Ioniserende stråling Ioniserende stråling bliver udsendt i forbindelse med processer i atomets kerne. Der kan fx. være tale om et radioaktivt henfald,

Præsentationer af emnet: "Ioniserende stråling Ioniserende stråling bliver udsendt i forbindelse med processer i atomets kerne. Der kan fx. være tale om et radioaktivt henfald,"— Præsentationens transcript:

1 Ioniserende stråling Ioniserende stråling bliver udsendt i forbindelse med processer i atomets kerne. Der kan fx. være tale om et radioaktivt henfald, der er en kerneomdannelse, der sker uden nogen ydre påvirkning. Elektronerne uden om kernen spiller ingen rolle for et radioaktivt henfald..

2 Ioniserende stråling Man taler om følgende typer ioniserende stråling, der udsendes fra kernen:

3 Ioniserende stråling Nukleonbevarelse
Når en kerne henfalder ved et radioaktivt henfald viser det sig, at det samlede antal nukleoner er bevaret i en kerneomdannelse

4 Ioniserende stråling (Proton)Ladningsbevarelse/
Når en kerne henfalder ved et radioaktivt henfald viser det sig, at den samlede ladning er bevaret i en kerneomdannelse

5 I et alfa-henfald udsender kernen to neutroner og to protoner i form at en heliumkerne. Den oprindelige kerne, der udsender a - partiklen, kaldes moderkernen, mens den kerne den omdannes til, ved tabet af a - partiklen, kaldes datterkernen

6 Det ses, at det samlede nukleontal A er det samme på begge sider af reaktionspilen, idet 161 = Ligeledes er det samlede antal protoner det samme på begge sider af reaktionspilen, idet 72 =

7 Ved et alfa-henfald mister moderkernen 2 protoner og 2 neutroner i alt 4 nukleoner.

8 I et -- henfald omdannes en neutron til en proton, en elektron og en antineutrino. Protonen bliver i kernen, mens elektronen og antineutrinoen udsendes fra den.

9 Det ses, at det samlede nukleontal A er det samme på begge sider af reaktionspilen, idet 91 = Ligeledes er ladningen bevaret, idet 37 =

10 Ved et beta-minus henfald mister moderkernen en neutron, der omdannes til en proton, så nukleontallet er uændret.

11 I et + - henfald omdannes en proton til en neutron , en positron og en neutrino. Neutronen bliver i kernen, mens positronen og neutrinoen udsendes fra den

12 Det ses, at det samlede nukleontal A er det samme på begge sider af reaktionspilen, idet 68 = Ligeledes er ladningen bevaret, idet 33 =

13 Ved et beta-plus henfald mister moderkernen en proton, der omdannes til en neutron, så nukleontallet er uændret

14 En atomkerne kan eksistere i forskellige energitilstande
En atomkerne kan eksistere i forskellige energitilstande. Den laveste energitilstand kaldes grundtilstanden. En energitilstand med større energi end grundtilstanden kaldes en eksiteret- eller anslået tilstand. En kerne i en eksiteret tilstand angives med en stjerne. Ved et gamma-henfald udsender en kerne i en eksiteret tilstand en gamma-foton og afgiver dermed den overskydende energi.

15

16 Her sker der igen kerneomdannelse og derfor heller ingen bevægelse på kernekortet.

17 Hvad standser alfa -, beta -, og gamma –partikler ?
Papir Aluminium Bly

18 Kernekort Et kernekort eller et nuklidkort er et koordinatsystem med neutrontallet N ud ad x-aksen og atomnummeret Z op ad y-aksen hvori alle atomkerner er placeret. I kernekortet ligger alle isotoper af samme grundstof på samme vandrette linje.

19 Isotoper En isotop er atomer med samme antal protoner men forskelligt antal neutroner (forskellig vægt) En isotop er et ”familiemedlem” i et grundstof. Der er forskellige fysiske egenskaber (ikke kemiske) for hver isotop. Tre isotoper af samme grundstof. Til venstre et hydrogenatom, i midten deuterium og til højre tritium.

20 Isotoptavlen Så mange forskellige isotoper findes der på vores 92 naturlige grundstoffer + ca. 20 kunstigt skabte grundstoffer. Tavlen kan ses i fysiklokalet

21 Det periodiske system - isotoper

22 Beregning på Chlor Ude i naturen findes to isotoper af chlor
Chlor-35 (Cl-35) hvoraf der er 75 % af den samlede mængde chlor Chlor-37 (Cl-37) hvoraf der er 25 % af den samlede mængde chlor Beregning af gennemsnitsvægten for chlor:

23 Kernekort på nettet: Universal Nuclide Chart and Radioactive Decay Applet Applet: Nuclear Isotope Half-lifes

24

25

26

27 Neptunium-familien forekommer ikke i naturen.

28 Henfaldskæde for - og -kilden

29 Biologisk virkning af ioniserende stråling
Ioniserende stråling er skadelig for levende væv. Mere end 60% af levende væv er vand. ioniserende stråling + H2O H2O+ + e-

30 Biologisk virkning af ioniserende stråling
Vandionen spaltes og elektronen rammer et nyt vandmolekyle. H2O H+ + OH· H2O + e H2O- OH- + H· OH· og H· kaldes frie radikaler pga. den uparrede elektron. De er ekstremt reaktionsivrige stoffer, der ødelægger eller ændrer cellernes funktion fx ved dannelse af stoffer, der er giftige for cellen eller ved at beskadige DNA-molekylerne i cellerne. Cellerne er ikke lige følsomme over for ioniserende stråling. Nerve- og muskelceller har lav følsomhed, mens bloddannede celler, knoglemarven, slimhindeceller i tyndtarmen og celler i kønskirtlerne er mere sårbare. Ioniserende strålings virkning på cellerne afhænger desuden i høj grad af strålingens art og af strålingens energi.

31 Biologisk virkning af ioniserende stråling
Risikoen ved ioniserende stråling afhænger både af strålingens art og af den energi, som afsættes i vævet. Dette beskrives ved absorberet dosis og dosisækvivalent.

32 Absorberet strålingsdoser
Til at beskrive strålingens energiafsættelse anvendes den absorberede dosis, D, der angiver den afsatte energi pr. kg bestrålet stof. 1 Gy = 1 joule pr. kg D er den absorberede dosis målt i Gy. Erad er den totale afsatte energi i J fra den radioaktive stråling. m er massen af det bestrålede stof i kg. Dosis måles i Gray (Gy), 1 Gy = 1 J / kg 

33 Effektiv strålingsdoser - dosisækvivalent
Strålingsskader i mennesker afhænger ikke alene af den absorberede dosis, men også af typen og energien af strålingen. Nogle strålingstyper som eksempelvis alfa - og neutronstråling har en større biologisk sandsynlighed (effektivitet) pr. absorberet dosisenhed til at forårsage senere kræftskader. Derfor har man indført begrebet effektiv dosis, som tager hensyn til både forskel i biologisk effektivitet af forskellige strålingstyper og til forskellig følsomhed i kroppens væv mht. dannelse af senskader. Enheden for effektiv dosis er sievert (Sv): 1 Sv = 1 joule pr. kg, vægtet med hensyn til biologisk effektivitet og vævsfølsomhed Effektive strålingsdoser er derfor - i modsætning til absorberede doser - additive, når man skal vurdere risikoen for en senskade. Den effektive dosis er kun defineret for lave doser.

34 Effektiv strålingsdoser - dosisækvivalent
Nedenfor kan man igen se den effektive ionisationseffekt af de forskellige strålingstyper. Strålingens art  Neutron , , røntgen Q 20 10 1 Som man kan se af ovenstående har alfastråling 20 gange større indvirkning på kroppen end f.eks. gamma. Det er fordi alfapartikler er større og har en større ladning, hvilket bevirker mange flere ioniseringer end de andre strålingstyper. Den absorberee dosis og dosisævivalenten (effektiv stråledosis) kan sammenlignes. Det forholder sig nemlig således H = Q * D Hvor D er:

35 Aktivitet måles i Becquerel
Aktiviteten (aktivitetsmængden) af en radioaktiv isotop defineres som det antal atomer i materialet, der spontant omdannes pr. tidsenhed. Enheden for aktivitet er becquerel (Bq), som defineres som: 1 Bq = 1 atomkerneomdannelse pr. sekund I en stofmængde, der indeholder 1 Bq, omdannes der et radioaktivt atom pr. sekund. Samtidigt udsendes stråling, der kan være alfa - eller betastråling, ofte med ledsagende gammastråling

36 Baggrundsstråling Baggrundsstrålingen kan deles op i den naturlige - og den menneskeskabte baggrundsstråling. Den naturlige baggrundsstråling stammer fra kosmisk stråling samt fra stråling fra stoffer i jorden fra dens dannelse. Den menneskeskabte baggrundsstråling stammer bl.a. fra medicinske kilder. Dette bidrag er i gennemsnit ca. 1 mSv/år. Dette tal dækker over store variationer.

37 Baggrundsstråling Bidraget fra luftarten Radon i boligen stammer fra opsivning fra undergrunden og varierer med undergrundens beskaffenhed. Den kosmiske stråling stiger med højden. Ved havoverfladen modtager man ca. 0,3 mSv/år. Dosis fordobles når man går 1500 m op i atmosfæren.

38 Baggrundsstråling

39 Biologisk virkning af stråling
Når ioniserende stråling vekselvirker med menneskeligt væv, vil den resulterende energiafsættelse ske i form af ionisering af atomer i cellemolekyler, der er biologisk vigtige for cellernes funktion. Hvis der opstår skade på celler, og skaden ikke bliver "repareret", kan den enten resultere i cellernes død eller i fejlreparerede celler. Disse to skadetyper har væsentlig forskellig betydning for organismen som helhed, idet de kan føre til enten deterministiske skader (akutte skader) eller til stokastiske skader (senskader). De fleste organer og væv kan fungere uforstyrret selv efter tab af en betydelig mængde celler. Hvis celletabet imidlertid bliver for stort, kan klinisk observerbare skader (deterministiske skader) optræde relativt hurtigt efter en bestråling (dage til måneder afhængig af dosis). Drejer det sig om hel-kropsbestråling, vil doser på omkring 3 gray (Gy) være dødelige for ca. halvdelen af en bestrålet befolkningsgruppe. Hvis helkropsdosis er større end omkring 6 Gy, vil næsten ingen overleve. Årsagen skyldes svigt af den bloddannende knoglemarv.

40 Skønnede senskader ved lav dosishastighed
Stokastiske skader (skader der optræder senere = senskader) optræder tilfældigt, dvs. de er af statistisk natur. De omfatter kræftskader og arvemæssigt overførte skader (genetiske skader). Risikoen for kræftskader er proportional med den effektive dosis, og risikoen for genetiske skader er proportional med dosis til kønskirtlerne. Risikofaktorerne er vist nedenfor. Det fremgår af tabellen, at kræftskader dominerer sammenlignet med de genetisk overførte skader. En effektiv dosis på eksempelvis 10 mSv vil forøge den gennemsnitlige kræftrisiko med 0,05%. Den "naturlige" kræftrisiko for hver dansker på omkring 22% ville derved blive forøget til 22,05%. Ved beregning kan man finde ud af, at der i Danmark forekommer ca ekstra kræfttilfælde grundet baggrundsstrålingen. I Danmark har vi ca registrerede kræfttilfælde om året. Effekt Befolkning Risiko pr. mSv Dødelig cancer alle aldre 0,005 % Alvorlig arveskade Alle generationer 0,001 %

41 Den samlede stråling i Danmark
Det skønnes, at de årlige effektive doser i Danmark fra alle kilder ligger i intervallet 2-20 mSv/år (1 mSv = 1/1000 Sv). Den største variation findes i doserne fra radon i huse. Den samlede årlige gennemsnitlige effektive dosis til danskeren er omkring 4 mSv/år fra alle kilder. Den procentvise fordeling er vist på efterfølgende figur. I andre lande kan de årlige strålingsdoser fra naturligt forekommende radioaktive stoffer være væsentligt større end i Danmark. I Finland er den gennemsnitlige effektive dosis ca. dobbelt så stor som i Danmark som følge af meget højere radon niveauer i Finland. I den indiske stat Tamil Nadu kan den ydre dosis nå op på 30 mSv/år pga. thoriumholdigt monazitsand i jorden. I staten Pennsylvania i USA er der målt radonkoncentrationer i huse på Bq/m3 svarende til en effektiv dosis på 3500 mSv/år

42 Beregn din egen dosis Du kan beregne din egen dosis ved at følgende nedenstående link: og tryk på Enter. Sæt musepilen neders i venstre hjørne på ”Calculate your dose”. Indtast dine fakta, og tryk på Enter, og du får beregnet den strålingsdosis, du har modtaget.

43 Modtaget dosis – hvad kan vi klare?
Grafen viser for eksempel, at der er knap 90% risiko for symptomer efter en korttidsdosis på 1 Sv, og at der er 100% dødelighed inden for to måneder efter en korttidsdosis på 5 Sv. Man har dog eksempler på personer, der efter intensiv behandling med blodtransfusioner og knoglemarvstransplantation har overlevet en dosis på 8 Sv. Den nederste rette linie illustrerer proportionaliteten mellem kræftrisikoen og den samlede strålingsdosis, som en person har modtaget i tidens løb.

44 Dosis fra - og  -kilden
På -kilden står der at aktiviteten er Bq, men ifølge Risø sendes der kun -partikler ud pr. sekund (±10%), da vi kun kan registrere dem der kommer ud af åbningen på kilden. På -kilden står der at aktiviteten er Bq, men ifølge Risø sendes der kun ca -partikler ud pr. sekund (±10%), da vi kun kan registrere dem der kommer ud af åbningen på kilden. Ved -kilden er det hovedsageligt luften der stopper partiklerne, mens det ved -kilden bl.a. er den plastplade der dækker kildens åbning.

45 Kildernes farlighed Antagelser.
Vi bruger en kilde som den vi har i klasselokalet (370 kBq) Du står 1 meter fra kilden Din krop fylder 1 m2 Du vejer 70 kg Strålingen absorberes IKKE undervejs – luften bremser den altså ikke. Din krop modtager 50 % af den energi den rammes af. Fakta: Hvis man flytter fra Vestjylland til Østjylland vil man på ét år modtage 200 Sv mere (1 Sv = 1/ ) For at modtage samme dosis som ovenstående fra gammakilden skal man stå foran den i 90 år! Beregninger på betakilden viser at hvis man rammer 1 kg af det menneskelige legeme med den, vil man få 5,767*10-11 Sv pr. time. Det svarer til at der skal gå (4/(5,767*10-11*24*365*1000*70))= 113 år før vi har fået samme mængde stråling som man får i baggrundsstråling på et helt år i Danmark – hvis man vejer 70 kg. Beregninger på alfakilden viser at hvis man som elev (45 kg) udsættes for strålingen i 4 måneder vil man modtage samme mængde energi som vi får på et helt års baggrundsstråling (4 mSv)

46 Kræft - når cellerne går amok
Menneskets celler formerer sig ved deling. Denne deling styres af de gener, der findes i cellerne. Generne fortæller cellerne, hvornår de skal dele sig og hvornår de skal holde op. Kræftceller mangler denne kontrol over celledelingen. Forsætter en celle med at dele sig uhæmmet, vil der dannes en knude. Sidder knuden i et organ, fx lungen, vil den ødelægge cellerne i lungevævet omkring den. Efterhånden som knuden vokser, og flere celler ødelægges, vil lungen blive dårligere og til sidst holde op med at fungere. Man kan sige, at de syge kræftceller udkonkurrerer de raske celler i de organer, de angriber. Årsagen til at kontrollen over celledelingen svigter, kan være tilfældige mutationer. Men den kan også skyldes radioaktiv stråling eller forskellige kræftfremkaldende stoffer, fx tobak.

47 Kræft kan spredes via metastaser
Strukturer i cellernes overflade gør, at celler fra ét organ ikke kan vokse i et andet. Med kræftceller er det anderledes. De er i stand til at invadere og danne knuder i andre organer end dem, de stammer fra. Disse nye "døtreknuder" kaldes metastaser. Forskere mener, at der til stadighed dannes kræftceller med nye egenskaber, når en kræftknude vokser ind i det omliggende væv. Årsagen til dette kan være at kræftcellernes arvemasse, altså generne, hele tiden ændrer sig under de fortsatte celledelinger. Blandt de nye celleegenskaber kan bl.a. være evnen til at kunne eksistere i andre væv. De ændrede celler kan trænge ind i blodkarrene og føres med blodet rundt i organismen. Herfra er der mulighed for at invadere nye organer og danne nye knuder.

48 Celler påvirkes af stråling.
Øjets hornhinde han blive beska- diget af både alfa- ,beta-, og gamma stråling Alfa- stråler kan ikke trænge gennem huden, men de er meget farlige inden i kroppen, da de har en stor ioniseringsevne Beta- stråler er farlige inden i kroppen, men ikke så farlige som alfa-stråler Gamma-stråler kan passere tværs gennem kroppen, så de er farlige, uanset om gamma-kilden befinder sig uden for eller inden i kroppen

49 Radioaktiv stråling kan helbrede kræft
Det kan virke som et paradoks, at man i dag bruger radioaktiv stråling til at helbrede kræft. For samtidig kan stråling jo give kræft ved at påvirke arvematerialet i cellerne, så de deler sig ukontrolleret og bliver til livsfarlige knuder. Ved strålebehandlingen udnytter man, at kræftceller vokser langsommere end raske celler, og at de er dårligere til at reparere sig selv. Apparatet på billedet er en strålekanon, som man bruger til at bekæmpe kræftknuder med. Inde i den, findes det radioaktive stof kobolt-60, som udsender gammastråling. Med et linsesystem kan man regulere størrelsen af det område, der skal bestråles, så det præcis passer med knudens størrelse. Gammastrålingen ioniserer kemiske forbindelser inde i cellerne. Ved jævnligt at bombardere det syge område med skadelig stråling, kan man opnå, at kræftknuden simpelthen dør af udmattelse.

50 Radioaktiv forurening
Radioaktivt stof Gennem fødekæder kan koncentrationen af radioaktive stoffer øges og ende i

51 Anvendelse af stråling
Nulevende dyre- og plantearter har udviklet sig gennem millioner af år. Gang på gang er der pludselig sket ændringer i arvemassen. Man kalder det for mutationer.Bestråling kan være årsag til mutationer. Skal man for- ædle planter, kan man bestråle frøene og skabe ændringer i arvemassen og få ” nye” planter med bedre egenskaber. Hvede Man kan konservere fødevarer ved at bestråle dem med beta- eller gamma- stråler. Alle mikroorganismer og bak- terier bliver slået ihjel og fødevarerne kan holde sig i flere måneder

52 Kerneenergi Ba -144 U -235 Når atomerne ”deler” sig, ud- Neutron
vikles en enorm energi. Neutron Kr -89 Denne energi kan bruges til : 1) Atomkraft 2) Atombomber

53 Sådan virker et kernekraftværk- 1
Et almindeligt ( konventionelt ) kraftværk Turbine Generator /dynamo Damp Kølevand Pumpe Olie Kul Halm

54 Sådan virker et kernekraftværk- 2
Kontrolstænger Brændsels-elementer Denne del er som før. Der er ingen forskel på et alm.kraft- værk og et kernekraftværk Vandet skal nu opvarmes af varmen fra brændselselementerne.

55 Ulykken i Tjernobyl I april 1986 skete der et uheld på atomkraftværket i Tjernobyl i det tidligere Sovjetunionen. Efter flere operatørfejl steg temperaturen i reaktoren voldsomt. Resultatet blev en voldsom dampeksplosion, som blæste reaktorens 2000 tons tunge ståldæksel af. Derefter fulgte en gaseksplosion og en brand i reaktoren. Store mængder af de radioaktive stoffer blev spredt over en stor del af Europa.. De stoffer som slap ud i atmosfæren var : jod – 131 , cæsium – 137 og strontium – 90.