Straling

Les 1: Elektromagnetische straling

De lesstof:

Elektromagnetische golven uitzenden met je mobiele telefoon

Je kunt je telefoon alleen gebruiken als er een zendmast in de buurt is. Die zendmast zorgt ervoor dat je telefoon kan praten met andere telefoons en het internet. De antenne in je telefoon stuurt en ontvangt signalen van en naar de antenne op de zendmast.

Als je telefoon een bericht of een oproep verstuurt, gaat er elektriciteit door de antenne van je telefoon. Dit zorgt ervoor dat de elektronen (kleine deeltjes in de antenne) snel heen en weer bewegen. Hierdoor ontstaan elektromagnetische golven, een soort onzichtbare golven die met een enorme snelheid weggaan van de antenne.

Eigenschappen van elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven zijn anders dan watergolven. Hier zijn een paar belangrijke verschillen:

Richtingen: Elektromagnetische golven bewegen in alle richtingen, niet alleen in één vlak zoals watergolven.

Medium: Elektromagnetische golven hebben geen stof zoals water of lucht nodig om zich voort te planten. Ze kunnen ook door een vacuüm, wat een lege ruimte zonder lucht betekent.

Snelheid: In een vacuüm reizen elektromagnetische golven altijd met dezelfde snelheid: ongeveer 300 miljoen meter per seconde (m/s). Dit noemen we de lichtsnelheid, en we gebruiken de letter "c" als symbool voor deze snelheid.

Als je weet hoe lang licht onderweg is, kun je uitrekenen hoe ver het gereisd heeft met deze formule:

s = c : t

Hierbij is:

• s de afstand in meters (m)

• c de lichtsnelheid in meters per seconde (m/s)

• t de tijd in seconden (s)

Elektromagnetische golven ontvangen

Als die elektromagnetische golven de zendmast bereiken, gaan de elektronen in de antenne van de zendmast ook bewegen. Ze bewegen op dezelfde manier als de elektronen in de antenne van je telefoon. Dit zorgt ervoor dat de zendmast weet wat je telefoon stuurt en kan dit signaal doorgeven.

Elektromagnetische golven

Elektromagnetische golven zijn een beetje zoals golven in het water, maar ze bewegen in alle richtingen. Ze kunnen zelfs door een leegte (vacuüm) reizen, terwijl watergolven altijd water nodig hebben. Elektromagnetische golven reizen heel snel, namelijk met een snelheid van ongeveer 300 miljoen meter per seconde. Deze snelheid wordt ook wel de lichtsnelheid genoemd.

Frequentie en golflengte

Hoe vaak de golven op en neer gaan in een seconde, noemen we de frequentie. De afstand tussen twee toppen van de golf heet de golflengte. Een telefoon gebruikt golven met een frequentie tussen 800 en 1800 miljoen keer per seconde (MHz), wat neerkomt op golflengtes van 16 tot 38 centimeter.

• Frequentie: Dit is het aantal golftoppen dat in één seconde voorbij komt. We noemen dit de frequentie en geven het aan met de letter f.

• Golflengte: Dit is de afstand tussen twee golftoppen (of golfdalen). We noemen dit de golflengte en gebruiken de Griekse letter λ (lambda) als symbool.

Het elektromagnetisch spectrum

Elektromagnetische golven kunnen verschillende soorten straling zijn, zoals radiogolven, licht, infraroodstraling (ir-straling), ultraviolette straling (uv-straling), röntgenstraling en gammastraling. Deze vormen van straling verschillen in golflengte. Het licht dat wij kunnen zien is slechts een klein deel van dit spectrum, van rood (met de grootste golflengte) tot violet (met de kleinste golflengte).

Effecten van straling

Straling kan energie overbrengen. Als je in de zon zit met een zwart T-shirt, wordt je snel warm omdat het T-shirt veel zonlicht en infraroodstraling opneemt. Sommige soorten straling, zoals uv-straling, kunnen ook schade veroorzaken. Bijvoorbeeld, als je een gekleurd papiertje in de zon laat liggen, verbleekt het door de uv-straling die de kleurstoffen afbreekt.

Ioniserende straling

Straling die moleculen kan beschadigen, noemen we ioniserende straling. Radiogolven, infraroodstraling en licht zijn niet ioniserend en dus veilig. Uv-straling is een beetje ioniserend, en röntgenstraling en gammastraling zijn sterk ioniserend. Omdat deze straling schadelijk kan zijn, moeten we er heel voorzichtig mee omgaan.

Les 2: Licht en lenzen

De lesstof:

Lichtbreking bij een positieve lens

Licht beweegt meestal in rechte lijnen. Maar als licht onder een hoek op een stuk glas of een andere doorzichtige stof valt, verandert het van richting. Dit heet lichtbreking. Dit principe wordt gebruikt in een brandglas, een lens waarmee je zonlicht kunt concentreren op één punt.

In de afbeelding hiernaast zie je hoe een brandglas licht breekt. De lens die hier gebruikt wordt, is in het midden dikker dan aan de rand. Zo'n lens heet een bolle of positieve lens. De lichtstralen van de zon vallen evenwijdig aan de hoofdas (de lijn die recht door het midden van de lens loopt). Na de lens bewegen de lichtstralen naar elkaar toe en komen samen in één punt: het brandpunt.

Lichtbreking bij een negatieve lens

Lenzen die in het midden dunner zijn dan aan de rand, zoals de lenzen van een bril, noem je holle of negatieve lenzen. Als evenwijdige lichtstralen op zo’n negatieve lens vallen, bewegen de lichtstralen na de lens van elkaar af. Het lijkt dan alsof de lichtstralen allemaal uit één punt komen.

Het brandpunt

In tekeningen wordt het brandpunt aangegeven met de letter F (van focus = brandpunt). De afstand tussen het midden van de lens en het brandpunt F wordt de brandpuntsafstand f genoemd. Deze afstand is een belangrijke eigenschap van een lens. Hoe kleiner de brandpuntsafstand, hoe sterker de lens het licht breekt.

Beelden maken met een lens

Met een positieve lens kun je een voorwerp afbeelden op een scherm, zoals bij het maken van een foto. De lens in de camera maakt een klein beeld van de wereld op een lichtgevoelige beeldchip. Een kleine computer in de camera slaat het beeld op, zodat je het later kunt bekijken of afdrukken.

Als je een foto maakt, valt licht van het voorwerp op de lens. Dit is meestal gereflecteerd licht, maar soms ook licht dat door het voorwerp zelf wordt uitgezonden, zoals bij een lamp. De lens zorgt ervoor dat licht uit één punt van het voorwerp ook weer in één punt bij elkaar komt. Dit punt noem je het beeldpunt B van het voorwerpspunt V. Een foto bestaat uit miljoenen van zulke beeldpunten.

Als de beeldchip op de juiste afstand van de lens staat, krijg je een scherpe foto. Als de chip niet op de juiste afstand staat, krijg je een onscherpe foto. Dan overlappen de beeldpunten elkaar een beetje, zodat de foto wazig wordt. Als je scherpstelt op een voorwerp dichtbij, wordt de achtergrond onscherp.

Voorwerpsafstand en beeldafstand

Bij het scherpstellen van een camera moet je twee afstanden goed afstemmen:

1. De afstand tussen de lens en het voorwerp, de voorwerpsafstand v.

2. De afstand tussen de lens en het beeld, de beeldafstand b.

Met de opstelling hiernaast kun je onderzoeken hoe je scherp moet stellen. Je schuift het scherm langzaam weg van de lens, totdat er een scherp beeld op het scherm verschijnt. Voor elke voorwerpsafstand hoort één beeldafstand waarbij het beeld scherp is.

Het beeld construeren

Je kunt de beeldafstand ook bepalen door een tekening op schaal te maken, dit heet het beeld construeren. Hiervoor gebruik je twee speciale lichtstralen, de constructiestralen. Van deze stralen weet je precies hoe ze door de lens bewegen:

- Constructiestraal 1 gaat vanaf het voorwerp door het midden van de lens en verandert niet van richting.

- Constructiestraal 2 gaat vanaf het voorwerp evenwijdig aan de hoofdas naar de lens, en buigt daarna door het brandpunt F van de lens.

In figuur hiernaast is getekend hoe je het beeld van een voorwerp construeert:

1. Teken de lens en de hoofdas. Teken het brandpunt op de juiste afstand van de lens en zet er de letter F bij.

2. Teken het voorwerp als een pijl V1V2 op de juiste afstand voor de lens. V2 ligt op de hoofdas, V1 daarboven.

3. Teken de twee constructiestralen vanuit V1. Teken het beeldpunt B1 waar de constructiestralen samenkomen.

4. Teken het beeld als een pijl B1B2. B2 ligt op de hoofdas, B1 daaronder. Het beeld staat dus ondersteboven vergeleken met het voorwerp.

Een voorwerp dat groter is dan de lens

Soms is het voorwerp groter dan de lens. In dat geval kun je de lens in de tekening verlengen naar boven en onder, zodat hij groter is dan het voorwerp. Daarna kun je de constructiestralen gebruiken om de plaats van het beeld te vinden.

Alle lichtstralen

Meestal teken je alleen de twee constructiestralen. Maar als je eenmaal het beeldpunt hebt gevonden, kun je ook tekenen hoe de andere lichtstralen lopen. Alle lichtstralen die vanuit V1 op de lens vallen, worden gebroken naar B1. Daardoor zie je een scherp beeldpunt van V1 en geen lichtcirkeltje, als je het scherm op die plaats neerzet.

Les 3: Röntgenfoto's maken

De lesstof:

Verschillende soorten licht

Verschillende soorten licht doen verschillende dingen. Bijvoorbeeld, zonlicht gaat door de lucht, maar straling zoals gamma-, röntgen- en uv-straling wordt door de lucht tegengehouden. Bij infrarood licht en radiogolven hangt het ervan af hoe lang de golven zijn of ze door de lucht kunnen gaan. De lucht kan voor sommige soorten straling doorzichtig zijn en voor andere soorten juist helemaal niet.

Transmissie, reflectie en absorptie

Als er licht op een voorwerp schijnt, kunnen er drie dingen gebeuren:

• Transmissie: Het licht gaat door het voorwerp heen, zoals zonlicht door een raam.

• Reflectie: Het licht wordt teruggekaatst, zoals bij een spiegel of een witte muur.

• Absorptie: Het licht wordt door het voorwerp opgenomen, zoals bij een zwart gordijn dat het licht 'opslorpt' en in warmte verandert.

Meestal gebeuren deze drie dingen tegelijk. Bijvoorbeeld, een raam laat niet al het licht door. Een deel wordt weerkaatst en een ander deel wordt door het glas opgenomen.

Foto's maken met röntgenstraling

Gewone foto's maak je met een lens, maar bij röntgenfoto's werkt dat anders. Röntgenstraling gaat namelijk dwars door voorwerpen heen in plaats van dat het wordt weerkaatst zoals normaal licht. Ook kun je röntgenstraling niet met een lens bundelen.

Om een röntgenfoto te maken, zet je aan de ene kant van het lichaam een röntgenbron en aan de andere kant een scherm. De röntgenbron geeft een korte flits straling. Zachte delen van je lichaam laten de straling door, maar botten houden de straling tegen. Zo ontstaat er een schaduwbeeld van je botten op het scherm, en dat beeld wordt vastgelegd.

Een negatief beeld

Bij röntgenfoto's zie je meestal een negatief beeld. Dit betekent dat de schaduwen van je botten (die de straling tegenhouden) wit lijken tegen de donkere omliggende weefsels (die de straling doorlaten). Vroeger kwam dit doordat de foto's op film werden gemaakt, die vanzelf een negatief beeld gaf. Tegenwoordig worden röntgenfoto's digitaal gemaakt, en kunnen ze ook als positief beeld worden weergegeven. Maar artsen kiezen vaak voor negatieven omdat ze daarop de details beter kunnen zien.

De ontdekking van röntgenstraling

In 1895 ontdekte de Duitse wetenschapper Wilhelm Röntgen röntgenstraling. Al snel gebruikten dokters deze straling om naar botbreuken te kijken. Vroeger hielden dokters de gebroken botten van patiënten vast tijdens het maken van de foto's en werden daardoor zelf bestraald.

Gevaren van röntgenstraling

Al snel ontdekte men dat herhaaldelijke blootstelling aan röntgenstraling schadelijk kon zijn. Een eerste teken hiervan was een aanhoudende rode uitslag op de huid. Later kregen veel artsen kanker op de plekken die vaak aan de straling waren blootgesteld, zoals hun handen. Dit kwam doordat de apparatuur van vroeger veel straling nodig had om een foto te maken. Tegenwoordig zijn de technieken verbeterd en is er minder straling nodig, maar zelfs kleine hoeveelheden röntgenstraling kunnen nog steeds schadelijk zijn voor het lichaam.

Schade door straling

Wanneer je een röntgenfoto maakt, gaat een deel van de straling door je lichaam zonder schade aan te richten. Dit komt omdat die straling geen energie aan je lichaam afgeeft. Maar de straling die wordt geabsorbeerd, kan wel schade veroorzaken. Die energie kan belangrijke delen van je cellen zoals DNA kapot maken, wat de kans op kanker kan vergroten.

Om te weten hoeveel schade straling kan veroorzaken, kijk je naar hoeveel stralingsenergie het lichaam opneemt. Bij een röntgenfoto van je borstkas absorbeert je lichaam bijvoorbeeld net zoveel stralingsenergie als bij een vliegreis van Nederland naar New York en terug. Beide geven een klein risico voor je gezondheid.

Bescherming tegen straling

Iedere keer dat iemand röntgenstraling krijgt, kan dat schade veroorzaken. Vooral mensen die vaak met röntgenstraling werken, moeten goed beschermd worden. Ze moeten ervoor zorgen dat ze zo min mogelijk straling krijgen, omdat het risico anders te groot wordt.

Daarom zijn er strenge regels voor mensen die met röntgenstraling werken. Ze moeten altijd proberen om zelf geen straling te krijgen. Bijvoorbeeld, bij het maken van een röntgenfoto moeten ze op afstand blijven omdat straling zwakker wordt naarmate de afstand groter is. Daarom worden röntgenapparaten vaak op afstand bediend.

Les 4: Werken met gammastraling

De lesstof:

Radioactiviteit

In 1896 ontdekte de Franse natuurkundige Henri Becquerel dat sommige stoffen vanzelf straling uitzenden. Deze stoffen noemen we radioactief. 'Radioactief' betekent dus dat de stof straling uitzendt.

Radioactieve stoffen zijn overal in kleine hoeveelheden te vinden: in de bodem, het water, de lucht, gebouwen en zelfs in je eigen lichaam. Deze stoffen zijn natuurlijk radioactief. Wetenschappers hebben ook geleerd om nieuwe, kunstmatige radioactieve stoffen te maken.

De halveringstijd

Radioactieve stoffen veranderen langzaam in andere stoffen. De tijd die het kost voordat de helft van de radioactieve stof is omgezet, heet de halveringstijd. In die tijd is de hoeveelheid straling ook met de helft afgenomen.

Deeltjes en golven

Radioactieve stoffen zenden zowel deeltjes als elektromagnetische golven uit. De deeltjes en golven bewegen in alle richtingen weg van de radioactieve stof en worden allebei straling genoemd, hoewel ze verschillend zijn. Beide kunnen de moleculen in je lichaam beschadigen en zijn daarom gevaarlijk.

Drie soorten straling

Deeltjesstraling bestaat uit snelle deeltjes die zich als kogels uit een geweer bewegen. Ze kunnen moleculen gemakkelijk beschadigen. Er zijn twee soorten deeltjesstraling: alfastraling en bètastraling. Alfadeeltjes zijn groter en zwaarder dan bètadeeltjes.

Sommige radioactieve stoffen zenden alfastraling uit, andere bètastraling. Vaak zenden ze ook elektromagnetische straling uit met een heel korte golflengte, die we gammastraling noemen. Gammastraling lijkt op röntgenstraling, maar is sterker en gevaarlijker.

Doordringend vermogen

Alfa- en bètadeeltjes kunnen maar een beperkte afstand in een stof doordringen. Deze afstand heet de dracht. Alfastraling heeft een kleine dracht en kan al worden tegengehouden door een vel papier of een paar centimeter lucht. Bètastraling komt verder, maar kan worden gestopt door een dun plaatje aluminium of een dik boek.

Gammastraling heeft een veel groter doordringend vermogen en gaat door veel stoffen heen. Om gammastraling af te zwakken, zijn dikke lagen lood of beton nodig.

Onderzoek met gammastraling

In ziekenhuizen wordt gammastraling gebruikt om scans van organen te maken. Dit gebeurt in de volgende stappen:

• Een tracer (radioactieve stof) wordt in een laboratorium gemaakt.

• De tracer wordt in het lichaam van de patiënt gebracht, meestal via een injectie.

• De gammastraling van de tracer wordt door een gammacamera gedetecteerd.

• Een computer maakt een beeld van het orgaan met de meetgegevens van de detectoren.

Bescherming tegen straling

Röntgenstraling wordt alleen uitgezonden als het apparaat aanstaat, maar alfa-, bèta- en gammastraling worden altijd uitgezonden. Daarom moet je oppassen voor straling als je in de buurt bent van een radioactieve bron.

Gammastraling is het gevaarlijkst vanwege het grote doordringende vermogen. Radioactieve bronnen die gammastraling uitzenden, moeten goed worden afgeschermd met bijvoorbeeld lood.

Bestraling en besmetting

Van bestraling van buitenaf word je niet radioactief, maar radioactieve stoffen kunnen in je lichaam terechtkomen via lucht, water, voedsel of op je huid. Dit heet besmetting. Besmetting kan niet alleen schade aan je lichaam veroorzaken, maar maakt je lichaam ook zelf een radioactieve bron.

Veel veiligheidsregels zijn er om besmetting te voorkomen. Bijvoorbeeld: niet eten of drinken in de buurt van radioactieve bronnen en altijd je handen wassen na het werken met radioactieve stoffen. Bij besmetting moet je je kleding uittrekken en douchen om de radioactieve stoffen weg te spoelen.