OWG 4: Stralingsfysica 1 1.
Atomen zijn de kleinste deeltjes waarin materie met scheikundige
methoden opgedeeld kunnen worden. Een atoom bestaat uit
een kern van protonen en neutronen waaromheen de elektronen
in schillen bewegen.
Kern (nuclide): protonen (positief geladen +e=1,602•10-19 eV) en
neutronen. Neutronen zijn klein beetje zwaarder dan protonen;
en protonen zijn 1000x zwaarder dan elektronen.
Schil: elektronen (negatief geladen -e=-1,602•10-19 eV), relatief
licht. Elektronen schillen van binnen naar buiten:
K (2) - L (8) – M (18) – N (32) → formule: 2•n2 (n=schilrang)
De buitenste schil bestaat altijd uit 8 elektronen.
Aantal protonen in de kern = elektronen die om de kern bewegen. -> Dit zorgt voor een neutraal
geladen atoom. Als je één van de elektronen zou weghalen, krijgt het atoom een lading en noemen
we het een ion.
Aantal Protonen (Z) in de kern wordt het atoomnummer genoemd. Het aantal neutronen (N).
Atoommassagetal (A) = protonen + neutronen.
Hiervoor wordt een speciaal symbool gebruikt dat de volgende vorm heeft:
Door energie op te nemen of af te staan, kunnen de elektronen in andere banen terecht komen.
Door een botsing me een ander atoom kan een elektron energie opnemen en in een grotere baan
terecht komen en dit is geen stabiele toestand, want na een zeer korte tijd zal de elektron weer
terugvallen. We spreken dan van een foton -> E=h•f (H is de constante van Planck = 6,63•10-34 J•s).
In het periodiek systeem zijn alle atoomsoorten gerangschikt naar opklimmend atoomnummer. Het
bestaat uit horizontale perioden en verticale groepen. In de perioden loopt het atoomnummer op.
De elementen die veel op elkaar lijken staan dicht bij elkaar. De elementen die in dezelfde groep
staan zijn verwant aan elkaar, ze hebben eigenschappen die overeenkomen. Het nummer van de
periode is hetzelfde als het aantal schillen (banen van elektronen) dat een atoom gebruikt.
Een stabiele atoomkern, heeft twee krachten die in evenwicht zijn. Wanneer beide krachten in
evenwicht zijn heb je te maken met een stabiele (een niet uit elkaar vallende atoomkern). Bij een
instabiele is de elektromagnetische kracht groter dan de kernkracht, waardoor de kern vervalt.
Als verhouding aantal protonen/neutronen "ongunstig", dan nuclide instabiel. Instabiele kernen
vervallen onder uitzending van een radioactief deeltje. Ze veranderen in andere kernen doordat ze
aan α-deeltje, β-deeltje of γ-deeltje uitstralen. Een α-deeltje is een 42He-kern; een β-deeltje is een
elektron of positron en een γ-straal is een hoogenergetisch foton. Een isotoop van een element is in
sommige gevallen instabiel. Een andere verhouding van protonen en neutronen is dan energetisch
gunstiger. Om die reden zijn sommige isotopen radioactief: ze vervallen. Bij dat verval schieten
geladen deeltjes weg, waardoor het isotoop in een ander element verandert dat stabieler is. Dit
proces kan een aantal keer herhaald worden, totdat uiteindelijk een stabiel isotoop van een element
ontstaat. We kunnen een uitgebreidere variant van het periodiek systeem beschouwen, de
zogenaamde nuclidenkaart. De nuclidenkaart weergeeft elke soort isotoop die er is en per isotoop
kun je zien hoe veel er op de aarde voorkomen. Het aantal protonen stijgt naarmate je omhoog gaat
en het aantal neutronen stijgt naarmate je meer naar rechts gaat. De kleurtjes in de nuclidenkaart
zijn de instabiele kernen en de zwarte zijn de stabiele kernen.
1 eV = 1,602 × 10−19 J en 1 J = 6,24 × 1018 eV
,Als een isotoop N neutronen heeft en Z protonen,
dan kan het in theorie op acht manieren van
isotoop en/of element veranderen. De acht
manieren staan aangegeven in de figuur. Van
deze acht mogelijke manieren zijn in de praktijk
alleen de groene varianten waargenomen als
‘natuurlijk’ of ‘uit zichzelf voorkomend’ verval.
Isotoop: atomen van hetzelfde chemische element met hetzelfde aantal protonen, maar een
verschillend aantal neutronen, wat resulteert in verschillende massagetallen.
➔ 126C 136C 146C
Isobaar: nucliden met een gelijk aantal kerndeeltjes. De som van het aantal neutronen en protonen
(het massagetal) is gelijk, maar het aantal neutronen en protonen onderling kan verschillen.
➔ 146C 147N 148O
Isotonen: nucliden met een gelijk aantal neutronen, het aantal protonen en neutronen kan
verschillen, dus het atoomgetal (Z) en massagetal (A) verschillen.
➔ 3918A 4019K 4120A N=21
Isomeren: afhankelijk of een atoom metastabiel is, dus of die aangeslagen is. Op het moment dat
een elektron naar een andere schil gaat (een hoger gelegen schil), dan komt het atoom in een
aangeslagen of metastabiele toestand en heb je een isomeer van wat het eerst was. (14m6C)
Straling (geen tussenstof nodig om energie over te brengen)
- Elektromagnetische straling (elektromagnetische golf of foton)
De frequentie kan uiteenlopen van heel laag tot heel hoog. Als we de frequenties rangschikken van
laag naar hoog dan noemen we dat het elektromagnetisch spectrum. Bekijk je het
elektromagnetisch spectrum van links naar rechts, dan kom je de volgende soorten velden/straling
tegen:
o Niet ioniserende straling
Statische velden, ELF velden, Radiofrequente velden, Licht (infrarood, ultraviolet)
o Ioniserende straling
Röntgenstraling en gamma straling. Röntgenstraling wordt door de mens gemaakt. Elektronen
worden met grote snelheid op een metalen plaat geschoten waardoor deze metalen plaat zeer
energierijke straling uitzend. Een Röntgenbuis kan aan- en uitgezet worden. Röntgenstraling heeft
een grote doordringbaarheid en een laag ioniserend vermogen. Gamma straling ontstaat doordat de
neutronen en de protonen in de kern een andere positie innemen. Deze nieuwe positie kost minder
energie om in stand te houden en de overgebleven energie verlaat het atoom. Doordringbaarheid is
groot, ioniserend vermogen is klein.
De term ioniserend betekent dat de straling zoveel energie heeft (elektron uit atoom los slaan) dat ze
ons DNA kan beschadigen. Daardoor kan deze straling kanker veroorzaken.
, - Deeltjesstraling (veel energie) (kernstraling=alleen alfa en bèta)(
o Alfa
Alfa-straling ontstaat doordat uit een instabiel atoom op een gegeven moment een He-kern met
grote snelheid wegschiet. Doordringbaarheid is klein, ioniserend vermogen is groot.
o Bèta
Bèta-straling ontstaat doordat een neutron besluit een proton te worden waarbij een elektron
wegschiet. We noemen dit bèta min straling, omdat er een negatief deeltje (het elektron) wegschiet.
Doordringbaarheid is middelmatig, ioniserend vermogen is middelmatig.
Stralingshygiëne is de benaming voor het geheel van maatregelen die bij de omgang met bronnen
van ioniserende straling het vrijkomen van straling zo veel mogelijk tegengaan. Ze zijn niet alleen
bedoeld voor de directe bescherming van mensen (op het moment van bewerking van bronnen),
maar ook voor het beperken van stralingseffecten op materie en milieu (vooral op de langere
termijn, bijvoorbeeld bij opslag van stralingsbronnen).
Belangrijke maatregelen ter bevordering van de stralingshygiëne zijn onder meer:
• de stralingsbron zelf zo min mogelijk straling laten produceren;
• de hoeveelheid of massa van de stralingsbron beperkt houden;
• het werkgebied zo gunstig mogelijk inrichten;
• het hanteren van strenge normen bij de verwerking van stralingsafval.
glucose: C6H12O6. : opgebouwd uit 3 verschillende elementen: Koolstof, Waterstof en Zuurstof.
6 Koolstof atomen, 12 waterstof atomen en 6 zuurstof atomen zorgen in totaal ervoor dat glucose uit
24 atomen is opgebouwd.
In de stralingshygiëne wordt een atoomkern ook wel nuclide genoemd. Waardoor wordt de naam
van deze nuclide bepaald? Atoomnummer bepaald welk element het is, atoomnummer wordt
bepaald door aantal protonen.
1 3
Wat zijn 1 H en 1 H van elkaar?Dit zijn isotopen van elkaar, ze hebben hetzelfde atoomnummer
(aantal protonen), maar een verschillend massagetal (protonen+neutronen).
Wat wordt er bedoeld met de m die gebruikt wordt in de notitie van de volgende nuclide:
99 m
Tc . Het gaat om een isomeer. De ‘m’ staat voor metastabiel.
43
De golflengte van γ-stralen is in de orde van 10-13m.
Over welke stralingssoort gaat het hier? De elektromagnetische straling: Gammastraling (γ-straling),
dit is onzichtbare, ioniserende elektromagnetische straling.
Bereken de bijbehorende energie in Joule en eV.
c=λ•f en E= h•f (h is de constante van Planck en c is de lichtsnelheid)
f=c/λ= 3,0••10-13 = 3•1021Hz
E= h•f= 6,63•10-34 x 3•1021= 1,989•10-12 J = 2,0•10-12 J
1 eV = 1,602 176 565 × 10−19 J; 1 J = 6,241 509 6 × 1018 eV
Dus 2,0•10-12 J is gelijk aan 12,4 •106 eV
, OWG 5: Energieprocessen 1-2
Als een energierijke binding wordt verbroken, komt energie vrij. De belangrijkste energierijke
verbinding in het lichaam is adenosinetrifosfaat (ATP). In ATP is een fosfaatgroep via een energierijke
verbinding gekoppeld aan ADP. Binnen onze cellen representeert de omzetting van ADP in ATP de
belangrijkste methode van energieopslag en de omgekeerde reactie is de meest belangrijke methode
voor het vrijmaken van energie.
ADP + fosfaatgroep + energie ATP + H2O
ATP is de direct bruikbare vorm van energie voor de meeste lichaamsfuncties. Cellen kunnen slechts
kleine hoeveelheden ATP opslaan en moeten constant nieuwe ATP vormen om in de benodigde
energie voor alle celprocessen te voorzien. Cellen genereren ATP door een van de 3 (of een
combinatie van) verschillende processen:
❖ het ATP-CP-systeem anaerobe systeem (geen zuurstof nodig)
❖ de glycolyse
❖ het oxidatieve systeem aerobe systeem (zuurstof nodig)
HET ATP-CP-SYSTEEM
Naast de opslag van een kleine hoeveelheid ATP bevatten cellen ook
een ander fosfaatmolecuul met een hoge energie-inhoud dat energie
opslaat: creatinefosfaat (CP). Spieren bevatten 10x meer opgeslagen
CP dan ATP. Creatinefosfaat kan één fosfaatgroep (Pi) afstaan
waarmee ADP tot ATP kan worden terug gevormd. De vrijgekomen
energie uit de afbraak van CP wordt gebruikt om nieuwe ATP te
vormen en in rust een relatief constante voorraad te behouden.
Energie komt vrij uit ATP door het afsplitsen van een fosfaatgroep.
Met dit systeem kunnen cellen ATP-depletie(tekort) voorkómen door het afbreken van CP,
waarmee energie wordt geleverd om uit ADP en Pi opnieuw ATP te vormen. Bij het starten met
intensieve inspanning levert de kleine hoeveelheid ATP in de betreffende spiercellen direct energie
door splitsing in ADP en Pi. De stijging in ADP concentratie verhoogt de activiteit van creatinekinase
(CK=een enzym dat CP splitst van een Pi groep, hierbij komt energie vrij), waardoor CP wordt
afgebroken om ATP terug te vormen. Als de inspanning
voortduurt en ATP gevormd wordt door energie uit de
andere twee energiesystemen – het glycolytische en het
oxidatieve systeem – wordt CK geremd. Het proces van
splitsen van CP om ATP te kunnen vormen is snel.
Hoewel het kan plaatsvinden in de aanwezigheid van
zuurstof heeft het proces geen zuurstof nodig. Tijdens
de eerste paar seconden van intensieve spieractiviteit,
zoals bij sprinten, wordt ATP op een relatief constant
niveau gehouden. Maar het CP-niveau daalt gestaag
omdat het wordt gebruikt om de afgenomen ATP-
voorraad weer aan te vullen, zie figuur. Bij uitputting zijn echter zowel de ATP- als de CP-niveaus laag.
De capaciteit om ATP-niveaus op peil te houden met de energie uit CP is dus beperkt. Cp vult zich
snel weer aan in rust (8 min). De combinatie van ATP- en CP voorraden kan tijdens een maximale
sprint slechts 3-15 seconden aan de energiebehoefte van de spieren voldoen. Voorbij dat punt zijn
de spieren afhankelijk van andere processen om ATP te vormen: het glycolytische en het oxidatieve
systeem.
