Alfadeeltjes en doordringend vermogen

Meike stelde deze vraag op 30 mei 2023 om 22:19.

Een vraagje uit mijn boek: 'Stel dat je hand even lang getroffen zou worden door alfastraling met hetzelfde vermogen, geef redenen waarom de opgelopen equivalente dosis dan hoger zou zijn'.
Het antwoord was: 'Alfastraling heeft een veel kleiner doordringend vermogen dan röntgenstraling, alle straling wordt dus geabsorbeerd.' 

Ik begrijp het antwoord niet helemaal, ik dacht het is een groter doordringend vermogen, omdat de stralingsdeeltjes dieper kunnen. Daardoor is de hoeveelheid straling die de hand ontvangt meer, dat dacht ik. Welke denkfout maak ik?

groetjes Meike (5v)

Reacties

Theo de Klerk op 30 mei 2023 om 22:30

(vraag overgeheveld uit een vraag over elektromagnetisch spectrum)

Het antwoord is feitelijk fout want alfa-straling is geen straling maar een deeltjesstroom (van heliumkernen) uit radioactieve kernen.

De absorptie van alfa-deeltjes is compleet en gebeurt al binnen een millimeter dikte van de huid. Alle vrijgekomen energie (foutief "stralingsenergie" genoemd) wordt door de hand opgenomen.
Een zelfde hoeveelheid energie die WEL door elektromagnetische straling wordt uitgezonden (in de vorm van rontgenstraling of misschien gamma-straling) wordt niet in een paar millimeter volledig geabsorbeerd. Hier is een "halfwaarde dikte" nodig om de helft van de straling en dus de helft van de energie op te nemen.
In een millimeter huid wordt dus vrijwel alle energie van alfa-deeltjes opgenomen (+ effecten van neutraliseren van deze geladen deeltjes), maar slechts een fractie van diezelfde energie als het door elektromagnetische straling wordt getransporteerd.

Geladen deeltjes hebben een veel kleiner doordringend vermogen (lees: dringt slechts millimeters ver een stof binnen) dan rontgenstraling. 

(figuur uit https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_Chemistry/Chemistry_for_Changing_Times_(Hill_and_McCreary)/11%3A_Nuclear_Chemistry/11.06%3A_Penetrating_Power_of_Radiation

Jaap op 30 mei 2023 om 22:39
Dag Meike,
• Je citeert: '…getroffen zou worden door alfastraling met hetzelfde vermogen…'
Hetzelfde vermogen als welke andere soort straling?
• Of het geciteerde antwoord juist is voor uitwendige bestraling, staat nog te bezien. Alfastraling heeft een zeer klein doordringend vermogen en wordt geheel geabsorbeerd voordat zij diep kan doordringen in materie. Alfastraling die op je intacte huid valt, wordt al geabsorbeerd door de buitenste huidlaag die bestaat uit dode cellen. We zeggen: de dracht van alfastraling is een fractie van een millimeter. De dode cellen ontvangen dan wel stralingsenergie van alfadeeltjes, maar dit levert geen gevaar op. Een stralingsdeskundige zoals Leon kan zeggen of de stralingsenergie die wordt geabsorbeerd in dode cellen, wel of niet meetelt voor de equivalente dosis.
De dode huidcellen zijn niks bijzonders. Bij ieder mens gaan voortdurend huidcellen dood; ze worden vervangen door nieuwe huidcellen.
Groet, Jaap
Meike op 31 mei 2023 om 22:31
Jaap en Theo, hartelijk bedankt! Ik ga dit samenvatten en leren. Oh, en Jaap; alfastraling werd vergeleken met röntgenstraling. Dus de vraag was waarom alfastraling hetzelfde vermogen heeft als röntgen, maar een groter doordringend vermogen. Dat is dus omdat alfastraling alle energie van alfa-deeltjes opneemt, en bij elektromagnetische straling slechts een fractie, omdat die een halfwaardedikte hebben. Klopt zo toch?
Theo de Klerk op 31 mei 2023 om 23:21
Alfastraling (foute benaming: stroom alfa-deeltjes is beter) kan bijv.  5 MeV energie per deeltje hebben.
Gammastraling (wel el.mag. straling) kan een zelfde energie hebben waarbij 5 MeV overeenkomt met een heel korte golflengte of hoge frequentie (E = hf)

Alfa straling heeft een ZEER KLEIN doordringend vermogen omdat, zoals Jaap ook al aangaf, vrijwel alle deeltjes al binnen enkele tientallen atoomlagen (in de huid of een plastic folie of krant) geheel gestopt worden en hun energie aan die invang-stof afgeven.  Gammastraling gaat er vrijwel dwars doorheen omdat het per halfwaarde-dikte pas halveert in sterkte en dan dus ook pas de helft van de uitgezonden fotonen met energie E=hf zijn geabsorbeerd. Gamma straling heeft dus een GROOT doordringend vermogen.
Jaap op 31 mei 2023 om 23:55
Dag Meike,
Je aangevulde vraag is: 'Stel dat je hand even lang getroffen zou worden door alfastraling met hetzelfde vermogen als röntgenstraling, geef redenen waarom de opgelopen equivalente dosis dan hoger zou zijn'.
Reden 1: de door alfastraling opgelopen equivalente dosis zou hoger zijn omdat de hand alle alfadeeltjes absorbeert, terwijl de hand een deel van de opvallende röntgenfotonen doorlaat. De doorgelaten röntgenfotonen wordt niet door de hand geabsorbeerd en heeft geen invloed op de hand.
Reden 2: de door alfastraling opgelopen equivalente dosis zou hoger zijn omdat de weegfactor van alfastraling (wR=20) groter is dan die van röntgenfotonen (wR=1).

In de vraag staat 'hetzelfde vermogen'. Pas op: dit is de energie van de straling die per seconde op de hand valt, in joule/seconde ofte wel watt. Dat is iets anders dan het 'doordringend vermogen': de mate waarin een stralingssoort erin slaagt om in materie door te dringen. Het doordringend vermogen heeft niet de eenheid J/s of watt.

Je schrijft: 'Dat is dus omdat alfastraling alle energie van alfa-deeltjes opneemt'.
Nee, alfastraling neemt geen energie van alfadeeltjes op. Alfastraling bestaat uit alfadeeltjes (=heliumkernen) die elk een zekere hoeveelheid energie hebben.
Groet, Jaap
Leon op 02 juni 2023 om 13:55
Beste Meike,

Het gewenste antwoord uit het antwoordenboek staat hierboven al gegeven. Als stralingsdeskundige ben ik eens met het antwoord dat de geabsorbeerde dosis voor alfastraling is hoger is dan voor röntgenstraling in de situatie waarbij de hand aan dezelfde totale hoeveelheid stralingsenergie wordt blootgesteld (enerzijds heeft dit te maken met het feit dat de alfadosis volledig wordt geabsorbeerd in de eerste 34 micrometer huid van de hand (voor 5 MeV alfa's) en anderszijds met het feit dat de betreffende röntgenstraling (voor een röntgenfoto van de hand wordt röntgenstraling van 50 keV gebruikt) niet volledig wordt geabsorbeerd in de hand (ca. 80% wordt geabsorbeerd). Kijken we echter naar de equivalente dosis, dan is de dosis ten gevolge van röntgenstraling veel hoger dan die van alfastraling, aangezien de equivalente dosis ten gevolge van alfastraling 0 is; alfastraling komt namelijk niet door de opperhuid (epidermis), de dode laag huidcellen, heen zoals Jaap hierboven ook al aangaf, en richten daardoor ook geen schade aan aan het gezonde weefsel.

Met vriendelijke groet,

Leon
Jaap op 02 juni 2023 om 16:01
Dag Leon,
Een verzoek om verduidelijking over alfastraling aan de hand van een voorbeeld.
Het gaat me niet om de röntgenstraling uit Meike's opgave.

Stel dat een hand met een massa van 50 g wordt blootgesteld aan alfastraling van een uitwendige bron. De huid is intact. De hand absorbeert 0,001 J energie van alfadeeltjes. Neem aan dat deze energie volledig wordt geabsorbeerd door dode huidcellen in de buitenste huidlaag.

Geabsorbeerde dosis D
Uit uw reactie van 13.55 uur maak ik op dat de hand een geabsorbeerde dosis D groter dan nul ontvangt.
Een leek zoals ik denkt dat de hand een geabsorbeerde dosis oploopt van
D=E/m=0,001/0,050=0,020 Gy.
De geabsorbeerde dosis die de dode huidcellen oplopen, is veel groter dan 0,020 Gy omdat 0,001 J wordt geabsorbeerd door een zeer geringe massa dode cellen.
Vraag a: is de geabsorbeerde dosis die de hand oploopt, inderdaad D=0,020 Gy?

Equivalente dosis HT
Een leek zoals ik gebruikt HT=wR·D=20×0,020=0,40 Sv.
Maar uit uw reactie maak ik op dat de equivalente dosis die de hand oploopt, HT=0 is.
Hoe zit dat? Telt bij de equivalente dosis HT alleen de geabsorbeerde dosis D voor zover die wordt ontvangen door levende cellen? Is de HT=wR·D wel of niet geldig voor alfastraling van een uitwendige bron?
Groet, Jaap
Leon op 05 juni 2023 om 19:56
Beste Jaap, 

Om met jouw eerste vraag te beginnen. Nee, de geabsorbeerde dosis die de hand ontvangt is geen 0,020 Gy aangezien alle stralingsenergie, even uitgaande van 5 MeV alfadeeltjes, in de eerste 34 micrometer van de huid volledig wordt geabsorbeerd; de rest van de hand ontvangt dus geen stralingsdosis en de massa hiervan moet dan ook niet verdisconteerd worden in de dosisberekening.

Dan jouw tweede vraag. De equivalente dosis is idd alleen gedefinieerd in levend weefsel aangezien de equivalente dosis de biologische effecten van straling verdisconteerd middels de stralingsweegfactor. De biologische effecten van straling op dood weefsel zijn nul. 

Bij externe blootstelling aan alfastraling is het vrijwel altijd betekenisloos om de geabsorbeerde dosis middels de stralingsweegfactor om te rekenen naar een equivalente dosis. Waneer is het dan niet betekenisloos; als de stralingsenergie van de alfadeeltjes dusdanig is dat ze verder komen dan de dode laag huidcellen. De meeste alfastralers zenden alfadeeltjes uit met een energie tussen 5 en 8 MeV, deze komen niet door de opperhuid heen, maar er zijn ook alfastralers die alfadeeltjes uitzenden met een energie van ca. 10 MeV; deze alfadeeltjes komen, indien deze zich voldoende dicht in de buurt van de blote huid bevinden (ofwel min of meer op de huid), wel door de opperhuid heen en dan kan je wel een equivalente alfadosis berekenen. 

Indien er verder nog vragen zijn hoor ik deze graag van jou.

Met vriendelijke groet,

Leon
Jaap op 06 juni 2023 om 12:32
Dag Leon,
Dank voor de verduidelijking.
Is het volgende correct op het niveau van een vwo-examen natuurkunde?

a. Geabsorbeerde dosis D
Zowel bij levende cellen als dode materie kan ik een geabsorbeerde dosis berekenen met D=Estr/m.
Estr is de energie van geabsorbeerde deeltjes of fotonen voor zover zij atomen of moleculen kunnen ioniseren (wel alfa, bèta, protonen, röntgen en gamma, maar niet zichtbaar licht en infrarood).
En m is de massa van de stof waarin daadwerkelijk absorptie plaatsvindt.
Bij bestraling van een hand met intacte huid door een uitwendige bron met alfa's van 5 MeV kun je wel bepalen welke D wordt ontvangen door de laag van dode huidcellen. Maar voor de hand als geheel is D onbepaald (?) omdat het deel van de hand binnen de laag van dode huidcellen geen straling absorbeert.

b. Equivalente dosis HT, synoniem dosisequivalent
Bij de bepaling van de equivalente dosis HT=wR·D telt alleen de geabsorbeerde dosis D mee voor zover die wordt geabsorbeerd door levende cellen.

c. Effectieve dosis
De 'effectieve totale lichaamsdosis in relatie tot stralingsbeschermingsnormen' is een 'vakbegrip' in de leerstof voor het centraal examen natuurkunde vwo en kan aan de orde komen in kwalitatieve vragen. Berekeningen (met de weegfactoren voor huid, hart enzovoort) worden in de examendocumenten echter alleen genoemd met betrekking tot de geabsorbeerde dosis D en de equivalente dosis en niet de effectieve dosis.

d. Terug naar Meike's vraag: 'Stel dat je hand even lang getroffen zou worden door alfastraling met hetzelfde vermogen als röntgenstraling, geef redenen waarom de opgelopen equivalente dosis dan hoger zou zijn'.
Op 31 mei 2023 om 23.55 uur schreef ik dat de opgelopen equivalente dosis door alfastraling groter is dan door röntgenstraling, met een toelichting.
Beperken we ons tot alfa's van 5 MeV van een uitwendige bron die intacte huid bestraalt.
Uit uw reacties maak ik op dat de vraagstelling en mijn antwoord onjuist zijn. Want de opgelopen equivalente dosis door alfa's in deze situatie is nul en die door gedeeltelijke absorptie van röntgenstraling is groter dan nul. Heb ik dat goed begrepen?

e. Oplettendheid is een schone zaak. Ook in centrale examens vwo natuurkunde hebben soms zaken over ionserende straling in de medische context gestaan die apert onjuist zijn.
Het is verleidelijk om een inleidend studieboek over stralingshygiëne te lezen, mits begrijpelijk voor een vwo-docent natuurkunde. Een suggestie voor een titel is welkom.
Groet, Jaap
Leon op 07 juni 2023 om 09:58
Beste Jaap,

"a. Bij bestraling van een hand met intacte huid door een uitwendige bron met alfa's van 5 MeV kun je wel bepalen welke D wordt ontvangen door de laag van dode huidcellen. Maar voor de hand als geheel is D onbepaald (?) omdat het deel van de hand binnen de laag van dode huidcellen geen straling absorbeert."

Voor de hand als geheel zou ik er bij het vwo-examen voor kiezen om de dosisberekening te doen met D = Estr/mhand ook al is dat feitelijk onjuist. Je zou kunnen overwegen om aansluitend op de dosisberekningsvraag aan te geven dat de maximale dracht/indringdiepte van de betreffende alfstraling ca. 40 micrometer is (of deze maximale dracht/indringdiepte uit kunnen laten rekenen met een eenvoudige vuitregel; kan ik je zo geven:)) en wat dat betekent voor de berekende geabsorbeerde dosis in de vraag ervoor.    

"b. Equivalente dosis HT, synoniem dosisequivalent
Bij de bepaling van de equivalente dosis HT=wR·D telt alleen de geabsorbeerde dosis D mee voor zover die wordt geabsorbeerd door levende cellen." -> Inderdaad.

Opmerking: het dosisequivalent H (H = Q x D) is met ICRP publicatie 60 begin jaren 90 vervangen door de equivalente dosis HT (HT = wR x D). Het Effectief Dosisequivalent HE is met ICRP publicatie 60 vervangen door de Effectieve Dosis E. 

"c. Effectieve dosis
De 'effectieve totale lichaamsdosis in relatie tot stralingsbeschermingsnormen' is een 'vakbegrip' in de leerstof voor het centraal examen natuurkunde vwo en kan aan de orde komen in kwalitatieve vragen. Berekeningen (met de weegfactoren voor huid, hart enzovoort) worden in de examendocumenten echter alleen genoemd met betrekking tot de geabsorbeerde dosis D en de equivalente dosis en niet de effectieve dosis."

De zogenaamde weefselweegfactoren wT heb je alleen nodig als je de effectieve dosis wilt bepalen op basis van een equivalente dosis. Voor het bepalen van de equivalente dosis heb je alleen de stralingsweegfactor nodig, tenzij de effectieve dosis gegeven is en je de equivalente dosis wilt bepalen -> of bedoelde je dat ook?

De effectieve totale lichaamsdosis is dubbelop:) -> de effectieve dosis is gedefinieerd voor het totale lichaam.

"d. Terug naar Meike's vraag: 'Stel dat je hand even lang getroffen zou worden door alfastraling met hetzelfde vermogen als röntgenstraling, geef redenen waarom de opgelopen equivalente dosis dan hoger zou zijn'.
Op 31 mei 2023 om 23.55 uur schreef ik dat de opgelopen equivalente dosis door alfastraling groter is dan door röntgenstraling, met een toelichting.
Beperken we ons tot alfa's van 5 MeV van een uitwendige bron die intacte huid bestraalt.
Uit uw reacties maak ik op dat de vraagstelling en mijn antwoord onjuist zijn. Want de opgelopen equivalente dosis door alfa's in deze situatie is nul en die door gedeeltelijke absorptie van röntgenstraling is groter dan nul. Heb ik dat goed begrepen?" -> Helemaal juist.

Opmerking: de equivalente huiddosis (door stralingsdeskundigen ook wel oppervlaktedosis genoemd) is een speciale; deze is namelijk gedefinieerd op een diepte van 0.07 mm in de huid (dit is de gemiddelde diepte waarop de stralingsgevoelige cellen van de huid zich bevinden). Dit betekent dat niet alleen voor alfastraling geldt dat de equivalente huiddosis 0 is, maar dat er ook zwakke (lage bèta-energie) bètastralers zijn waarvoor geldt dat de equivalente huiddosis 0 is (tritium is daar o.a. een voorbeeld van).

"e. Oplettendheid is een schone zaak. Ook in centrale examens vwo natuurkunde hebben soms zaken over ionserende straling in de medische context gestaan die apert onjuist zijn.
Het is verleidelijk om een inleidend studieboek over stralingshygiëne te lezen, mits begrijpelijk voor een vwo-docent natuurkunde. Een suggestie voor een titel is welkom."

Er zijn een tweetal inleidende studieboekjes over stralingshygiëne die ik aan kan raden. Dit zijn boekjes die gebruikt worden in stralingsbeschermingscursussen op, zoals dat voorheen heette, deskundigheidsniveau 5 (tegenwoordig TMS-cursus waarin TMS staat voor Toezichthoudend Medewerker Stralingsbescherming).
1. Praktische Stralingshygiëne (J. van den Eijnde, K. Huitema en L. Roobol, 9e druk 2022)
2. Stralingsdeskundigheid in de praktijk (R. Croezen, S. Laarakkers en L. Murrer, 1e druk 2023)

Indien er verder nog vragen zijn hoor ik deze graag van jou.

Met vriendelijke groet,

Leon



Jaap op 07 juni 2023 om 13:45
Dag Leon,
Ook uw reactie van 07 juni 2023 om 09.58 uur is voor mij zeer leerzaam: dank! Leerlingen hoeven dit niet allemaal tot in detail te weten, maar achtergrondinformatie is voor mij welkom. Het eerstgenoemde boek is besteld.
U schrijft: 'Voor het bepalen van de equivalente dosis heb je alleen de stralingsweegfactor nodig, tenzij de effectieve dosis gegeven is en je de equivalente dosis wilt bepalen -> of bedoelde je dat ook?' Ja, dat bedoelde ik.
Groet, Jaap

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Roos heeft veertien appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Roos nu over?

Antwoord: (vul een getal in)