Samenvatting voor natuurkunde: Ioniserende straling (deel 1)

Wat is ioniserende straling?

Alle stoffen zenden straling uit, voornamelijk infrarood licht. Sommige stoffen zenden ook andere soorten straling uit. We hebben het in deze samenvatting over het soort straling dat andere stoffen kan ioniseren en die we dus ioniserende straling noemen.

Ionisatie

Laten we even kort ophalen wat ionisatie betekent. Alle stoffen zijn gemaakt van atomen, die op hun beurt weer gemaakt zijn van protonen en neutronen. Protonen en neutronen vormen samen de atoomkern, met daaromheen een wolk van elektronen. Protonen hebben een positieve elektrische lading en elektronen een negatieve. Neutronen zijn, zoals hun naam suggereert, elektrisch neutraal. Meestal heeft een atoom evenveel protonen als elektronen en is het als geheel elektrisch neutraal, maar het kan voorkomen dat een atoom meer, of minder elektronen in de elektronenwolk heeft dan protonen in de kern. Het atoom heeft dan een netto elektrische lading. We spreken dan van een ion, of een geïoniseerd atoom.

Ioniserende straling heeft de eigenschap dat het neutrale atomen kan ioniseren door als het ware een elektron uit de elektronenwolk te slaan. Anders gezegd: straling die atomen kan ioniseren door er een elektron uit te verwijderen, noemen we ioniserende straling.

Wat is straling?

We hebben nu heel vaak het woord “straling” gebruikt, maar eigenlijk nog niet duidelijk gemaakt wat we daarmee bedoelen. Er is niet echt een vaste definitie voor wat we wel straling noemen en wat niet, maar grofweg kun je over straling nadenken als snel bewegende deeltjes. Er zijn vier soorten deeltjes die als ioniserende straling kunnen werken. We noemen deze soorten alfadeeltjes of alfastraling, bètadeeltjes of bètastraling, gammadeeltjes of gammastraling en röntgenstraling. Dit zijn grotendeels alleen maar nieuwe namen voor dingen die we al kennen. Maar wat zijn dit voor deeltjes?

Alfastraling

Alfastraling bestaat uit snel bewegende alfadeeltjes. Alfadeeltjes zijn 4-Heliumkernen: de kernen van Heliumatomen met massagetal 4. Deze bestaan uit twee protonen en twee neutronen. Let op, het zijn alléén de kernen. Er is geen elektronenwolk om een alfadeeltje heen.

Bètastraling

Bètastraling bestaat uit snel bewegende bètadeeltjes. Bètadeeltjes zijn snel bewegende elektronen óf positronen. Positronen, mocht je het zijn vergeten, zijn anti-elektronen. Ze zijn vrijwel identiek aan elektronen, maar ze zijn positief elektrisch geladen in plaats van negatief. Omdat elektronen negatief geladen zijn, noemen we ioniserende straling die uit elektronen bestaat bèta- straling en noemen we de elektronen zelf ook wel bèta- deeltjes. Positronen zijn positief geladen en dus noemen we ioniserende straling die uit positronen bestaat bèta+ straling en de positronen zelf ook wel bèta+ deeltjes.

Gammastraling

Gammastraling bestaat uit fotonen en is dus een vorm van elektromagnetische straling, net als radiogolven en licht. Het verschil tussen licht en gammastraling zit hem in de energie die een individueel foton heeft. Een foton van groen licht heeft bijvoorbeeld een energie van zo’n 2,4 ElektronVolt, ofwel zo’n 3,8*10^(-19) Joule. Een foton van gammastraling, ook wel een gammadeeltje genoemd, heeft een energie van minimaal een paar kiloElektronVolt, wel duizend keer zo veel! Gammastraling is dus in principe dan wel hetzelfde als licht, maar omdat de fotonen zoveel meer energie hebben, kunnen ze in tegenstelling tot licht atomen ioniseren

Röntgenstraling

Röntgenstraling, de laatste soort ioniserende straling op onze lijst, bestaat óók uit fotonen en is dus óók een vorm van elektromagnetische straling. We noemen elektromagnetische straling die wel ioniserend kan werken, maar waarvan de fotonen niet zoveel energie hebben als gammadeeltjes, Röntgenstraling.

Wat doet ioniserende straling?

Zoals gezegd kan het atomen ioniseren, daarom heet het immers ioniserende straling. De mate waarin straling ioniserend werkt noemen we het ioniserend vermogen van de straling. Wat er precies met ioniserend vermogen bedoeld wordt, wordt duidelijk aan de hand van het volgende voorbeeld. Als we duizend alfadeeltjes op een stof afschieten, zal een veel groter aantal atomen van de stof worden geïoniseerd dan wanneer we duizend gammadeeltjes op dezelfde stof afschieten. Alfastraling heeft dus een veel groter ioniserend vermogen dan gammastraling. Hier zie je de verschillende soorten ioniserende straling op volgorde van ioniserend vermogen, van groot naar klein.

Alfastraling
Bètastraling
Röntgenstraling
Gammastraling

Doordringend vermogen

Ioniserende straling kan vaak door stoffen heen dringen, bijvoorbeeld dwars door een stalen plaat heen. De mate waarin straling door dingen heen kan, noemen we het doordringend vermogen van de straling. Als we duizend alfadeeltjes op een blok ijzer schieten, zullen ze niet ver in het blok doordringen, maar bijna direct tot stilstand komen. Als we duizend gammadeeltjes op een blok ijzer schieten, zullen er tot enige diepte in het blok nog gammadeeltjes doordringen. Gammastraling heeft dus een veel groter doordringend vermogen dan alfastraling. Hier zie je de verschillende soorten ioniserende straling op volgorde van doordringend vermogen, van groot naar klein. Het zal je opvallen dat de volgorde precies het omgekeerde is van de volgorde van het ioniserend vermogen.

Gammastraling
Röntgenstraling
Bètastraling
Alfastraling

Röntgenfoto’s

Het doordringend vermogen van ioniserende straling hangt natuurlijk af van de stof waar het doorheen probeert te dringen. Röntgenstraling dringt bijvoorbeeld veel makkelijker door spierweefsel dan door botten of tanden. Hier wordt gebruik van gemaakt bij het maken van röntgenfoto’s. De afbeelding van een bot dat je op een röntgenfoto ziet, is eigenlijk de “röntgenschaduw” van het bot. Net zoals jij een schaduw werpt op de grond omdat het zonlicht niet door je lichaam kan dringen, werpt je bot een “röntgenschaduw” op een fotografische plaat omdat de röntgenstraling niet door je bot kan dringen. De rest van je lichaam, je spieren, je pezen en je vet, werpt geen “röntgenschaduw”, omdat de röntgenstraling wel goed door spieren, pezen en vet heen kan dringen. Het doordringend vermogen van Röntgenstraling door bot is dus klein, maar het doordringend vermogen van Röntgenstraling door spieren is groot.

Dracht

De afstand die ioniserende straling door een stof heen kan afleggen, noemen we de dracht van die straling door die stof. De dracht van alfastraling door lood is, aangezien alfastraling een klein doordringend vermogen heeft, kleiner dan de dracht van bètastraling door lood. Van zowel alfastraling als bètastraling is de dracht door lood kleiner dan de dracht door hout, omdat straling makkelijker door hout heen kan dringen dan door lood; vanwege de kleinere dichtheid van hout. Omdat elektromagnetische straling in principe oneindig ver kan doordringen, alleen vrij snel vrij zwak wordt, spreken we niet van de dracht van gammastraling of röntgenstraling.

Samenvattend:

Ioniserende straling bestaat uit Alfadeeltjes (heliumkernen), Bètadeeltjes (elektronen of positronen), Gammadeeltjes en/of Röntgenstraling. Ioniserende straling kan de atomen van een stof ioniseren door er elektronen uit te verwijderen. Als de straling dit goed kan doen, heeft het een groot ioniserend vermogen. Ioniserende straling kan ook in stoffen doordringen. Als de straling dit goed kan doen, heeft het een groot doordringend vermogen. De diepte waartoe de straling in een stof kan doordringen, noemen we de dracht van de straling in die stof.

Gebruik deze uitleg en de andere kennisclips om je goed voor te bereiden op het natuurkunde examen en andere toetsen!

10. Oefenopgave: een massaspectrometer