Thema 1 Leerstof verwerken 1 Naast elke pijl komt de relatie ‘bestaan uit’. De natuur is opgebouwd uit materie. De quarks en de elektronen zijn de elementaire deeltjes of bouwstenen van de materie. 2 symbool naam A H waterstof 1 aantal protonen 1 1 He helium 4 2 2 2 2 Li lithium 7 3 3 4 3 O zuurstof 16 8 8 8 8 K kalium 40 19 19 21 19 U uraan 235 92 92 143 92 3 Een atoom is neutraal. Z aantal neutronen 0 aantal elektronen 1 4 8 elektronen, 8 protonen, 10 neutronen 5 symbool A Z aantal protonen aantal neutronen 16 8 8 8 17 8 8 9 18 8 8 10 6 symbool A Z aantal protonen aantal neutronen 234 92 92 142 235 92 92 143 238 92 92 146 Welk isotoop komt het meest voor? Uraan-238 Welk isotoop wordt in de kerncentrale gebruikt? Uraan-235 7 symbool 20 Ne 21 Ne 22 Ne Atoomnummer Z 10 10 10 Aantal protonen 10 10 10 Massagetal A 20 21 22 Aantal nucleonen 20 21 22 Aantal neutronen 10 11 12 Aantal elektronen Voorkomen 10 10 10 90,9 % 0,3 % 8,8 % 8 Radioactief betekent ‘actief uit zichzelf’: de kern stuurt spontaan straling uit. Het is dus de kern die radioactief is en niet de uitgestuurde straling. 9 10 11 12 soort straling α β γ röntgen massa (ja/neen) ja ja, maar bijna nul neen neen elektrische lading ja: positief ja: negatief neen neen 13 De bron stuurt per seconde 245 deeltjes uit of met andere woorden per seconde zijn er 245 kernen die vervallen door het uitsturen van een deeltje. 14 massa (g) 100 50 25 12,5 6,25 3,12 1,56 0,78 0,39 0,20 0,10 tijd (dagen) 0 8,0 16,0 24,0 32,0 40,0 48,0 56,0 64,0 72,0 80,0 Na 80 dagen blijft nog 0,10 g radioactieve stof over. 15 tijd nu na 28 jaar na 56 jaar na 84 jaar na 112 jaar na 140 jaar na 168 jaar na 196 jaar resterend strontium (in µg) 200 100 50 25 12,5 6,25 3,12 1,56 gevormd yttrium (in µg) 0 100 150 175 187,5 193,75 196,78 198,44 Minder dan 1 % betekent minder dan 2 μg. Dat is pas het geval na 7 halveringstijden of 196 jaar. 16 Radon-220 heeft een halfwaardetijd van 55 seconden. Als je een hoeveelheid radonkernen neemt, is na 55 seconden de helft ervan vervallen door het uitsturen van een deeltje. Na 55 seconden is de activiteit van de hoeveelheid radon tot op de helft gevallen. 17 De halveringstijd is in dat geval zeer groot. 18 Ioniserende straling is zo energierijk dat ze atomen op haar weg kan ioniseren. 19 Champignons worden bestraald met gammastralen zodat de hoedjes niet opengaan. De champignon is bestraald: er is straling doorgegaan. Er is echter geen radioactieve stof in aanraking gekomen met de champignon: die is dus zelf niet radioactief geworden. 20 Ja, de persoon heeft nu radioactieve stof in het lichaam die vandaaruit straling uitzendt. 21 Tracers laten toe de vloeistof te ‘volgen’ die in de pijpleiding stroomt. Men kan de radioactiviteit op een punt meten en vaststellen wanneer de vloeistof met het deeltje tracer daar voorbijkomt. 22 We moeten een straling gebruiken die door een metalen folie gaat, dus een gammastraling. Vermits de doordringbaarheid van het materiaal afhankelijk is van de dikte van de plaat zal de gemeten intensiteit dezelfde waarde hebben als de plaat overal even dik is. Bij een dikkere folie wordt immers meer geabsorbeerd en daalt de waarde van de gemeten intensiteit. Daarvoor echter moet de intensiteit van de bron vrij constant blijven: de bron mag dus niet te snel vervallen en moet dus een grote halfwaardetijd hebben. 23 Lood absorbeert straling het best. Alle alfa- en bètastraling worden al door een dun loden plaatje geabsorbeerd. Een plaat van 5 cm lood (kist) houdt ook gammastraling tegen. 24 Door het inademen van radongas krijg je een radioactieve stof binnen. Een vervalproduct van radon is het radioactieve polonium dat echter bij lichaamstemperatuur vast is. Zo blijven vaste deeltjes achter in de longen. De poloniumkern is een α-straler. Je bent dus radioactief besmet omdat je radioactieve stof binnen je lichaam hebt. Het is bovendien gevaarlijk omdat α-stralen zeer energierijk zijn en dus grote schade kunnen aanrichten in het weefsel waarin de radioactieve atomen zich bevinden. 25 Aan de hand van het antwoord op vraag 22 leiden we af dat de beste bron kobalt-60 is. Dat is een gammastraler met een halveringstijd van 5 jaar. 26 interval van 1 s 1ste 2de 3de 4de activiteit (Bq) 10 7 9 9 Gemiddelde activiteit: 9 Bq 27 Kernfissie is het splijten van zware kernen tot lichtere kernen; kernfusie is het samensmelten van lichte kernen. Omgaan met informatie 1 Fluorescentie is het verschijnsel waarbij een stof die bestraald werd met een energierijke straling (zoals licht, uv of röntgenstraling) licht uitstuurt. De atomen van de stof absorberen de hoogenergetische fotonen en belanden in een aangeslagen toestand. Bij het terugkeren naar de grondtoestand (de aangeslagen elektronen gaan naar hun stabiel energieniveau terug) wordt een foton uitgestuurd, meestal van lagere energie, dus langere golflengte. Dat noemen we fluoresceren. Het woord fluorescentie is afkomstig van fluoriet: een mineraal dat bestaat uit het zout (calciumfluoride) CaF2. Een bekende fluorescerende stof is calciumfluoride. Een nuttige website: www.minerant.org/archief/fluorescentie.html. 2 Alfastralen zijn deeltjes die we met het blote oog niet kunnen zien. In zogenaamde ‘nevelkamers’ kan je de sporen zien van alfadeeltjes. Het nevelvat is in zijn meest eenvoudige vorm een afgesloten vat, gevuld met een oververzadigde en onderkoelde damp. Wanneer een invallend deeltje (bijvoorbeeld een elektron of een alfadeeltje) door het mengsel gaat, kan het een aantal van de atomen op zijn pad ioniseren. Die atomen werken als kernen waarrond de damp condenseert. Op die manier wordt een spoortje van nevel zichtbaar langs het pad van het invallende deeltje. Uit de eigenschappen van de spoortjes kun je informatie aflezen over het waargenomen deeltje. Een relatief zwaar alfadeeltje laat bijvoorbeeld een dikker en rechter spoor na dan een relatief licht elektron. Wanneer een magneet nabij de nevelkamer wordt geplaatst, zullen geladen deeltjes afbuigen als gevolg van de lorentzkracht. Deze afbuiging is sterker naarmate de snelheid van het deeltje lager is en de lading groter. De richting van de afbuiging geeft aan of het deeltje positief of negatief geladen is. Voor meer info: nl.wikipedia.org/wiki/Nevelkamer 3 Vervaardigen van kernwapens. 4 Isotopolis is een afdeling van Belgoprocess die tot taak heeft informatie te verstrekken aan het grote publiek over radioactiviteit en in het bijzonder over de verwerking en opslag van radioactief afval. Belgoprocess zelf verwerkt het radioactief afval en staat in voor de opslag ervan. Thema 2 • Demo 1 (p. 30) Welke beweging krijgt de kurk? De kurk beweegt op en neer. Wat gebeurt er met het wateroppervlak? Het ganse wateroppervlak begint te bewegen – er ontstaan cirkelvormige golfjes. • (p. 30) Vul aan: 1 kHz = 1 000 Hz en 1 MHz = 1 000 000 Hz • Demo 2 (p. 31) Wat ontstaat er op het wateroppervlak? Cirkelvormige golfjes Waarneming: De golfjes hebben een kleinere golflengte. • Demo 3 (p. 32) Noteer de temperatuursverandering in de kolf. De temperatuur stijgt. Welke stof warmt op? Het kwik in het reservoir van de thermometer. Verklaar. Licht en warmte gaan door het vacuüm en bereiken de thermometer. • (p. 33) In de figuren is een schotelantenne voor radio- of tv-golven voorgesteld. De schotel is een deel van een bol ofwel een parabool. In het brandpunt staat een zender of ontvanger. Op welke eigenschap steunt deze toepassing? Op de eigenschap van terugkaatsing. Een holle spiegel heeft een brandpunt waar een evenwijdige bundel in convergeert. Omgekeerd wordt een bundel uit het brandpunt evenwijdig na terugkaatsing op de spiegel. • (p. 34) Een microgolf heeft een golflengte van 8 mm, een radargolf heeft een golflengte van 50 mm. Bereken voor beide de frequentie. Microgolf: λ = 8 mm = 8 · 10–3 m f = c/λ = (3 · 108 m/s)/(8 · 10–3 m) = 3,75 · 1010 Hz = 3 750 MHz Radargolf: λ = 50 mm = 50 · 10–3 m f = c/λ = (3 · 108 m/s)/(50 · 10–3 m) = 6 · 109 Hz = 6000 MHz Een radiostation zendt golven uit met een frequentie van 200 kHz en een golflengte van 1 500 m. Wat is de voortplantingssnelheid van radiogolven? f = 200 kHz = 2 · 105 Hz = 2 · 105 s-1 c = 1 500 m x 2 · 105 s-1 = 3 000 · 105 m/s = 3 · 108 m/s Een ander station zendt golven uit van 600 kHz. Wat is hun golflengte? f = 600 kHz = 6 · 105 Hz λ = c/f = (3 · 108 m/s)/(6 · 105 s-1) = 500 m • opdracht (p. 36) Vul de ontbrekende waarden in. • type van radiogolf – indeling naar golflengte (m) golflengte frequentie (MHz) lang 1 500 0,2 middengolf 300 1 kort 10 30 zeer kort VHF (very high freq) 3 100 ultra kort UHF (ultra high freq) 0,1 3 000 Demo 4 (p. 38) Welke eigenschap van golven heb je hier aangetoond? Terugkaatsing. • (p. 38) Hoeveel is 1 nm? 1 nm = 1 · 10-9 m • opdracht (p. 39) Vul aan de hand van het schema op de volgende bladzijde de tabel in. bron naam golven golflengtegebied frequentiegebied radiostation 3 km tot 30 cm 105 tot 109 Hz magnetron radiogolven microgolven 0,1 mm-10 cm warmtebron IR 0,8-100 μm zon, lamp zichtbaar licht 400 nm-800 nm uv-lamp uv 10 nm-400 nm röntgenbuis röntgenstralen 0,01-10 nm radioactieve bron gammastralen 3·109 tot 3·1012 Hz 3·1012 tot 3,75·1014 Hz 3,75 · 1014 tot 7,5 · 1014 Hz 7,5 · 1014 tot 3 · 1016 Hz 3 · 1016 tot 3 · 1019 Hz > 3 · 1019 Hz < 0,01 nm waarneming/ toepassing radio, tv en gsm microgolfoven oven, toaster verlichting zonnebank radiografie gammabron Leerstof verwerken 1 Frequenties van radiozenders hangen af van de regio. Zo is de frequentie voor MNM bijvoorbeeld 88,3 MHz in Brussel en 101,5 MHz in Egem. Voor Studio Brussel is het 102,1 MHz in Egem, 94,5 MHz in Gent en 88 MHz in Leuven. Formule λ · f = c , met c = 3 · 108 m/s of λ = c /f . • MNM: zender Brussel: λ = (3 · 108 m/s)/(88,3 · 106 s-1) = 3,40 m zender Egem: λ = (3 · 108 m/s)/(101,5 · 106 s-1) = 2,96 m • Studio Brussel: zender Egem: λ = (3 · 108 m/s)/(102,1 · 106 s-1) = 2,94 m zender Gent: λ = (3 · 108 m/s)/(94,5 · 106 s-1) = 3,17 m zender Leuven λ = (3 · 108 m/s)/(88 · 106 s-1) = 3,41 m 2 3 De maan heeft geen atmosfeer. Geluid kan dus niet op zich overgedragen worden. Astronauten praten via radio, een elektromagnetische straling die geen atmosfeer nodig heeft. 4 Geluid is de voortplanting van een materiële trilling (een stemband, een snaar, een luchtkolom … wordt aan het trillen gebracht). Geluid heeft een middenstof nodig om zich voort te planten. Radiogolven zijn elektromagnetische golven: ze gaan wel door een vacuüm. Eigenschappen die alle golven gemeen hebben zijn o.a. terugkaatsing en breking. 5 Radiogolven hebben een veel grotere golflengte dan licht. Zowel radiogolven als zichtbaar licht zijn elektromagnetische golven: ze planten zich voort met de lichtsnelheid en gaan ook door een vacuüm. Omgaan met informatie 1 a Welke delen stralen veel warmte uit? Oren, ogen, mond en keel. b Ga naar de tekst over radiogolven (‘Radiowaves’). Met welke toestellen detecteert men radiogolven uit het heelal? Radiotelescopen (= reusachtige schotelantennes). c Zijn er bronnen van x-straling (‘X-rays’) in het heelal? Ja. 2 a Klopt het dat de gsm werkt op hoge frequentie? Ja, gsm's zenden permanent golven van hoge frequentie uit om contact te houden met het netwerk, zelfs in stand-by. b Komen de diverse studies tot dezelfde conclusie? Neen. Gesponsorde onderzoeken tonen geen verhoogde kans op bepaalde kankers, onafhankelijke onderzoeken wel, nl. een verdubbeling van het risico op 5 jaar. c Welke ziekten worden door het gsm-gebruik gestimuleerd? Het akoestisch neuroom of kanker aan de gehoorzenuw, het glioom of tumor op de steuncellen en hersenvlieskanker. d Aangezien de straling waarmee een gsm functioneert op zich laagfrequent is, gaat het om ongevaarlijke straling. Niettemin is er blijkbaar een nadelig effect op de hersenen. Kan je dat verklaren? Vergelijk met de laagfrequente straling van de microgolfoven. Ook bij een microgolfoven wordt ongevaarlijke straling van lange golflengte gebruikt. De bedoeling is de moleculen in het voedsel te doen trillen, zodat het voedsel opwarmt. Gsm-gebruik heeft een gelijkaardig gevolg: bij langdurig gebruik warmen de hersenen op.