Samenvatting voor natuurkunde - Ioniserende straling 2: Halveringsdikte en de gevaren van straling
Wat gebeurt er als een straling door een stof dringt?
Stel je een blok voor van een of andere stof waar we straling op afschieten. Het maakt voor deze uitleg niet zoveel uit wat voor stof het is, of wat voor straling we erop afschieten; het principe blijft hetzelfde. We schieten de straling op het blok af met een intensiteit van 1000 J/s. Dat betekent dat er elke seconde 1000 Joule aan straling het oppervlak van het blok raakt. Deel nu het blok op in denkbeeldige laagjes en stel jezelf de vraag: wat is de intensiteit van de straling bij dit laagje van het blok, of bij dit laagje?
Omdat een deel van de straling die we hebben afgeschoten al is geabsorbeerd in eerdere laagjes van het blok, zal de intensiteit steeds kleiner zijn. Het blijkt dat de intensiteit exponentieel vervalt naarmate de straling dieper in het blok dringt. Geen zorgen, er volgt zo een voorbeeld waaruit duidelijk wordt wat dit precies betekent.
Exponentieel verval
De formule die bij exponentieel verval hoort kun je in de video zien. De letter d staat hier voor de diepte in het blok. I van d staat voor de intensiteit van de straling op diepte d. I0 is de intensiteit van de straling aan het begin van het blok, in ons geval 1000J/s, en d1/2 is de zogenaamde halveringsdikte van de straling in het blok. Halveringsdikte betekent precies wat je zou denken dat het betekent. Het is de diepte in het blok waar de intensiteit van de straling nog maar half zo groot is als de begin-intensiteit.
Een voorbeeldopgave: Wat is de intensiteit van straling op 5cm diepte als de halveringsdikte 1.25cm is? Nou, in de formule vullen we de begin-intensiteit I0 in: 1000J/s, we vullen de diepte d waarop we willen kijken wat de intensiteit is in: 5 cm, en we vullen de halveringsdikte d1/2 in: 1.25cm. We zien dat we daaruit het volgende getal krijgen: 62.5Js. Het laagje van het blok op 5cm diepte kampt dus met een stralingsintensiteit van 62,5 Joule per seconde. Misschien heb je al opgemerkt dat je de breuk dd1/2ook kunt zien als het aantal halveringsdiktes dat de straling al is doorgedrongen. Na één halveringsdikte, 1,25cm in het bovenstaande voorbeeld, is nog de helft van de intensiteit over. Na twee halveringsdiktes, 2,5cm, is nog maar de helft dáárvan over, oftewel een vierde van de begin-intensiteit. Na vier halveringsdiktes, in dit geval 5cm, is dus de helft van de helft van de helft van de helft van de beginintensiteit over, oftewel een zestiende.
Wat doet ioniserende straling met mensen?
Ioniserende straling kan, door zijn ioniserende werking, schadelijk zijn voor mensen. Het kan het DNA in onze cellen aantasten, wat tot kanker kan leiden. Daarom is het belangrijk om ervoor te zorgen dat we niet teveel bestraald of besmet raken. Met bestraald bedoelen we simpelweg dat je niet door teveel ioniserende straling geraakt moet worden. Met besmet bedoelen we dat je geen bronnen van ioniserende straling op, of in je lichaam moet krijgen (die je vervolgens te veel zouden bestralen). Wat de bronnen van ioniserende straling precies zijn, komt in de volgende video aan bod.
Dosis en dosisequivalent
Om te meten of een mens teveel bestraald wordt, zijn er twee grootheden bedacht: de dosis en het dosisequivalent. De dosis is de hoeveelheid energie aan straling die een mens heeft geabsorbeerd per kilogram lichaamsgewicht. In formulevorm wordt dat: D=Em met D de dosis, E de geabsorbeerde energie aan straling in Joule en m de massa van de persoon die het heeft geabsorbeerd in kg. De eenheid van de dosis is dus Joule per kilogram. Deze eenheid wordt ook wel een Gray (Gy) genoemd.
De dosis vertelt je hoeveel energie er aan straling is geabsorbeerd, maar niet hoeveel schade die straling heeft aangericht. Het blijkt dat bètastraling, gammastraling en röntgenstraling allemaal ongeveer evenveel schade aanrichten per Gray die geabsorbeerd wordt, maar dat alfastraling per geabsorbeerde Gray wel twintig keer zo veel schade aanricht. Dat is vanwege het grotere ioniserend vermogen van alfastraling.
Daarom is het dosisequivalent in het leven geroepen. In formulevorm is dat: H=wRD. H is hier het dosisequivalent, D is de dosis en wR is de zogenaamde weegfacor. De weegfactor is voor bètastraling, gammastraling en röntgenstraling gelijk aan 1, en voor alfastraling gelijk aan 20. De eenheid van het dosisequivalent is de Sievert (Sv). Voor bètastraling, gammastraling en röntgenstraling is het dosisequivalent hetzelfde als de dosis, maar voor alfastraling is het dosisequivalent twintig keer zo groot als de dosis. Zo compenseert de weegfactor in de formule voor het dosisequivalent voor de twintigvoudige schadelijkheid van alfastraling voor mensen. Het absorberen van één Sievert aan alfastraling is dus exact even schadelijk als het absorberen van één Sievert aan bètastraling.
Stalingsbeschermingsnormen
Er zijn afspraken gemaakt over hoeveel straling een mens mag absorberen. Die afspraken zijn niet relevant in het dagelijks leven van de meeste mensen, zelfs niet als je een keer een röntgenfoto moet laten maken. Mensen met beroepen waarvoor ze veel aan straling worden blootgesteld, zoals de radiologen die heel vaak röntgenfoto’s moeten maken, moeten oppassen dat ze niet aan teveel straling worden blootgesteld. De afspraken die daarover gemaakt zijn, noemen we de stralingsbeschermingsnormen. Deze normen kun je vinden in Binas, in tabel 27D, en zijn niets meer dan het maximale dosisequivalent dat iemand in een bepaalde hoeveelheid tijd mag absorberen.
Om te zorgen dat je onder dat maximum blijft, kun je zo ver mogelijk van bronnen van ioniserende straling vandaan blijven. Ook kun je ervoor zorgen dat je van de bronnen gescheiden bent door een materiaal met een kleine halveringsdikte, zodat de straling van de bronnen niet bij jou aankomt. Om te controleren of het maximale dosisequivalent inderdaad niet wordt overschreden, dragen mensen die veel met straling te maken hebben altijd een dosimeter bij zich. Dat is een soort badge die kan meten aan hoeveel bètastraling, gammastraling en röntgenstraling hij wordt blootgesteld. Voor Alfastraling werkt een dosimeter helaas niet.
Samenvattend:
De intensiteit van straling die een stof door probeert te dringen, vervalt exponentieel met de diepte die de straling bereikt. Dat betekent dat de intensiteit halveert na steeds dezelfde afstand. Die afstand noemen we de halveringsdikte. Omdat ioniserende straling schadelijk kan zijn voor mensen, mogen die niet teveel bestraald worden, of besmet raken met een bron van ioniserende straling. Om te meten hoeveel een mens bestraald is, gebruiken we de dosis, oftewel de hoeveelheid energie in Joules die een mens heeft geabsorbeerd aan straling per kilogram lichaamsgewicht. Één Joules per kilogram aan geabsorbeerde straling noemen we ook wel één Gray.
Om te meten hoeveel schade een mens heeft geleden door de geabsorbeerde straling gebruiken we het dosisequivalent, oftewel de hoeveelheid energie in Joules die een mens heeft geabsorbeerd aan straling per kilogram lichaamsgewicht, gewogen met hoe schadelijk de soort geabsorbeerde straling is voor mensen. De weegfactor, die deze weging vertegenwoordigt, is 1 voor bètastraling, gammastraling en Röntgenstraling, en 20 voor alfastraling omdat alfastraling 20 keer zo schadelijk is voor mensen als de andere soorten ioniserende straling.
