen gedurende een tijd hoeveel strontium er nog over is en hoeveel yttrium er al
gevormd is. Daar zijn we wel een poosje zoet mee: bekijk de tabel maar eens.
tijd resterende atomen strontium gevormde atomen yttrium
nu 400 0
na 28 jaar 200 200
na 56 jaar 100 300
na 84 jaar 50 350
na 112 jaar 25 375
Je merkt dat het telkens even lang duurt om de helft van de hoeveelheid radioactief materiaal
te laten vervallen. De tijd die nodig is om de helft van een groot aantal instabiele kernen
te laten vervallen, noemen we de halveringstijd. Voor strontium-90 bedraagt hij 28 jaar.
De halveringstijd is typerend voor elke radioactieve stof. De tabel hieronder geeft een aantal
voorbeelden. Je merkt hoe uiteenlopend de waarden zijn.
isotoop halveringstijd isotoop halveringstijd
8Be -16 2 · 10 s 238Pu 88 j
214Po -4 1,6 · 10 s 14C 3 5,37 · 10 j
231Th 26 h 235U 8 7,1 · 10 j
222Rn 3,8 d 40K 9 1,28 · 10 j
210Po 138 d 238U 9 4,5 · 10 j
22Na 2,6 j 232Th 10 1,41 · 10 j
3H 12,5 j 87Rb 11 5,0 · 10 j
Voorbeeld
Radioactief Sr-90 ontstaat in kernreactoren. In de jaren 1950-60 kwam het ook in grote
hoeveelheden vrij bij de atmosferische testen van kernbommen.
Het element strontium lijkt chemisch op calcium. In een omgeving waarin radioactief Sr-90
voorkomt (bv. rond Tsjernobyl in 1986) wordt het door het lichaam opgenomen en ‘ingebouwd’
in de beenderen. Wegens de grote halveringstijd treedt er jarenlang stralingsschade
op. Omdat nieuwe bloedcellen in het beenmerg ontstaan, wordt ook het bloed aangetast.
INKIJKEXEMPLAAR
Opdracht 7
Verwerk de gegevens uit de tabel voor strontium en yttrium in een grafiek.
Zet op de horizontale as de tijd uit.
Teken in het blauw de lijn die de hoeveelheid strontium volgt.
Teken in het zwart de lijn die de hoeveelheid gevormd yttrium weergeeft.
Radioactiviteit en ioniserende straling

Na hoeveel halveringstijden blijft er van een radionuclide minder dan 1 % van de
oorspronkelijke hoeveelheid over?
1.4.2 De nuclidenkaart
In het periodiek systeem vind je in elk vakje één element terug. Een nuclidenkaart toont
alle isotopen van de elementen: in elk vakje vind je dus één nuclide.
De figuur hieronder toont je een vereenvoudigde versie. Naast elk nuclide staat het massagetal
vermeld, en daaronder de halveringstijd.
24Si 103 ms
23Al 470 ms
22Mg 3,86 s
21Na 22,8 s
25Si 218 ms
24Al 2,1 s
23Mg 12,0 s
22Na 2,60 j
26Si 2,2 s
25Al 7,2 s
27Si 4,2 s
26Al 7,2 · 105 j
28 Si 29 Si 30 Si 31 Si
27 Al
28Al 2,25 min
24 Mg 25 Mg 26 Mg 27 Mg
23 Na 24 Na
15 h
20 Ne 21 Ne 22 Ne 23 Ne
19 F
18 O
20F 11,0 s
19O 27,1 s
21F 4,4 s
20O 3,6 s
38 s
22F 4,23 s
21O 3,4 s
25Na 59,6 s
24Ne 3,38 min
23F 2,23 s
22O 2,3 s
9,46 min
26Na 1,09 s
25Ne 602 ms
24F 340 ms
23O 82 ms
29Al 6,6 min
28Mg 21,1 h
27Na 295 ms
26Ne 230 ms
25F 87 ms
24O 61 ms
2,62 h
30Al 3,3 s
29Mg 1,49 s
28Na 35,7 ms
27Ne 32 ms
26F 190 ms
INKIJKEXEMPLAAR
Opdracht 8
Teken onder de kaart een horizontale as; en links van de kaart een verticale as. Schrijf bij
elke as het symbool van de grootheid die wordt voorgesteld.
In al de zwarte vakjes staan nucliden waarbij geen halveringstijd vermeld wordt. Deze nucli-
den zijn dus _________________________
Radioactiviteit en ioniserende straling 23

24
Elk radionuclide in een gekleurd vakje vervalt vroeg of laat tot een nuclide dat zich dichter
bij de zwarte vakjes bevindt.
Uiteindelijk ontstaat een nuclide dat stabiel is en dat zich in een __________________ vak
bevindt.
In welke kleur vind je de nucliden die β-deeltjes (elektronen) uitzenden ? _______________
1.4.3 Hoeveel straling wordt er uitgezonden?
ZoekopdracHt 4
Zoek op Youtube enkele filmpjes op basis van de volgende zoekwoorden: Geiger +
counter.
Bekijk de filmpjes aandachtig.
Wat is het verband tussen de snelheid waarmee de tikken elkaar opvolgen en de
activiteit van de radiobron?
Noteer de naam van minstens twee voorwerpen waarvan de activiteit werd onderzocht.
De activiteit van een stralingsbron duidt aan hoeveel radioactieve
atoomkernen er per seconde vervallen. De eenheid
is de becquerel (Bq). Er is een activiteit van 1 Bq als er
per seconde één radioactieve kern vervalt (1 Bq =
1 verval/s).
Activiteit wordt gemeten met een geigerteller. Telkens
als er in de bron een atoomkern vervalt, wordt een deeltje
uitgezonden dat in de telbuis van de teller vliegt. Daar
ontstaat een elektrische stroompuls waardoor de luidspreker
een tik geeft.
Vanzelfsprekend is een radiobron gevaarlijker naargelang de activiteit hoger is. Hoe hoger
de massa van de radioactieve stof, hoe groter haar activiteit. Ook de halveringstijd speelt
een rol: een stof met kleine halveringstijd geeft zijn ioniserende straling in hoog tempo af
en is dus actiever.
INKIJKEXEMPLAAR
Opdracht 9
Radioactiviteit is een toevalsproces: je weet nooit welk atoom zal vervallen; alleen het globale
vervalritme (halveringstijd) ligt vast. De figuur hieronder toont de registratie van een
geigerteller die bij een radioactief staaltje werd gehouden.
(s)
Radioactiviteit en ioniserende straling

Hoe groot is de (gemiddelde) activiteit van het staal ?
Voorbeelden
• We vergelijken twee waarden die ver uit elkaar liggen.
– Een bestralingstoestel voor de behandeling van kanker bevat een hoeveelheid Co-60
die hoogenergetische γ-stralen uitzendt. De activiteit van het kobalt is ongeveer
10 ∙ 10 12 Bq (= 10 TBq; T betekent tera = 10 12 )
– Sommige rookdetectoren bevatten een kleine hoeveelheid Am-241, die α-stralen uitzendt.
De activiteit van de straler is 35 kBq = 35.10 3 Bq.
• In 1986 kwam gedurende de eerste 10 dagen van de kernramp in Tsjernobyl een activiteit
vrij van ongeveer 10 18 Bq.
Opdracht 10
a Ook het menselijke lichaam is een stralingsbron! Ons voedsel bevat immers altijd zeer
kleine hoeveelheden radionucliden.
Bereken aan de hand van de volgende tabel hoe groot de activiteit van je lichaam is. De
hoeveelheid aanwezige radionucliden in het lichaam is daarbij berekend voor een persoon
met een massa van ongeveer 70 kg.
radionuclide aanwezigheid in het lichaam activiteit
uraan-238 90.10 –6 g 1,1 Bq
thorium-232 30.10 –6 g 0,11 Bq
kalium-40 17.10 –3 g 4,4 kBq
radium-226 31.10 –12 g 1,1 Bq
koolstof-14 22.10 –9 g 3,7 kBq
waterstof-3 60.10 –15 g 23 Bq
polonium-210 20.10 –14 g 37 Bq
INKIJKEXEMPLAAR
totaal
b Oceaanwater is ook licht radioactief. In de tabel op de volgende pagina staan de radionucliden
die daarvoor verantwoordelijk zijn. Bereken de totale activiteit per liter zeewater.
Radioactiviteit en ioniserende straling 25

26
238 U
radionuclide activiteit/l
uraan-238 33 mBq
kalium-40 11 Bq
waterstof-3 0,6 mBq
koolstof-14 5 mBq
rubidium-87 1,1 Bq
totaal
c Bouwmaterialen van een huis bevatten altijd kleine hoeveelheden radionucliden, waaronder
U-238. Die uraannuclide vervalt achtereenvolgens in verschillende radionucliden
tot Rn-222. Zoek de verschillende tussenstappen en vul ze hieronder in.
92 4 2 He + 0 –1 e + 0 –1 e + 4 2 He + 4 2 He + 222
Rn +
Zo’n rij nucliden die ‘in elkaar’ vervallen noemen we een transmutatiereeks.
Radon is een radioactief edelgas dat in alle woningen aanwezig is; het is een α-straler. In de
Ardennen komt het meer voor dan in Vlaanderen omdat de rotsen er radon afgeven. De activiteit
van het radongas is ongeveer 50 Bq per m3 lucht, maar soms stelt men waarden vast die
tienmaal zo groot zijn. Radon is verantwoordelijk voor een aantal gevallen van longkanker.
Wat kan je in huis doen om dit radongevaar te beperken?
d Verarmd uraan is een afvalproduct bij de aanmaak van verrijkt uraan voor kernreactoren en
kernwapens. Het wordt op grote schaal gebruikt in pantserdoorborende projectielen en als
versteviging van de bepantsering van tanks. De activiteit van verarmd uraan is 40 kBq/g.
In Europa mogen radioactieve stoffen die in het milieu worden gestort hoogstens een
activiteit van 10 Bq/g hebben. De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) acht een dagelijkse
inname van 0,6 µg per kilogram lichaamsgewicht aanvaardbaar voor ingeslikt uraan.
Welke gezondheids- en milieuproblemen zullen opduiken door het gebruik van verarmd
uraan op het slagveld?
INKIJKEXEMPLAAR
1.4.4 Hoeveel stralingsenergie wordt er opgenomen?
Hoe langer je bestraald wordt, hoe meer stralingsschade je oploopt. De geabsorbeerde
dosis is de hoeveelheid energie die door de materie opgenomen (ge absorbeerd) wordt per
kg bestraalde massa.
geabsorbeerde dosis =
geabsorbeerde energie
massa
De eenheid van geabsorbeerde dosis is de gray (1 Gy = 1 J/kg).
Radioactiviteit en ioniserende straling
86

Voorbeelden
• Bij een röntgenfoto van de buik wordt een dosis geabsorbeerd van 1,4 mGy. Bij een
CT-scan van datzelfde gebied is dat 8 mGy en een CT-scan van het bekken levert een
dosis van 25 mGy.
• Bij lokale bestraling absorbeert een tumor een dosis van 40 Gy of meer. Een dosis van
10 Gy, verspreid over het hele lichaam, is in vele gevallen echter al dodelijk. Daarom worden
bestralingssessies zeer nauwkeurig voorbereid en uitgevoerd.
Bij mensen die werken in een omgeving waarin ze
aan straling worden blootgesteld (radiologie, laboratorium,
kerncentrale …) moet de geabsorbeerde
dosis dag na dag worden gemeten. Bovendien moeten
al die dosissen worden opgeteld. Dat gebeurt
door middel van een dosimeter die altijd wordt
meegedragen.
1.4.5 Wat is het biologisch effect van een geabsorbeerde dosis?
Om te kunnen schatten hoe ernstig de gevolgen zijn van een geabsorbeerde dosis moet je
rekening houden met de aard van de straling en de getroffen weefsels of organen.
Zo hebben α-deeltjes (lading +2) een twintig maal groter biologisch effect dan β-deeltjes
(lading -1) omdat ze binnen het lichaam veel meer ionisatie veroorzaken.
Om het biologisch effect van een bepaald soort straling in te schatten, moet je de effectieve
dosis berekenen. Voor een bestraling over het hele lichaam vind je die met de formule:
effectieve dosis = geabsorbeerde dosis × Q
Daarin is Q de stralingsweegfactor. Voor α-straling is Q = 20; voor β-, γ- en röntgenstraling
is Q = 1. Heeft de straling slechts bepaalde organen getroffen, dan wordt de berekening
ingewikkelder.
De eenheid van effectieve dosis is de sievert (1 Sv = 1 J/kg)
Voorbeelden
• Bij een nucleair ongeluk krijgt een persoon een stralingsdosis van 0,1 Gy aan α-straling
en 0,2 Gy aan β-straling. De effectieve dosis van de gecombineerde blootstelling is:
(20 × 0,1) + (1 × 0,2) = 2,2 Sv
• We kunnen nu een verband leggen tussen de waarden van de effectieve dosis en de bijhorende
vroegsomatische schade bij bestraling gedurende korte tijd.
effectieve dosis aangerichte schade
minder dan 200 mSv tijdelijke afname van het aantal witte bloedcellen
500 mSv afname van het aantal rode bloedcellen
1 Sv eerste symptomen van stralingsziekte
2 Sv gevorderde stralingsziekte met aantasting van het beendermerg
2,5 Sv tijdelijke steriliteit
3 Sv ernstige brandwonden
4 Sv 50 % van de getroffen personen sterft op termijn
5 Sv cataract (vertroebeling ooglens)
stralingsziekte met ernstig darmsyndroom
10 Sv brandwonden met blaren; de getroffen personen sterven
binnen enkele dagen
INKIJKEXEMPLAAR
Radioactiviteit en ioniserende straling 27

28
• De 31 personen die kort na de ramp in Tsjernobyl gestorven zijn omdat ze opruimingswerk
hadden verricht vlakbij de openliggende reactor, hadden effectieve dosissen opgelopen
van 6 à 16 Sv.
• Ook het risico op laatsomatische schade kan worden geschat aan de hand van de effectieve
dosis.
De ICRP (International Commission on Radiological Protection) schat de kans op kanker
op ongeveer 4 % per Sv effectieve dosis: van de 100 personen die blootgesteld worden
aan 1 Sv, krijgen vier later kanker.
Uitgaande van het feit dat een lagere dosis een evenredig lagere kans op kanker
geeft, moeten van 1000 personen die blootgesteld worden aan 0,1 Sv er eveneens
4 kanker krijgen; hetzelfde geldt voor 10000 personen die blootgesteld worden aan
0,01 Sv. Wetenschappers zijn er echter nog steeds niet zeker van of deze veronderstelling
ook juist is.
ZoekopdracHt 5
a De federale overheid meet voortdurend de radioactiviteit in de lucht en in het water
met 212 meetstations van het TELERAD-netwerk. Het FANC verwerkt al die meetgegevens
en berekent de stralingsbelasting waaraan mensen blootgesteld worden.
Wat betekent FANC?
b Raadpleeg de webbrochure Het radiologisch toezicht in België van het FANC om
de volgende vragen op te lossen.
Wat is de gemiddelde effectieve dosis waaraan een Belg gedurende één jaar wordt
blootgesteld?
Dat is grotendeels te wijten aan natuurlijke stralingsbronnen. Geef voor elke
bron het procentuele aandeel.
Er zijn ook kunstmatige bronnen. Welke zijn dat?
INKIJKEXEMPLAAR
Volgens de Belgische wetgeving mogen werknemers die beroepshalve blootgesteld
zijn aan straling maximaal een effectieve dosis van 20 mSv/jaar krijgen. Voor het
publiek is die dosislimiet 1 mSv/jaar (bovenop natuurlijke en medische blootstelling).
Radioactiviteit en ioniserende straling

Synthese
• De tijd die nodig is om de helft van een hoeveelheid radioactief materiaal te laten
vervallen, noemen we de halveringstijd. Die is typerend voor een radioactieve stof;
de waarde ervan is sterk uiteenlopend.
• De activiteit van een stralingsbron duidt aan hoeveel radioactieve atoomkernen er per
seconde vervallen. De eenheid is de becquerel (1 Bq = 1 verval/s).
• De geabsorbeerde dosis is de hoeveelheid energie die door de materie opgenomen
(geabsorbeerd) wordt per kg bestraalde massa.
geabsorbeerde dosis =
geabsorbeerde energie
massa
De eenheid van geabsorbeerde dosis is de gray (1 Gy = 1 J/kg).
• De effecten van ioniserende straling op de mens zijn cumulatief.
• Om het biologische effect van een bepaalde soort straling in te schatten wordt de geabsorbeerde
dosis vermenigvuldigd met een factor Q. Je bekomt dan de effectieve dosis.
De eenheid ervan is de sievert (1 Sv = 1 J/kg).
test jezelf
1 De nuclide 14
C bevat:
6
A 6 neutronen
B 8 neutronen
C 14 neutronen
D 20 neutronen
2 Voor een onderzoek van de schildklier wordt een bepaald joodisotoop gebruikt.
Waarin verschillen de kernen van de joodisotopen van elkaar?
A Alleen het aantal neutronen is verschillend.
B Alleen het aantal protonen is verschillend.
C Zowel het aantal protonen als het aantal neutronen varieert.
3 De radioactiviteit van een stuk rots wordt onderzocht met een geigerteller.
Wanneer de teller vlak bij het stuk rots wordt gehouden, meet die een activiteit
van 90 Bq. Als het stuk rots wordt ingepakt in papier dan daalt de activiteit naar
80 Bq, en na het inpakken van het rotsfragment in alumminiumfolie duidt de
meter nog 15 Bq aan.Welke soort straling zendt het stuk rots uit? Motiveer je
antwoord.
INKIJKEXEMPLAAR
Radioactiviteit en ioniserende straling 29

30
4 Zoek de gevraagde gegevens voor onderstaande atoomkernen.
nuclide van koper 62 cu 63 cu 64 cu
atoomnummer Z
aantal protonen
aantal neutronen
massagetal A
onstabiel stabiel onstabiel
5 De wanden van een kernreactor bestaan vooral uit ijzer-56. Terwijl de reactor
werkt, worden de atomen Fe-56 voortdurend beschoten met neutronen. Elk
atoom neemt daarbij tot 3 neutronen op.
Schrijf de reactievergelijking die dit proces weergeeft.
Dan zendt de kern een bètadeeltje uit.
Schrijf de reactievergelijking van dit proces.
Ten slotte absorbeert de kern nóg een neutron. Daarbij ontstaat het zeer radio-
actieve
6 In een nucleaire batterij wordt stralingsenergie van een radioactieve stof omgezet
in elektrische energie. Waarom is Po-210 minder geschikt dan Pu-238 om
een batterij te maken voor lange ruimtereizen?
7 Polonium-210 wordt gemaakt door een bepaalde stof te bestralen met neutronen.
Daarbij ontstaat eerst een instabiele tussenisotoop die door β-verval overgaat
in Po-210. Welke stof wordt bestraald met neutronen? Vul het proces verder
aan.
INKIJKEXEMPLAAR
……
……
1
210 0
…… + n (tussenisotoop) Po +
0
……
8 Na de ramp in Tsjernobyl werd de centrale helemaal ingepakt in beton. Ook
hierna kwam er nog straling naar buiten. Welke soort straling kan nog door het
beton dringen?
–1 e
Radioactiviteit en ioniserende straling

9 Polonium-210 komt voor in tabak. Mede daardoor veroorzaakt roken longkanker.
Wat is het atoomnummer van Po?
Welke soort straling wordt er uitgezonden door Po-210?
De dodelijke effectieve dosis bij acute blootstelling is ongeveer 4 Sv. De activiteit
van Po-210 is 1,66 · 1014 Bq/g. Per opgenomen Bq veroorzaakt Po-210 een
effectieve dosis van 0,51 µSv.
Hoeveel gram Po-210 is dodelijk?
10 Een mangaanstaal ( 56
Mn, halveringstijd 2,6 uur) heeft een activiteit van 100 Bq.
25
Na hoeveel uur is de activiteit gedaald tot 12,5 Bq?
11 Op een bepaald moment wordt de activiteit van een radioactieve stof gemeten. Na drie
dagen blijkt die activiteit teruggelopen te zijn tot 1/4de van de oorspronkelijke waarde.
Hoe groot is dan de halveringstijd?
A 3/4de dag
B 1 dag
C 1,5 dagen
D 6 dagen
E 12 dagen
12 Een geigerteller meet de hoeveelheid straling die
door het afval van een kerncentrale wordt uitgezonden.
In het afval komt een radioactieve isotoop
voor. De metingen zijn weergegeven in een
tabel.
– Teken een Excel-grafiek die het verband aangeeft
tussen de activiteit van het afval en de
tijd.
– Bepaal de halveringstijd van dit element.
t (min) activiteit (Bq)
0,0 2010
1,0 1645
2,0 1412
3,0 1177
4,0 998
5,0 832
6,0 702
7,0 591
8,0 502
9,0 415
10,0 351
11,0 292
12,0 254
INKIJKEXEMPLAAR
Radioactiviteit en ioniserende straling 31

32
2 Toepassingen van radioactiviteit
ja nee Juist?
Teletherapie is een vorm van alternatieve geneeskunde. ❑ ❑ ❑
Tracer betekent letterlijk ‘speurder’. ❑ ❑ ❑
Radionucliden worden gebruikt voor diagnose en
behandeling van ziekten. ❑ ❑ ❑
Een scintigram is een soort röntgenfoto. ❑ ❑ ❑
Bij de behandeling van kanker wordt vaak een isotoop
van kobalt gebruikt. ❑ ❑ ❑
De zon schijnt al ongeveer 4,5 miljard jaar. ❑ ❑ ❑
De atoombom die Hiroshima verwoestte heette Fat Man. ❑ ❑ ❑
Hedendaagse kernreactoren maken gebruik van kernsplijting. ❑ ❑ ❑
Een mengsel van goud en uraan noemen we verrijkt uraan. ❑ ❑ ❑
Binnenkort zal kernfusie een belangrijke energiebron worden. ❑ ❑ ❑
2.1 Radionucliden in de geneeskunde
Kunstmatige radionucliden worden gebruikt in bijna alle takken van wetenschap en techniek,
maar hoofdzakelijk in de geneeskunde.
Opdracht 11
Om een juiste diagnose te stellen probeert de arts dikwijls om een afbeelding te maken van
het inwendige van je lichaam. We spreken van medische beeldvorming.
Hieronder vind je een lijst van medische beeldvormingstechnieken. Duid bij elke techniek
aan welke soort straling of golven er wordt gebruikt.
mammografie
echografie
NMR of MRI
CT-scan
RX-opname
angiografie
soort straling of golf
INKIJKEXEMPLAAR
Bij welke van de onderzoeken wordt er ioniserende straling gebruikt?
Toepassingen van radioactiviteit

2.1.1 Diagnose met technetium (Tc-99)
Om een diagnose te stellen wordt dikwijls een radioactieve tracer in het lichaam gebracht.
Dat woord betekent letterlijk ‘speurder’. Een tracer is een stof die de neiging heeft om zich
in bepaalde organen of weefsels op te hopen en waarin één of meerdere atomen worden
vervangen door radioactieve isotopen. Dat kan, want de chemische eigenschappen van de
stof worden daardoor niet gewijzigd. Zo wordt als het ware een etiket gekleefd op bepaalde
moleculen, die dan een tijd gevolgd kunnen worden binnenin het lichaam.
Technetium is een radionuclide die gammastraling uitzendt, met precies de juiste energie om
goede afbeeldingen te kunnen maken. Het is daarom de meest gebruikte stof in de nucleaire
geneeskunde. De halveringstijd is slechts 6 uur. Dat is lang genoeg voor een medisch
onderzoek, en tegelijk is er voor de patiënt weinig stralingsbelasting. Dagelijks worden in
Europese ziekenhuizen tienduizenden diagnoses gesteld met Tc-99.
Om een bepaald orgaan te onderzoeken, wordt een Tc-houdende stof in een ader gespoten.
De stof verspreidt zich in het bloed over heel het lichaam en concentreert zich in bepaalde
weefsels of organen. Daar zenden de gemarkeerde moleculen dan gammastralen uit. Die
worden opgevangen door een gammacamera, die de beelden doorstuurt naar een monitor.
Het beeld op de monitor noemen we een scintigram. In een oogopslag heeft de arts
een heleboel gegevens over de werking van het orgaan.
ZoekopdracHt 6
Om het scintigram te maken wordt een tracer gebruikt die zich concentreert in
tumoren. Die worden als donkere vlekken zichtbaar op het scintigram. In welk
orgaan doen de vlekken onderaan kanker vermoeden?
Er zijn verschillende typen onderzoek: de gewone botscan, de SPECT-scan en de
PET-scan. Zoek op wat die termen betekenen en waarvoor ze aangewend worden.
Er zijn zeer veel radionucliden die gebruikt worden bij de diagnose van tumoren.
Zoek er enkele op via het internet. Let daarbij vooral op de nucleonensamen stelling,
de halveringstijd en het toepassingsgebied.
INKIJKEXEMPLAAR
2.1.2 Radiotherapie in de strijd tegen kanker
Snel delende tumorcellen zijn extra gevoelig voor straling en kunnen zo worden gedood.
Daarvoor is wel een vrij grote dosis nodig en het is onvermijdelijk dat daarbij ook normale
cellen (bv. haarfollikels, beenmergcellen, darmcellen) worden gedood. Bestraalde patiënten
hebben daardoor vaak last van bijwerkingen.
Toepassingen van radioactiviteit 33

34
Meestal wordt er uitwendig bestraald; we spreken dan van teletherapie. De stralingsbron
bevindt zich dan buiten het lichaam van de patiënt.
Bij inwendige bestraling – dat is brachytherapie – wordt een kleine stralingsbron via naalden
of buisjes in het lichaam van de patiënt geschoven, zo dicht mogelijk bij de tumor.
Zolang de stralingsbron daar aanwezig is, is de patiënt ook zelf radioactief.
Bij uitwendige bestraling is dat nooit het geval.
Bij brachytherapie worden dikwijls de volgende radio-isotopen gebruikt, die o.a. γ-straling
uitzenden.
nuclide toepassing
192Ir slokdarm, luchtpijp, gynaecologie, blaas, hersenen, borst
125I hersenen, prostaat, hypofyse
Voor teletherapie wordt een kobaltbron gebruikt. Die bestaat uit een kleine hoeveelheid radioactief
60Co, gemonteerd in een dik beschermend omhulsel, met daarin een kleine opening.
27
De kobaltkernen vervallen onder uitzending van β-deeltjes. Daardoor worden ze omgezet
in nikkel-60. Deze nikkelkernen zijn op hun beurt instabiel en zenden twee γ-fotonen uit.
60
27 Co 0 –1 e + 60 28 Ni* 60Ni 28 + 2 γ
Het sterretje bij de eerste nikkelkern duidt op de instabiliteit van die kern. We zeggen dat
hij in aangeslagen toestand voorkomt. Door het uitzenden van de twee γ-fotonen wordt
de kern stabiel.
Kobaltbronnen worden gebruikt voor het bestralen van een hersentumor
met de zogenaamde gamma-knife. De liggende patiënt wordt met het
hoofd geplaatst in een speciale ‘helm’ met een groot aantal openingen,
die elk een stralingsbron bevatten. Elke stralingsbundel is uiterst nauwkeurig
op de tumor gericht. Op de plaats van de tumor, waar al de bundels
elkaar snijden, is er dus zeer intense bestraling, terwijl de weefsels
rondom zoveel mogelijk worden ontzien.
Deze methode, waarbij de hele ruimte rond de patiënt wordt gebruikt
voor de bestraling, noemen we stereotactische radiotherapie.
De kobaltbron wordt meer en meer vervangen door de
lineaire versneller (linac). Dit toestel maakt op elektrische
wijze hoog energetische röntgenstralen aan.
Ook met de linac kan stereotactische therapie toegepast
worden. Het toestel draait rondom het hoofd van de
patiënt en stuurt in elke nieuwe positie een hoog energetische
straal uit, die heel nauwkeurig op de tumor gericht
is. Het hoofd van de patiënt wordt daarbij onbeweeglijk
gehouden met een soort frame. Andere organen kunnen
eveneens worden bestraald met dit systeem.
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit

2.1.3 High-tech radiotherapie
De nucleaire geneeskunde maakt intensief gebruik van de neutronenbundels die vrijkomen
in een reactor (zie verder).
Zo wordt er met BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) geprobeerd zeer gericht en specifiek
kankercellen uit te schakelen met α-deeltjes. Omdat α-deeltjes zelf niet door de huid
kunnen dringen, moeten ze vlakbij de te vernietigen cellen aangemaakt worden.
Daarom wordt bij de patiënt een niet-radioactieve, boorhoudende stof geïnjecteerd die
de bijzondere eigenschap heeft dat hij kankercellen opzoekt en zich eraan hecht. Daarna
wordt de pa tiënt blootgesteld aan een neutronenbundel die het gezonde weefsel weinig
schaadt, maar intensief genoeg is om een kernreactie te doen ontstaan in de atomen boor.
10 B
5 + 1 0 n 7 3 Li + 4 2He
De α-deeltjes die hierbij vrijkomen treffen hun doel rechtstreeks.
Het is wel duidelijk dat de boordragende stof alleen de kankercellen mag opzoeken, anders
zou de α-straling ook gezond weefsel treffen. Over de mogelijkheden en beperkingen van
BNCT wordt nog steeds veel onderzoek verricht.
Synthese
• In de medische diagnostiek worden tracers gebruikt. Een tracer is een stof waarin een
aantal atomen worden vervangen door radioactieve isotopen.
• Een tracerhoudende oplossing wordt in een ader gespoten. De stof verspreidt zich via
de bloedbanen tot in het te onderzoeken orgaan. De uitgezonden stralen veroorzaken
een beeld op een monitor. Dat beeld noemen we een scintigram.
• Kanker wordt onder andere bestreden door bestraling van tumoren.
– Meestal wordt er uitwendig bestraald; we spreken dan van teletherapie. De stralingsbron
bevindt zich dan buiten het lichaam van de patiënt.
– Bij inwendige bestraling – dat is brachytherapie – wordt een kleine stralingsbron
via naalden of buisjes in het lichaam van de patiënt geschoven, zo dicht mogelijk
bij de tumor.
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit 35

36
2.2 Energie uit de atoomkern
Elke atoomkern bevat veel energie. Het komt erop aan die vrij te maken en te gebruiken.
2.2.1 Een toverformule
De zon is een gloeiende bol met een straal van ongeveer 700 000 km en een massa van
2,0.1030 kg, die zich op ongeveer 150 miljoen km van de aarde bevindt. Ze bestaat hoofdzakelijk
uit waterstof en zendt voortdurend gigantische hoeveelheden energie uit.
Waar komt die energie vandaan?
In de zon grijpt een reactie plaats waarbij waterstof voortdurend omgezet wordt in helium.
Bij die reactie verliest de zon elke seconde 4 miljoen ton massa.
Opdracht 12
a Onderzoek toont aan dat de zon al zo’n 4,5 miljard jaar schijnt. Bereken aan de hand van
de gegevens hoe oud de zon zou kunnen worden.
b Hieronder zie je een foto van één van de meest bekende wetenschappers uit de twintigste
eeuw.
Wie is die man?
De foto werd genomen op de dag dat hij met zijn eerste vrouw huwde. Wie is die vrouw?
Op welke dag traden zij in het huwelijk?
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit

In 1905 publiceerde de wetenschapper de formule die verklaart wat er in de zon aan de hand
is. Hij ontdekte namelijk dat als de zon massa verliest, die massa omgezet wordt in energie.
Tussen die massa en de hoeveelheid energie is er een verband, dat weergegeven wordt met
de volgende formule:
E = m x c 2
De symbolen hebben de volgende betekenis:
– E = energie (J)
– m = massa (kg)
– c = de snelheid van het licht = 3,0.10 8 m/s; c 2 = 9,0.10 16 m 2 /s 2
Die formule geldt altijd: telkens als er ergens massa verdwijnt, komt er energie in de plaats.
We zeggen dat massa omgezet wordt in energie. Omdat c2 zo’n groot getal is, kan uit een
kleine massa een gigantische hoeveelheid energie vrijkomen.
Opdracht 13
De kernbom die boven Hiroshima ontplofte (1945) bevatte ongeveer 60 kg uraan en was
zo ontworpen dat er bij de ontploffing een deel van de massa omgezet werd in energie.
De energie de vrijkwam bedroeg 1,0.1014 J. Hoeveel massa werd er omgezet in energie?
ZoekopdracHt 7
Die grote hoeveelheid energie komt overeen met de energie die de kerncentrale van
Doel levert in 9 uur. De energie werd in enkele seconden over de stad verspreid.
Geen wonder dat de stad zo goed als volledig verwoest was en er meteen 70 000
doden vielen.
De verwoestende werking van de bom kan je zeker niet afleiden uit de naam. Wat
is die naam?
2.2.2 Massadefect en bindingsenergie
Met heel nauwkeurige instrumenten kan de massa van atomen, nucleonen en elektronen
gemeten worden.
Om de grootte van die massa te noteren, gebruiken we een handige eenheid: de atomaire
massa-eenheid, die we voorstellen met het symbool ‘u’.
1 u = één twaalfde van de massa van een atoom 12
C = 1,66054 · 10 6 –27 kg
INKIJKEXEMPLAAR
enkele voorbeelden:
deeltje proton neutron elektron 4
2 He
massa 1,007276 u 1,008665 u 0,000549 u 4,001668 u
Toepassingen van radioactiviteit 37

38
In de zon wordt waterstof voortdurend omgezet in helium. Daarbij moeten
twee protonen en twee neutronen samen een 4
He-kern vormen. Zoals je in
2
de tabel op p. 35 kan aflezen, bedraagt de totale massa van die deeltjes:
2 x proton = 2,014552 u
2 x neutron = 2,017330 u
totaal 4,031882 u
Bij de vorming van een heliumkern versmelten twee protonen en twee neutronen. In de
zon gebeurt dit versmeltingsproces spontaan. We spreken van kernfusie. De massa van de
heliumkern is echter lager dan 4,031882 u; ze bedraagt namelijk 4,001668 u. Bij dit proces
verdwijnt er een kleine hoeveelheid massa:
4,031882 u – 4,001668 u = 0,030214 u.
Deze massa wordt omgezet in energie. De verdwenen massa noemen we het massadefect,
de vrijkomende energie de bindingsenergie.
Wetenschappers proberen dit proces om energie te winnen ook op aarde na te bootsen,
bv. in een kernfusiereactor.
We kunnen de bindingsenergie van de heliumkern berekenen met de formule
E = m × c 2 = 0,030214 × 1,66054 · 10 –27 × (3,0 · 10 8 ) 2 = 4,5 · 10 –12 J
Als we dit getal door vier delen (2 protonen + 2 neutronen) bekomen we de bindingsenergie
per nucleon: 1,13 · 10 –12 J
Op de grafiek hieronder is de bindingsenergie per nucleon voorgesteld voor alle atomen.
Je ziet dat ijzer ( 56
56
Fe) zich het laagste bevindt. Dit betekent dat Fe het meest stabiele
26 26
nuclide is.
De grafiek toont ook dat energiewinning op twee manieren kan gebeuren:
– door lichte kernen te doen samensmelten (kernfusie) tot zwaardere nucliden (dalende
lijn van links naar rechts). Daarbij komt bindingsenergie vrij.
– door zware kernen te splitsen (kernfissie) in kleinere fragmenten (dalende lijn van rechts
naar links). Daarbij komt ook bindingsenergie vrij.
aantal nucleonen
minder
stabiel
stabiel
gemiddelde
bindingsenergie
per nucleon
(MeV)
1 H
2 H
4 He
3 He
7 Li
9 Be
13 N
12 C
16 O
kernfusie
INKIJKEXEMPLAAR
56 Fe
63 Cu
64 Ni
107 Ag
kernfissie
206 Pt
197 Au
238 U
Toepassingen van radioactiviteit

Opdracht 14
De massa van het nuclide 7
Li is 7,014357 u. Bereken het massadefect en de bindings-
3
energie per nucleon.
2.2.3 Kernreactoren
In 2006 produceerde België 85,5 miljard kWh elektrische energie. Daarvan kwam 58 % uit
kernenergie, 38 % uit de verbranding van fossiele brandstoffen, 2 % uit waterkracht en
2 % uit alternatieven.
ZoekopdracHt 8
Waar bevinden er zich kerncentrales in België? Hoeveel reactoren hebben ze en
welk vermogen ontwikkelen ze?
De totale massa van de brokstukken is kleiner
dan die van de uraankern en het neutron
samen. De verdwenen massa wordt daarbij
omgezet in energie, die vrijkomt.
Opdracht 15
Je weet zeker dat een nuclide radioactief is als
N/Z>1,55. Reken na of dat het geval is voor
de twee nucliden die uit de splijting ontstaan.
Een kernreactor is gebaseerd op de splijting (fissie)
van uraanatomen (U-235).
De figuur hiernaast toont een splijting van U-235
nadat er een neutron op gebotst is. De uraankern
valt in twee brokstukken uiteen en er komen drie
neutronen vrij.
1
0 n + 235 92 U 139 54 Xe + 94 38 Sr + 3 1 0 n + energie
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit 39

40
Telkens als een atoom U-235 splijt, komen er drie neutronen vrij die op hun beurt weer drie
andere atomen U-235 doen uiteenvallen. Dat proces noemen we een kettingreactie. In een
kernreactor laat men deze kettingreactie traag en gecontroleerd verlopen.
Uraanerts bevat 0,7 % U-235 en 99,3 % U-238. Om bruikbaar te zijn in een kernreactor
moet het gehalte aan U-235 verhoogd worden tot 4 %. Dat proces heet verrijken. Een
kernreactor bevat enkele tientallen tonnen van dit verrijkte uraan, verdeeld over verschillende
splijtstofstaven.
Met 1 g verrijkt uraan kan 250 kWh energie voortgebracht worden. Dat is evenveel energie
als er geproduceerd kan worden met 88 kg steenkool, 63 l stookolie of 75 m3 aardgas.
In een fissiekernbom (A-bom) verloopt de kettingreactie snel en ongecontroleerd, zodat
alle energie vrijkomt in een fractie van een seconde.
ZoekopdracHt 9
De kernreactoren in West-Europa zijn van een bepaald type. Welk type is dat?
Waarom zijn dit veilige reactoren?
De kerncentrales van Doel en Tihange ontwikkelen elk een vermogen van ongeveer 3 GW
(lees: gigawatt). Per GW is 80 ton splijtstof nodig. Jaarlijks wordt 120 ton uitgewerkte, maar
hoogradioactieve kernbrandstof uit de centrales verwijderd. Daarnaast produceren kerncentrales,
bedrijven, ziekenhuizen … nog 5 maal meer laag- en middelradioactief afval.
INKIJKEXEMPLAAR
ZoekopdracHt 10
Waar werd het radioactief afval tot omstreeks 1970 opgeslagen?
Op welke wijzen wordt het nu zoal opgeslagen ? (Houd rekening met laag- en hoogradioactief
afval.)
Toepassingen van radioactiviteit

Op welke plaats hoopt men het in de nabije toekomst te kunnen opslaan?
Is dit dan een definitieve oplossing ?
Welke nationale instelling houdt zich bezig met het verwerken van radioactief afval?
2.2.4 Kernfusie: de toekomst?
In Cadarache (Zuid-Frankrijk) hoopt men rond 2010 te kunnen beginnen met de bouw van
een kernfusiereactor. Het apparaat wordt aangeduid met de term tokamak.
Tokamak is een samentrekking van de Russische woorden ‘toroidalnaja’, ‘kamera’, ‘magnitnaja’
en ‘katoesjka’, die respectievelijk torusvormig, ruimte, magnetisch en spoelen betekenen.
De figuur hieronder toont een doorsnede van dit reusachtige toestel.
In het midden zie je een open ruimte in de vorm van een autoband (torus). Die ruimte wil
men vullen met een mengsel dat bestaat uit twee isotopen van waterstof: 2 1 H (deuterium)
en 3 1 H(tritium).
Door de temperatuur in het mengsel te verhogen tot minstens 150 miljoen
°C zullen de deeltjes met zeer hoge snelheid wanordelijk door elkaar bewegen. Daarbij
zullen deuterium- en tritiumkernen op elkaar botsen en versmelten tot zwaardere kernen.
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit 41
torus
Energie

42
Opdracht 16
– De figuur op p. 39 toont dat een deuteriumkern botst met een tritiumkern. Daarbij ontstaat
er een nieuwe kern met twee protonen en twee neutronen. Welke kern wordt er
dus gevormd?
– Er komt ook een deeltje vrij. Welk deeltje is dat?
– Vervolledig de omzetting.
2
1 H 3 1 H + +
Men hoopt kernfusie commercieel te kunnen toepassen tegen het einde van de eeuw.
Een echt werkende kernfusiereactor is de zon. Bij een temperatuur van 15 miljoen °C versmelten
waterstofkernen. Daarbij levert de zon reusachtige hoeveelheden energie.
Op de aarde werd tot nog toe ‘bruikbare’ kernfusie gerealiseerd in waterstofbommen. Die
bommen bestonden uit een grote massa waterstof, waarin de vereiste hoge temperatuur
werd bereikt door eerst een fissiebom te laten ontploffen.
Synthese
• Albert Einstein ontdekte dat massa kan omgezet worden in energie volgens de formule:
E = m x c2 .
E = energie (J)
m = massa (kg)
c = snelheid van het licht = 3,0.108 m/s
• Bij een kernfusie verdwijnt er een kleine hoeveelheid massa. Die massa wordt omgezet
in energie.
De verdwenen massa noemen we het massadefect; de vrijkomende energie de bindingsenergie.
• Bij een splijtingsreactie (fissie) komt zeer veel energie vrij. Bij de reactie komen ook neutronen
vrij die nieuwe atomen doen splijten. Op die manier ontstaat een kettingreactie.
• In een klassieke kernreactor laat men die kettingreactie traag en gecontroleerd verlopen.
Dat kan als er gewerkt wordt met verrijkt uraan waarbij het gehalte aan U-235 4 %
bedraagt.
In een kernbom verloopt de kettingreactie heel snel en ongecontroleerd zodat alle
energie vrijkomt in een fractie van een seconde.
INKIJKEXEMPLAAR
• In een kernfusiereactor versmelten deuterium- en tritiumkernen (isotopen van waterstof)
met elkaar tot heliumkernen. Bij die reactie komt een neutron vrij en een gigantische
hoeveelheid energie.
Men hoopt dit procédé tegen het eind van de eeuw commercieel te kunnen toepassen.
Toepassingen van radioactiviteit

2.3 Terug in de tijd: radiometrische datering
koolstof (c) is een fundamentele bouwsteen van alle levende organismen.
De meest voorkomende stabiele isotoop van koolstof is 12
C. Er bestaat echter ook een radio-
6
actieve isotoop: 14
C. Dat is een β-straler met een halveringstijd van 5730 jaar:
6
14
C → 6 14
N + 7 0
–1 e
koolstof-14 wordt voortdurend gevormd in de hoge atmosfeer doordat de kosmische straling
op stikstofatomen ( 14
N) botst, zodat die omgezet worden in 7 14
C. Door zijn eigen acti-
6
viteit verdwijnt 14
C ook voortdurend. Het resultaat van die twee processen is dat de ver-
6
houding tussen de hoeveelheden C-14 en C-12 ongeveer constant is: per duizend miljard
(1012 ) koolstofatomen is er een atoom 14
6 C.
Ook in alle koolstofdioxide (CO ) komen het ‘gewone’ C-12 en het radioactieve C-14 in
2
diezelfde verhouding voor. Planten nemen CO op bij de fotosynthese, dieren eten plan-
2
ten, vleesetende dieren eten planteneters op enzovoort. Daardoor wordt koolstof in het
lichaam van alle planten en dieren ingebouwd, volgens dezelfde c-14/c-12 verhouding.
Door de aanwezigheid van C-14 heeft 1 g koolstof uit het lichaam van elke levende plant
of dier een zwakke activiteit van ongeveer 0,20 Bq.
Tijdens het leven van een dier vervalt er voortdurend C-14. Met de voeding wordt echter ook
voortdurend koolstof aangevoerd, inclusief C-14. Daardoor blijft de verhouding C-14/C-12
constant. Als het dier sterft, gaat het verval door, maar er wordt geen nieuw C-14 meer
aangevoerd. Daardoor gaat de verhouding C-14/C-12 dalen. Dat geldt ook voor het skelet,
dat lang kan bewaard blijven als fossiel.
Met nauwkeurige metingen is het mogelijk de zwakke activiteit van een bot te bepalen. Als
bijvoorbeeld 1 g koolstof een activiteit heeft van 0,10 Bq, dan weet men dat het organisme
waarvan dit fossiel afkomstig is, 5730 jaar geleden is gestorven; lagere activiteit betekent dat
het organisme nóg langer geleden leefde. Met deze koolstof-14-methode kunnen plantenresten,
botten, kleding, hout, enzovoort tot ongeveer 60 000 jaar terug worden gedateerd.
ZoekopdracHt 11
1 Hoe heet de wetenschap die de resten onderzoekt van levende wezens die lang
geleden leefden?
2 In 1991 werd in de Alpen ‘Otzi’ ontdekt. Waar precies werd hij ontdekt?
Hoe oud is hij?
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit 43

44
3 In 2007 werd in het permafrost van Siberië een bevroren jong van de wolharige
mammoet ontdekt, dat de naam ‘Ljoeba’ meekreeg. Hoe lang geleden is Ljoeba
gestorven?
Synthese
• Archeologen kunnen met de C-14-methode de ouderdom van archeologische vondsten
bepalen.
• Met de koolstof-14-methode kunnen plantenresten, botten, kleding, hout … tot
ongeveer 60 000 jaar terug worden gedateerd.
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit

test jezelf
1 De schildklier is een orgaan dat goed jood kan opnemen. Om de schildklier te
onderzoeken, krijgen patiënten soms een ‘radioactieve slok’. Dit is een drankje
met daarin radioactief jood. Het radioactieve jood komt ook in de schildklier
terecht. Daarna wil men de straling die dit jood uitzendt buiten het lichaam
meten.
– Welke soort straling kan gemakkelijk gemeten worden?
A α-straling
B β-straling
C γ-straling
– Waarom is dat zo?
– De patiënt hoort van de dokter dat na 2 weken nog 25 % over is van het
radioactieve jood. Hoe groot is de halveringstijd van dit jood isotoop?
A 1 week
B 2 weken
C 4 weken
D 8 weken
– Waarin verschillen de kernen van de joodisotopen van elkaar?
A Alleen het aantal neutronen is verschillend.
B Alleen het aantal protonen is verschillend.
C Zowel het aantal protonen als het aantal neutronen varieert.
2 Bij gebruik van radioactieve stoffen in ziekenhuizen worden loodplaten gebruikt.
Wat is hun functie?
3 In ziekenhuizen worden voor onderzoek isotopen gebruikt met een kleine halveringstijd.
Leg uit waarom.
INKIJKEXEMPLAAR
4 Tegenwoordig wordt radioactiviteit vaak gebruikt bij hartonderzoek. Hoe gebeurt
dat precies?
Toepassingen van radioactiviteit 45

46
5 Wat is het verschil tussen kernfusie en kernfissie?
6 Aan welke voorwaarden moet een tracer voldoen om bruikbaar te zijn binnen
het menselijke lichaam?
γ-straling heeft een groot doordringingsvermogen en kan levende cellen beschadigen.
Daar wordt op een positieve manier gebruik van gemaakt bij de sterilisatie
van voorwerpen. De mummie van de Egyptische farao Ramses II (1298- 1232 v.C. )
dreigde langzaam te vergaan door de vraatzucht van bacteriën, insecten en schimmels.
In Frankrijk slaagde men erin de mummie te steriliseren door gebruik te maken
van γ-straling van kobalt-60.
INKIJKEXEMPLAAR
Toepassingen van radioactiviteit