Straling!
Aangezien ik altijd al gefascineerd ben geweest door het fenomeen radioactieve straling heb ik deze pagina gemaakt met diverse informatie over dit onderwerp. Diverse onderwerpen zoals gevaren, apparatuur en straling in de dagelijkse omgeving zullen aan bod komen. De nadruk zal liggen op de praktijk en de demystificatie van dit soms beladen onderwerp. Straling is namelijk overal. Terwijl je dit leest raast er radioactiviteit door je lijf en heeft je lichaam al vele keren beschadigingen aan je DNA door straling moeten repareren. Straling is een onvermijdelijk onderdeel van het leven.
Let op, pagina is nog in ontwikkeling en kan wijzigen (laatste update 12 juni 2011)
Atomen en isotopen
Op deze pagina worden de diverse radioactieve stoffen aangeduid met atoomnotatie. Hieronder een korte uitleg over atomen en atoomnotatie.
Atomen bestaan uit drie verschillende deeltjes, nl. neutronen, protonen en electronen. De protonen en neutronen vormen de atoomkern en bezitten de meeste massa. De electronen draaien om de atoomkern heen en hebben praktisch geen massa.
In een atoom hebben protonen een positieve lading, en electronen een negatieve lading. Deze ladingen zijn bij een normaal atoom exact met elkaar in balans.
Atomen worden in de literatuur aangeduid als volgt. Voor de naam van het element staat bovenin het massagetal, dit geeft aan hoeveel neutronen en protonen er in de kern zitten.
Onder het massagetal staat het atoomnummer. Dit geeft aan hoeveel protonen er in de kern zitten. Het atoomnummer bepaalt ook om welk element het gaat en wat dus de chemische eigenschappen van het atoom zijn.
Het volgende voorbeeld is een uraniumatoom:
23892U
Volgens deze notatie heeft het atoom 238 deeltjes in de kern en 92 protonen. Uit deze informatie is het aantal neutronen en electronen eenvoudig af te leiden. Door het atoomnummer van het massagetal af te trekken krijg je het aantal neutronen, bij uranium is dat dus 238 – 92 = 146 neutronen.
Een hoop atomen hebben verschillende isotopen, dwz. er bestaan meerdere varianten van het atoom met verschillende aantallen neutronen. Deze verschillen beïnvloeden de stabiliteit van het atoom. Zo zijn koolstof en kalium normaliter niet radioactief maar hun isotopen kalium-40 en koolstof-14 wel, door hun afwijkende aantallen neutronen.
Zoals je al hebt gezien worden isotopen aangeduid met de elementnaam en het massagetal aangezien het atoomnummer al is af te leiden uit de naam van het element. Soms krijgen isotopen ook een aparte, eigen naam zoals tritium, 31H, een waterstof atoom met 2 neutronen in plaats van nul en deuterium 21H met 1 neutron in plaats van de gebruikelijke nul.
In de rest van dit artikel worden isotopen afgekort aangeduid, dus alleen met massagetal en elementnaam.
Wat is (radioactieve) straling?
Radioactieve straling zijn golven en deeltjes die voldoende energie hebben om atomen te ioniseren, dwz. electronen die rond een atoom cirkelen weg te slaan zodat het atoom een positieve lading krijgt. Straling onstaat over het algemeen wanneer een (onstabiel) atoom uit elkaar valt. Dat kan uit zichzelf gebeuren als het atoom een radioactieve isotoop is, of wanneer een atoom wordt geraakt door straling van elders.
Radioactieve straling is grofweg op te delen in drie varianten:
De 3 hoofdsoorten straling en hun doordringend vermogen
alfastraling
Dit zijn deeltjes welke bestaan uit een helium-4 atoom waar de bijbehorende electronen van ontbreken. Door dit ontbreken hebben de deeltjes een positieve lading van 2+. Heliumdeeltjes worden in schrift aangeduid met het symbool 42 He2+.
Alfadeeltjes worden vrij snel tegengehouden door elke willekeurig materiaal omdat de deeltjes groot zijn en heel erg snel een atoom tegenkomen waar ze mee botsen. Een vel papier, een paar centimeter lucht of de menselijke huid is voldoende. Dat wil echter niet zeggen dat deze straling onschadelijk is. Wanneer een alfastraler in het lichaam van de mens komt kan het wel zeker grote schade aanrichten. De kracht van alfastraling is dat de deeltjes alles wat in hun pad komt ioniseren, hun zwakte is dat ze juist daardoor nooit echt ver komen.
betastraling
Dit zijn losse electronen of positronen welke door een radioactief atoom worden uitgestoten. Betadeeltjes bewegen zich zeer snel en zijn klein en zeer licht, waardoor ze verder in materialen en weefsels doordringen dan alfadeeltjes. Ze zijn echter makkelijk tegen te houden door bijvoorbeeld een stuk aluminiumfolie.
gammastraling
Dit is straling welke veel energie bevat en diep doordringt in materialen en weefsels. Gammastraling bestaat niet uit deeltjes maar uit golven van een zeer korte golflengte. Gammastraling is nauw verwant met röntgenstraling, welke over het algemeen een langere golflengte heeft.
Gammastraling dringt diep door, bezit veel energie en is daarom vaak de gevaarlijkste radioactieve straling. Hoe schadelijk gammastraling is hangt echter af van de golflengte, erg korte gammagolven gaan overal dwars doorheen en richten weinig schade aan.
Gammastraling is het beste tegen te houden met platen lood en dikke betonnen muren.
Straling in en om het huis
Een hoop mensen beseffen het niet, maar in onze dagelijkse omgeving zijn er diverse bronnen van straling. Hieronder een opsomming van een aantal typische stralingsbronnen waarmee je als mens mee in aanraking komt.
Voor de duidelijkheid, de meeste genoemde radioactieve stoffen zijn over het algemeen onschadelijk en zijn van natuurlijke afkomst.
Koolstof-14
vervalt naar: stikstof-14
straling: beta
halfwaardetijd: 5730 jaar.
Koolstof-14 is een isotoop van het overal voorkomende element koolstof en. Ieder levend wezen is zeer licht radioactief omdat we tijdens onze groei en leven continu koolstof opnemen waarvan een deel radioactief is. De hoeveelheid koolstof-14 is zeer klein ten opzichte van normaal koolstof. Toch is het meetbaar en is te bepalen hoe oud biologische resten zijn door te kijken naar de verhouding van koolstof-14 en het niet radioactieve koolstof. Wanneer een organisme sterft stopt namelijk de opname van koolstof-14 en zal de hoeveelheid hiervan afnemen.
Kalium-40
vervalt naar: argon-40
straling: beta
halfwaardetijd: 1,3 miljard jaar
Kalium is eveneens een element dat zo’n beetje overal is te vinden. Zeewater bevat behoorlijke hoeveelheiden kalium, en in ons lichaam is het een onmisbare stof voor het doorgeven van zenuwimpulsen.Kalium-40 vormt 0,01% van de totale hoeveelheid kalium in de natuur. Er is dus altijd wel ergens een hoeveelheid van deze radioactieve stof aanwezig.
Kalium-40 is makkelijk verkrijgbaar in de vorm van het zout kaliumchloride, in de supermarkt te vinden onder de merknaam Lo-Salt, wat voor 66,6 procent uit kaliumchloride bestaat. Met een gevoelige stralingsmeter is de straling van dit isotoop makkelijk aan te tonen, zie het volgende filmpje. Een natriumarm dieet is dus mogelijk een iets radioactiever dieet 
Thorium-232
vervalt naar: radium-228
straling: alfa
halfwaardetijd: 14 miljard jaar
Thorium is een in de natuur veel voorkomende stof welke net zoals uranium en plutonium onder de groep der actiniden valt. Dit zijn zware, meestal onstabiele atomen.
Thorium werd tot voor kort veel gebruikt voor laselektroden en gaskousjes, maar is uit de gratie geraakt door de radioactiviteit. Als je vroeger wel eens bij een campinglamp hebt gezeten ben je in contact geweest met deze stof. Heb je oude gaskousjes van wat jaren geleden liggen dan bevatten deze zeer waarschijnlijk Thorium. Door de kleine hoeveelheden vormen de gaskousjes geen bijzonder groot gevaar maar het is af te raden ze te gebruiken omdat de stof tijdens gebruik van het gaskousje wordt verspreid en mogelijk ingeademd.
Americium-241
vervalt naar: Neptunium-237
straling: alfa, gamma
halfwaardetijd: 432.2 jaar
Americium is het enigste kunstmatige element wat je een in een huishouden kan tegenkomen. Het wordt gebruikt in rookmelders waar het continu een hoeveelheid lucht ioniseert door de alfastraling die het uitzendt. Als er rook in de ionisatiekamer komt zal de hoeveelheid stroom die de lucht geleidt door de ionisatie veranderen en gaat de rookmelder af. Rookmelders met Am-241 zijn zo hier en daar nog te vinden, nieuwe rookmelders zijn bijna altijd van het zgn. optische type waarbij de rook wordt gedetecteerd door reflectie van licht.
De americiumbron in een rookmelder is een rond stukje metaal met een verdieping erin waarin een waar het daadwerkelijke materiaal, een dun stukje folie, zich bevindt. (zie het volgende plaatje). De stralingsbron in zijn ingekapselde vorm is vrijwel onschadelijk. De alfastraling komt maar een paar centimeter in de lucht en de gammastraling is bij dergelijke hoeveelheden miniem. Het is uiteraard af te raden deze bronnen in groten getale te verzamen en/of te ontmantelen. (Niet dat mensen dit niet hebben gedaan).
Radium-226
vervalt naar: Radon-222, Thorium-232 of Lood-210 en Koolstof-14
straling: alfa, beta
halfwaardetijd: 1600 jaar
Dit radioactieve materiaal is in antieke horloges en klokken te vinden waar het in lichtgevende verf voorkomt. Vanwege de hoge radioactiviteit heeft deze stof de nodige mensenlevens geeist. Marie Curie stierf aan de chronische blootstelling aan deze stof, jongedames die horlogewijzers verfden kregen kanker, evenals talloze mensen welke kwakzalverijprodukten met radium gebruikten.
Tegenwoordig zijn er nog voldoende klokken en horloges met deze stof te vinden als je goed zoekt. Radium is gevaarlijk maar als men de verf in een klok of horloge met rust laat is het gevaar beperkt.
Uranium (U-235, U-238)
U-235 vervalt naar Thorium-232, U-238 naar Thorium-234
straling: alfa
Halfwaardetijd: 703 miljoen jaar voor U-235, 4,4 miljard jaar voor U-238
Uranium klinkt als een stof welke alleen in kernreactors is te vinden maar in de praktijk is deze stof en zijn isotopen nooit ver weg. Granieten aanrechten en zo’n beetje elk porceleinen voorwerp bevatten vaak meetbaar uranium, zie bijvoorbeeld deze meting welke ik op een porceleinen mok van de Hema heb uitgevoerd.
Uranium is in de antiekwinkel ook veel te vinden in de vorm van zgn. anna-groen glas. Dit glas heeft natuurlijke uranium als kleurstof waardoor het in zonlicht met een diepe groene gloed fluoresceert. Dit glas is is meetbaar radioactief, met gemak 5 tot 20x boven de natuurlijke achtergrondstraling.
De straling van uraniumbevattende voorwerpen komt trouwens het meest door de vervalprodukten van deze stoffen. Uranium vervalt onder uitstoting van alfadeeltjes maar de vervalprodukten zenden weer betastraling uit welke uiteindelijk het makkelijkste is te meten door de gemiddelde geigerteller.
Radon-222
in ontwikkeling…
Meten van straling
Radioactieve straling is op diverse manieren te meten. De bekendste hiervan is het gebruik van een Geiger-Mullerbuis. Dit is een metalen of glazen buis waar een gas onder lage druk in zit. De buis heeft twee electrodes waar tussen een spanning van een paar honderd volt wordt aangelegd. Als een radioactief deeltje door de buis gaat zal deze gasdeeltjes ioniseren. Door het voltage zullen de geioniseerde deeltjes naar de negatieve elektrode worden getrokken. Hierbij ioniseren ze weer andere deeltjes waardoor een soort lawine onstaat. Het eindresultaat is een voltagepuls welke te meten is op de elektrodes. Door de samenstelling van het gas zal de stroom welke loopt weer snel worden worden uitgedoofd. Hierdoor is het mogelijk snel achter elkaar pulsen te meten. De pulsen kunnen worden versterkt waardoor ze op bijvoorbeeld een luidspreker zijn te horen.
De GM buis kan afhankelijk van de opbouw gamma, beta en alfastraling meten. Alfastraling meten is echter alleen mogelijk wanneer de wand van de buis dun genoeg is om alfadeeltjes door te laten. Speciale buizen hebben een venster van mica om dit mogelijk te maken.
Een andere, maar gerelateerde methode is de ionisatiekamer. Deze werkt op dezelfde manier maar meet geen afzonderlijke pulsen. De ionisatiekamer is vrij simpel een metalen buis of blik met in het midden een electrode. De ruimte tussen de twee elektrodes kan gewoon lucht op normale atmosferische druk zijn. Als er luchtdeeltjes worden geioniseerd door straling zullen deze worden aangetrokken door de aardelektrode. Hoe meer deeltjes er op de aardelektrode aankomen hoe hoger het gemeten voltage. Dit is echter een klein voltage wat zal moeten worden versterkt om meetbaar te kunnen zijn.
De ionisatiekamer kan in principe alle straling meten welke in staat is luchtdeeltjes in de kamer te ioniseren.
Nog wat exotischer zijn de zogenaamde scintillatiedetectoren. Deze werken door middel van een blok doorzichtig vast materiaal of vloeistof welke een klein lichtflitsje zal geven als er een radioactief deeltje of gammastraling doorheen gaat. Dit flitsje wordt door een fotomultiplicatorbuis versterkt. De sterkte van de pulsen is afhankelijk van de sterkte van de straling. Verschillende isotopen hebben verschillende pulsenergie dus kunnen door de scintillator worden onderscheiden. Op basis hiervan kan een energiespectrum worden gemaakt waarop verschillende isotopen kunnen worden gezien.
Links
Hieronder een aantal gerelateerde links, met name zelfbouw van meetapparatuur:
VK2ZAY: diverse experimenten en schema’s
bionerd23 – heeft een hoop meters en radioactieve stoffen: