Straling
Radio-aktiviteit, wat is dat eigenlijk?
Dat radio-aktieve straling schadelijk kan zijn voor de gezondheid van mens, dier en plant zal iedereen wel kunnen beamen. Op de vreag wat radioakfiviteit precies is, moeten velen het antwoord schuldig blijven. In dit artikel worden verschillende soorten straling behandeld, waanbij tevens enkele in vakkringen vaak gebezigde termen toegelicht worden.
Alhoewel menigeen in verhitte diskussies over wel of geen kernenergie zijn woordje weet te doen, blijkt dat velen weinig of niets weten van de fysische achtergronden van radio-aktieve straling. Om anderen van hun gelijk te overtuigen, worden er heel wat moeilijke begrippen gebruikt, als rem, rad, dosis, somatische en mutagene schade, enz. Het is niet aan ons, een elektronicavakblad, om een uitspraak te doen over toepassing van kernenergie. Wel ligt het in ons vlak om elektronische hulpmiddelen te ontwikkelen, als de elders in dit nummer gepubliceerde geiger-müller-teller, waarmee men de aanwezigheid van radioaktiviteit kan vaststellen. Het is natuurlijk nuttig te weten wet men meet. Vandaar dat we in deze bijdrage iets vertellen over de verschillende soorten straling en een uitleg geven van enkele bekend klinkende termen.
Natuurlijke straling
Misschien herinnert u zich uit de scheikundelessen nog wel iets van het periodieke systeem van Mendelejev, waarin alle tot nu toe bekende elementen volgens atoomgewicht zijn gerangschikt. Ook zal daarbij iets gezegd zijn over zogenaamde isotopen. Een isotoop van een element heeft wel de typische chemische eigenschappen ervan, maar afwijkende fysische eigenschappen en een ander atoomgewicht. Een isotoop ontstaat wanneer een instabiel element vervalt tot een stabiele vorm. Hierbij komt energie in de vorm van straling vrij. Zo kan uranium 238 vervallen tot het isotoop lood (zie figuur 1). Uranium behoort tot de elementen die uit zichzelf vervallen, waarbij de zogenaamde natuurlijke radio-aktieve, ioniserende straling vrijkomt. Wanneer deze straling op een materie terecht komt, ontstaan er ionen (elektrisch positief of negatief geladen atomen of molekulen). Deze ionen reageren anders op hun omgeving dan de neutrale atomen of molekulen.
Figuur 1. Instabiele elementen vervallen tot stabielere vormen. Door dit verval komt radio-aktieve straling vrij. In bovenstaande grafiek is aangegeven hoe uranium 238 via een aantal instabiele tussenvormen uiteindelijk vervalt tot stabiele lood-isotopen. (ook radium-G genoemd).
Men onderscheidt ionenstraling in drie soorten: alfa-, bèta- en gammastraling. Alfastralen bestaan uit positief geladen heliumkernen, die elk twee potronen en twee neutronen bevatten (massagetal 4; vier maal zwaarder dan een waterstofatoom). Door hun sterk ioniserende werking is de stralingswijdte van de alfadeeltjes gering; in lucht reiken zij slechts enkele centimeters ver en dringen maar een paar honderdste millimeter in organische weefsels door.
Figuur 2. Een radio-aktieve stof zendt drie soorten straling uit. Onder invloed van een elektrisch veld kunnen de uit deeltjes bestaande alfa- en bètastralen (α en β) afgebogen worden.
Bètastralen bestaan uit elektronen (negatief geladen deeltjes). Met bijna de snelheid van het licht verlaten zij de vervallende atomen. Bètadeeltjes kunnen zelfs een paar meter in lucht en ongeveer 8 mm in organisch weefsel doordringen. Alfa- en bètastralen zijn, wanneer men er kortstondig aan blootgesteld wordt, niet zo erg gevaarlijk. Ze beschadigen hoogstens het huidoppervlak. Reeds enkele millimeters dikke aluminium- of kunststoffolie biedt voldoende bescherming. Gevaarlijker wordt het echter wanneer alfa- of bètadeeltjes eenmaal in een lichaam gedrongen zijn - hier komen we nog op terug.
De derde soort straling is de gammastraling. Gammastralen zijn energierijke elektromagnetische (korte) golven en bevatten dus geen deeltjes. Ze dringen daarom gemakkelijker dan alfa- en bètastralen door materie heen. Minstens 15 cm dikke loden platen of meters dikke betonnen wanden bieden tegen gammastralen pas voldoende bescherming. Röntgenstralen zijn energie-arme gammastralen en hebben dezelfde eigenschappen als deze.
Iedere radio-aktieve stof kent een zogenaamde halveringstijd. In deze tijd is de helft van de atomen van een element tot isotopen vervallen. De halveringstijd van bijvoorbeeld plutonium, een produkt van snelle kweekreaktors, bedraagt 24.000 jaar; we zitten er dus nog enige honderdduizenden jaren mee opgescheept.
Natuurlijke radio-aktiviteit komt uit het heelal (kosmische straling) en uit stoffen die zich in de aarde, in het water en in de lucht (terrestrische straling) bevinden. Via dierlijk en plantaardig voedsel komen radio-aktieve stoffen in het menselijk lichaam terecht (inkorporatie). De kumulatie (samenvoeging) van de effekten die de alfa- en bètadeeltjes op ons lichaam uitoefenen, heeft een blijvende wijziging van de organische cellen tot gevolg, waarvan o.a. de gevreesde kanker en mutagene schade (verandering in de genetische opbouw) de gevolgen kunnen zijn.
Kunstmatige radio-aktiviteit
Radio-aktiviteit kan ook kunstmatig verkregen worden. Röntgenapparatuur in de medische terapie en diagnose, materiaalonderzoek met röntgen- en gammastralen, atoomwapens, kerncentrales en snelle kweekreaktors zijn daar voorbeelden van.
Reeds voor men de kunst verstond om atomen te splitsen, waren de gevaren van de daardoor vrijkomende straling bekend. Vooral wat betreft de uitwerking van röntgenstraling bestond toen al een ruime dokumentatie over wetenschappelijke onderzoekingen, waarin steeds gewaarschuwd werd voor de kankerverwekkende eigenschap. Uit deze dokumentatie blijkt tevens dat er geen grenzen aan te geven zijn wanneer en bij welke stralingsdosis geen gevaar te duchten is. Zelfs de uitermate geringe hoeveelheid radio-aktiviteit, die onze televisietoestellen (vooral kleuren-TV's) uitzenden, mag niet gezond genoemd worden. Vandaar dat er toch normen zijn opgesteld waarin men de "toegestane", niet al te gevaarlijke stralingsdosis heeft proberen vast te leggen.
Men kan o.a. meten met een zogenaamde geiger-(müller)-teller. Zo'n instrument is alleen geschikt voor het grovere werk; de van een kerncentrale afkomstige radio-aktieve straling kan hiermee nauwelijks vastgesteld worden. Er zijn echter andere meetmetoden ontwikkeld waardoor ook zwakkere intensiteiten gemeten kunnen worden.
Foto 1. Een dosismeter van zakformaat. Hiermee kan de stralingsdosis gemeten worden, waaraan personen gedurende een bepaalde tijd blootgesteld zijn.
Foto 2. Een industriële geiger-müller-teller. Dit apparaat duidt de aanwezigheid van radioaktiviteit aan.
Stralingsdosis en uitwerking
Een aantal begrippen die in verband met radio-aktieve straling gebezigd worden, zijn weliswaar als SI-eenheden niet meer toegestaan, maar worden toch nog steeds gebruikt. Een voorbeeld daarvan is de "röntgen", uitgedrukt in r of R. Deze eenheid geeft aan dat gammastralen (waaronder ook röntgenstralen) in een cm3 lucht 1,61 × 1012 ionenparen vrijmaken. Dat komt overeen met een lading van 2,58 × 10-7 As (ampère × sekonde = coulomb) in een gram lucht. De energie, die deze lading vertegenwoordigt, bedraagt 8,38 × 10-4 Ws (watt × sekonde = joule).
Om de uitwerking van gammastralen op materie te kunnen uitdrukken, heeft men de eenheid "rad" ingevoerd. Een rad is gelijk aan de uitwerking van 1 röntgen op 1 gram materie. Deze eenheid zegt echter nog niets over de uitwerking op levende wezens. Hiervoor is de eenheid "rem" bedoeld, waarmee de uitwerking op mensen aangegeven wordt van 1 röntgen, vermenigvuldigd met een kwaliteitsfaktor. Deze kwaliteitsfaktor geeft aan hoeveel maal groter de uitwerking van een bepaalde straling is in vergelijking met die van gammastralen. Bètastralen hebben ongeveer dezelfde uitwerking op het menselijk lichaam als gammastralen (bij gelijke hoeveelheid stralingsenergie); de kwaliteitsfaktor voor bètastralen bedraagt dus 1. Alfastralen en snelle neutronen hebben een 10 tot 20 maal grotere uitwerking dan gammastralen (bij gelijke hoeveelheid fysische energie); de kwaliteitsfaktor ligt dan ook tussen 10 en 20.
Tegenwoordig drukt men de uitwerking van straling op het menselijk lichaam uit in de meer praktische eenheid "mrem" (milli-rem) en spreekt men van "stralingsdosis". De stralingsdosis per jaar noemt men "jaardosis". De overstap van rem naar mrem heeft de volgende oorzaak: In 1902 hield men de maximaal toegestane dosis op 2500 rem. In 1920 bracht men daar verandering in door de grens naar 100 rem te verleggen. Met schade en schande werd men wijzer; de toelaatbare stralingsdosis werd alsmaar kleiner. In 1931 was het nog 50 rem, in 1936 25 rem, in 1948 15 rem, in 1956 5 rem, in 1959 0,17 rem en in 1973 bleef er nog "slechts" 0,15 rem over. De eenheid rem is in de loop der jaren dus een te grove maat geworden, vandaar dat men tegenwoordig de stralingsdosis in millirem uitdrukt.
Uit voorgaand stukje geschiedenis blijkt wel duidelijk dat er in feite geen toelaatbare dosis aangegeven kan worden. En we zullen toch met een empirisch vastgestelde en technologisch gebonden grens genoegen moeten nemen, willen we gebruik blijven maken van de mogelijkheden die ons door radioaktiviteit geboden worden. Ook al is deze grens nog zo veilig gesteld, we zitten toch nog steeds met een natuurlijke straling, waarvan de jaardosis momenteel zo'n 125 mrem bedraagt; en we kunnen toch moeilijk allemaal een loden pak aantrekken.
Radio-aktieve straling kan zowel somatische als genetische schade aan ons lichaam toebrengen. Somatische schade uit zich na korte of lange tijd in bepaalde lichamelijke ziekten of heeft zelfs de dood tot gevolg. Van genetische schade merken wij niets, maar onze nakomelingen wel. Door beschadiging van erfelijkheidsdragers (genen) kunnen bij nakomelingen zowel psychische als somatische gebreken ontstaan.
Over de mogelijke gevolgen van radioaktieve straling zijn heel wat onderzoekingen verricht. Degenen die zich wat meer in deze materie willen verdiepen, verwijzen wij dan ook naar bestaande literatuur hierover, die momenteel zeker uitgebreid genoemd mag worden.