In dit hoofdstuk wordt de atoombouw besproken. We gebruiken hierbij het model dat rond 1910 werd ontwikkeld. Rutherford, Bohr en veel andere mensen hebben aan dit model gewerkt. Hun kennis heeft uiteindelijk ook tot het moderne atoommodel geleidt. Nog steeds is men bezig om atoommodellen te verbeteren en te perfectioneren. Over dit werk kun je lezen in wetenschappelijke tijdschriften. Soms komt wetenschappelijk werk zelfs in het gewone nieuws. Een bekend voorbeeld daarvan is de zoektocht naar het Higgs-deeltje. Dit behoort echter niet tot de examenstof en zal daarom in deze e-klas niet besproken worden.
1.1 Atoombouw
Inleiding
Veel technieken waarmee wordt gekeken in je lichaam, maken gebruik van eigenschappen van atomen. Al heel lang denken mensen na over wat materie is en waaruit het bestaat. De Grieken hadden al voorstellingen van het 'inwendige' van alle materie. Empedocles dacht dat alle materie was opgebouwd uit de vier elementen: vuur, water, lucht en aarde. Plato hield het erop dat je materie tot in het oneindige kon delen. Iemand die al een notie had van hoe het werkelijk zat, was Democritus. Hij ging ervan uit dat je niet verder kon gaan dan een kleinste ondeelbare stukje materie: het atoom, afgeleid van het Griekseatomos, dat ondeelbaar betekent. Na de Grieken hebben nog meer mensen zich met het atoom bezig gehouden, maar pas in de negentiende en twintigste eeuw is het huidige model voor atomen ontstaan. Dit model is nog niet helemaal af en wordt nog steeds bijgesteld door de uitkomsten van allerlei nieuw onderzoek.
Om de werking van apparaten in het ziekenhuis te begrijpen, is het atoommodel van de Deen Niels Bohr voldoende, met enkele aanvullingen over de samenstelling van de atoomkern. Hoewel het niet de perfecte beschrijving van een atoom biedt, is het wel geschikt om verschijnselen als röntgenstraling en radioactiviteit te verklaren.
Opdracht
Er is een lange weg afgelegd voordat we tot een goed model zijn gekomen om de eigenschappen van een atoom te verklaren. Er zijn twee verschillende modellen die veel kunnen verklaren van de eigenschappen die we gebruiken in de geneeskunde: het model van Rutherford en het model van Bohr. Die twee modellen gaan jullie in deze opdracht onderzoeken. Het resultaat van je onderzoek is een verslag.
Zoek op wat de atoommodellen van Rutherford en Bohr precies inhouden. Maak een tekening van beide modellen.
Beschrijf de verschillen tussen de modellen.
Welke problemen heeft het model van Bohr opgelost, vergeleken met het model van Rutherford?
Geef een omschrijving van de volgende begrippen:
* neutron
* elektron
* proton
* elektronvolt
* K-schil
* energieniveau
* aangeslagen toestand
* atomaire massa-eenheid
Leg het verband tussen atoomnummer en massagetal uit aan de hand van de formule A= N + Z. Geef aan wat de letters A, N en Z betekenen.
1.2 Straling
Elektromagnetische straling
Veel medische apparaten gebruiken elektromagnetische straling om een beeld te maken. Voorbeelden van deze straling zijn radiogolven, radargolven, infrarode straling, licht, ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastraling. Al deze golven planten zich voort met de lichtsnelheid (in het luchtledige bijna 300 000 km/s). De verschillende vormen van elektromagnetische straling onderscheiden zich van elkaar door hun golflengte.
Het plaatje geeft een overzicht van de elektromagnetische golven. De golflengte van röntgenstraling is bijvoorbeeld tussen de 0,1 en 10 nanometer, veel korter dan die van zichtbaar licht. Een nanometer is 10-9 meter, ofwel een miljoenste millimeter.
Verband tussen golflengte en frequentie
Als je goed naar de afbeelding kijkt, zie je dat de frequentie lager wordt naarmate de golflengte groter wordt. Het verband tussen de golflengte en de frequentie van een golfverschijnsel wordt gegeven door de volgende formule:
λ = c/f
In de formule is c de voortplantingssnelheid (in m/s); λ is de golflengte (in m) en f is de frequentie (in Hz).
Men stelt zich elektromagnetische golven voor als twee loodrecht op elkaar staande golven, de elektrische en de magnetische component. Hun snijlijn geeft de voortplantingsrichting van de golf (zie de figuur hieronder).
Door elektromagnetische straling wordt energie vanuit een bron naar de omgeving overgedragen; hoe hoger de frequentie, des te groter de energie die wordt overgebracht. In het begin van de 20e eeuw bleek uit heel nauwkeurig onderzoek van elektromagnetische golven dat deze golven bestaan uit heel kleine golfdeeltjes die we fotonen noemen. Een foton vertegenwoordigt het kleinst mogelijke brokje (licht)energie van een elektromagnetische golf. De energie van een dergelijk brokje, de fotonenergie, hangt af van de frequentie: hoe groter de frequentie, des te groter de energie. De energie van een foton kun je berekenen met de volgende formule:
E = h · f
In de formule is E de energie van het foton in Joule (J), f is de frequentie in hertz (Hz) en h is de constante van Planck: h = 6,62607.10-34J · s
Fotonen kunnen reageren met geladen deeltjes, zoals de elektronen in een atoom. Op die manier kunnen fotonen van het zichtbare licht chemische reacties veroorzaken (denk aan de fotosynthese bij groene planten, aan zintuigcellen in het oog en aan de werking van fotofilm).
De frequentie van röntgenstraling is zeer hoog. De energie van röntgenfotonen is dus ook veel groter dan die van lichtfotonen. Fotonen van röntgenstraling kunnen daardoor moleculen in ons lichaam beschadigen, wat uiteraard gevaarlijk is voor de gezondheid. Dit bespreken we verder in het hoofdstuk over röntgenstraling.
Waar/Niet waar-vraag
Opdracht
Schrijf de antwoorden in je schrift.
1. Zoek in Binas de tabellen op waar natuurconstanten, grootheden en eenheden in staan.
2. Zoek de waarden en eenheden van de volgende grootheden op:
a. lichtsnelheid (c)
b. constante van Planck (h)
c. elementair ladingsgetal (e)
d. elektronvolt (eV)
3. Reken de energie om: 3 (J) = .... (eV)
4. Bereken de fotonenergie (J en eV) van een röntgenfoto die gebruikt maakt van fotonen met een golflengte van 5,00 nm.
5. Zoek in Binas de tabellen voor het elektromagnetische spectrum op.
1.3 Kernstraling
De Frans-Poolse wetenschapper Marie Curie heeft aan het eind van de 19e eeuw onderzoek gedaan naar onder meer de nieuwe elementen polonium en radium. Zij ontdekte dat er van die elementen straling afkwam in de vorm van deeltjes. Om ze een naam te geven, heeft ze de eerste drie letters van het Griekse alfabet gebruikt. Deze namen zijn blijven bestaan. De eerst ontdekte vorm heet dus alfastraling (of α-straling), de tweede en de derde heten respectievelijk bèta- en gammastraling (of β- en γ-straling).
Deze straling bleek afkomstig uit de atoomkern en wordt daarom ook wel kernstraling genoemd. Eigenschappen van deze stralingssoorten zijn het ioniserende vermogen en het doordringende vermogen.
Opdracht
Zoek aan de hand van de onderstaande tabel informatie op over deze stralingsvormen.
1. Neem de onderstaande tabel over in je schrift, maak hem compleet en beantwoord daarmee de volgende vragen.
Uit welke deeltjes bestaat deze straling?
Welke elektrische lading heeft deze straling?
Hoe groot is het ioniserend vermogen in kwalitatieve termen?
Hoe groot is het doordringende vermogen van deze straling?
bestaat uit
lading
ioniserend vermogen
doordringend vermogen
alfa
bèta
gamma
2. Rangschik de soorten straling op doordringend vermogen. De meest doordringende het eerst.
Doe dit ook voor het ioniserend vermogen. Wat valt je op? Leg uit.
3. Leg uit waardoor alfastraling een veel groter ioniserend vermogen heeft dan bètastraling.
4. Zoek op hoe en waarmee men zich kan beschermen tegen de verschillende soorten straling.
Een kern bestaat uit protonen en neutronen. De atoomsoort (ofwel het element) wordt bepaald door het aantal protonen: helium heeft 2 protonen, uranium heeft er 92. Het aantal protonen wordt atoomnummergenoemd en aangeduid met Z. Voor een bepaald element kan het aantal neutronen nog iets verschillen. De meeste heliumkernen hebben 2 protonen en 2 neutronen, maar heliumkernen met 1 neutron komen ook voor. Een koolstofkern heeft 6 protonen en meestal ook 6 neutronen, maar 8 neutronen komt ook voor (dat noemen we "koolstof 14", dus met 14 kerndeeltjes). Atomen met hetzelfde aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen worden isotopen genoemd. Het totale aantal kerndeeltjes, dus protonen en neutronen, wordt massagetal genoemd en aangeduid met A. Het massagetal van gewone koolstof is 12, maar het massagetal van de isotoop met 8 neutronen is 14.
Een van de bijzondere verschijnselen bij straling is dat elke isotoop zijn eigen typerende eigenschappen heeft. Aan het soort straling, de energie, en de halfwaardetijd herkent men de isotoop. We zoeken daarom naar een mechanisme dat dit verklaart of waarmee we de verschijnselen kunnen uitleggen. Voor de eerste 20 elementen van het periodiek systeem geldt dat isotopen met een ongeveer gelijk aantal protonen en neutronen het stabielst zijn. Voor atomen met een hoger atoomnummer zijn er altijd meer neutronen dan protonen.
Stralingsdeeltjes
Wanneer in een kern het aantal neutronen en protonen niet in balans is, is de kern instabiel en kan een alfa- of bètadeeltje worden uitgezonden. Een kern kan ook aangeslagen zijn, in een hogere energietoestand verkeren en de extra energie uitzenden in de vorm van een gammadeeltje. In al deze gevallen zeggen we dat "verval" optreedt. De kern vervalt.
Halfwaardetijd
De tijd waarin een isotoop vervalt, varieert zeer sterk. De ene isotoop zal snel, in bijvoorbeeld 1 ms, vervallen en de andere isotoop doet er miljarden jaren over (bijvoorbeeld uranium-238). De grootheid die wij hieraan verbinden heet de halveringstijd of de halfwaardetijd. Deze halfwaardetijd is dus per isotoop verschillend.
Energie
De energie die vrijkomt bij straling is ook per isotoop verschillend. Bij alfa- en bètastraling is dit de kinetische energie van het alfa- of bètadeeltje. Die kan gemeten worden door bijvoorbeeld de snelheid van het deeltje te bepalen. Bij gammastraling wordt de energie bepaald door de frequentie te meten.
De genoemde eigenschappen vind je terug in de Binas, in tabel 25 van isotopen.
We komen hierop terug in hoofdstuk 3, in de paragraaf over de gammacamera.
Het arrangement 1 H1 Achtergrondkennis is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Bètapartners
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2015-05-08 11:48:37
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Dit materiaal is achtereenvolgens ontwikkeld en getest in een SURF-project (2008-2011: e-klassen als voertuig voor aansluiting VO-HO) en een IIO-project (2011-2015: e-klassen&PAL-student). In het SURF project zijn in samenwerking met vakdocenten van VO-scholen, universiteiten en hogescholen e-modules ontwikkeld voor Informatica, Wiskunde D en NLT. In het IIO-project (Innovatie Impuls Onderwijs) zijn in zo’n samenwerking modules ontwikkeld voor de vakken Biologie, Natuurkunde en Scheikunde (bovenbouw havo/vwo). Meer dan 40 scholen waren bij deze ontwikkeling betrokken.
Organisatie en begeleiding van uitvoering en ontwikkeling is gecoördineerd vanuit Bètapartners/Its Academy, een samenwerkingsverband tussen scholen en vervolgopleidingen. Zie ook www.itsacademy.nl
De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, en andere gegevens is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de programmamanager van de Its Academy (zie website).
Gebruiksvoorwaarden: creative commons cc-by sa 3.0
Handleidingen, toetsen en achtergrondmateriaal zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten.
Aanvullende informatie over dit lesmateriaal
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Deze les maakt onderdeel uit van de e-klas 'Medische beeldvorming' voor havo 4 en 5 voor het vak natuurkunde.
Leerniveau
HAVO 4;
HAVO 5;
Leerinhoud en doelen
Natuurkunde;
Eindgebruiker
leerling/student
Moeilijkheidsgraad
gemiddeld
Trefwoorden
e-klassen rearrangeerbaar
1 H1 Achtergrondkennis
nl
Bètapartners
2015-05-08 11:48:37
Deze les maakt onderdeel uit van de e-klas 'Medische beeldvorming' voor havo 4 en 5 voor het vak natuurkunde.
Veel technieken waarmee wordt gekeken in je lichaam, maken gebruik van eigenschappen van atomen. Al heel lang denken mensen na over wat materie is en waaruit het bestaat. De Grieken hadden al voorstellingen van het 'inwendige' van alle materie. Empedocles dacht dat alle materie was opgebouwd uit de vier elementen: vuur, water, lucht en aarde. Plato hield het erop dat je materie tot in het oneindige kon delen. Iemand die al een notie had van hoe het werkelijk zat, was Democritus. Hij ging ervan uit dat je niet verder kon gaan dan een kleinste ondeelbare stukje materie: het atoom, afgeleid van het Griekseatomos, dat ondeelbaar betekent. Na de Grieken hebben nog meer mensen zich met het atoom bezig gehouden, maar pas in de negentiende en twintigste eeuw is het huidige model voor atomen ontstaan. Dit model is nog niet helemaal af en wordt nog steeds bijgesteld door de uitkomsten van allerlei nieuw onderzoek.
Deze straling bleek afkomstig uit de atoomkern en wordt daarom ook wel kernstraling genoemd. Eigenschappen van deze stralingssoorten zijn het ioniserende vermogen en het doordringende vermogen.
