Ioniserende straling

Ioniserende straling wordt gecategoriseerd naar de aard van de deeltjes of elektromagnetische golven die het ioniserende effect teweegbrengen. Deze hebben verschillende ionisatiemechanismen, en kunnen worden gegroepeerd als direct of indirect ioniserend.

Direct ioniserendEdit

Elk geladen deeltje met massa kan atomen direct ioniseren door fundamentele interactie via de Coulomb-kracht als het voldoende kinetische energie met zich meedraagt. Dit omvat atoomkernen, elektronen, muonen, geladen pionen, protonen, en energetisch geladen kernen ontdaan van hun elektronen. Bij beweging met relativistische snelheden hebben deze deeltjes voldoende kinetische energie om ioniserend te zijn, maar relativistische snelheden zijn niet vereist. Een typisch alfadeeltje is bijvoorbeeld ioniserend, maar beweegt met ongeveer 5% c, en een elektron met 33 eV (genoeg om te ioniseren) beweegt met ongeveer 1% c.

De eerste twee ioniserende bronnen die werden herkend, kregen speciale namen die vandaag de dag worden gebruikt: Heliumkernen die uit atoomkernen worden uitgeworpen, worden alfadeeltjes genoemd, en elektronen die gewoonlijk (maar niet altijd) met relativistische snelheden worden uitgeworpen, worden bètadeeltjes genoemd.

Natuurlijke kosmische stralen bestaan hoofdzakelijk uit relativistische protonen, maar omvatten ook zwaardere atoomkernen zoals heliumionen en HZE-ionen. In de atmosfeer worden dergelijke deeltjes vaak tegengehouden door luchtmoleculen, en dit levert kortlevende geladen pionen op, die spoedig vervallen tot muonen, een primair type kosmische straling dat de grond bereikt (en er ook tot op zekere hoogte in doordringt). Pionen kunnen ook in grote hoeveelheden worden geproduceerd in deeltjesversnellers.

AlfadeeltjesEdit

Alfadeeltjes bestaan uit twee protonen en twee neutronen die aan elkaar gebonden zijn tot een deeltje dat identiek is aan een heliumkern. Alfadeeltjes worden over het algemeen geproduceerd in het proces van alfaverval, maar kunnen ook op andere manieren worden geproduceerd. Alfadeeltjes zijn genoemd naar de eerste letter in het Griekse alfabet, α. Het symbool voor het alfadeeltje is α of α2+. Omdat ze identiek zijn aan heliumkernen, worden ze soms ook geschreven als He2+
of 4
2He2+
, waarmee een heliumion met een +2 lading (dat zijn twee elektronen mist) wordt aangeduid. Als het ion elektronen uit zijn omgeving krijgt, kan het alfadeeltje worden geschreven als een normaal (elektrisch neutraal) heliumatoom 4
2He.

Alfadeeltjes zijn een sterk ioniserende vorm van deeltjesstraling. Wanneer zij het gevolg zijn van radioactief alfaverval hebben zij een geringe doordringdiepte. In dat geval kunnen ze worden geabsorbeerd door enkele centimeters lucht, of door de huid. Krachtigere alfadeeltjes met een groter bereik, afkomstig van ternaire splijting, zijn drie keer zo energetisch en dringen evenredig verder door in de lucht. De heliumkernen die 10-12% van de kosmische stralen vormen, hebben gewoonlijk ook een veel hogere energie dan die welke door nucleaire vervalprocessen worden geproduceerd, en wanneer zij in de ruimte worden aangetroffen, zijn zij dus in staat het menselijk lichaam en dichte afscherming te doorkruisen. Dit type straling wordt echter aanzienlijk gedempt door de atmosfeer van de aarde, die een stralingsschild vormt dat gelijkwaardig is aan ongeveer 10 meter water.

Bèta-deeltjesEdit

Bètadeeltjes zijn hoogenergetische, supersnelle elektronen of positronen die worden uitgezonden door bepaalde soorten radioactieve kernen, zoals kalium-40. De productie van betadeeltjes wordt betaverval genoemd. Er zijn twee vormen van bètaverval, β- en β+, waaruit respectievelijk het elektron en het positron ontstaan.

Wanneer van iets wordt gezegd dat het radioactief besmet is, betekent dit vaak dat er bètadeeltjes van het oppervlak worden uitgezonden, detecteerbaar met een geigerteller of een andere stralingsdetector. Wanneer de detector in de nabijheid van de bètastraler wordt gebracht, zal hij een dramatische toename van de radioactiviteit aangeven. Wanneer de sonde van de detector wordt afgedekt met een schild om de bètastraling tegen te houden, wordt de aanwijzing drastisch verminderd.

Hoge-energetische bètadeeltjes kunnen röntgenstralen produceren die bekend staan als bremsstrahlung (“remstraling”) of secundaire elektronen (deltastraling) wanneer zij door materie gaan. Beide kunnen een indirect ionisatie-effect veroorzaken.

Bremsstrahlung is van belang bij de afscherming van bètastralers, omdat de interactie van bètadeeltjes met het afschermingsmateriaal bremsstrahlung veroorzaakt. Dit effect is groter bij materiaal met hoge atoomnummers, dus wordt materiaal met lage atoomnummers gebruikt voor afscherming van bètastralers.

Positronen en andere soorten antimaterieEdit

Het positron of antielectron is het antideeltje of de antimaterie-tegenhanger van het elektron. Wanneer een positron met lage energie tegen een elektron met lage energie botst, vindt er annihilatie plaats, waardoor ze worden omgezet in de energie van twee of meer gammastraalfotonen (zie annihilatie elektron-positron).

Positronen kunnen worden gegenereerd door positronemissie-kernverval (door zwakke wisselwerkingen), of door paarproductie uit een voldoende energetisch foton. Positronen zijn veel voorkomende kunstmatige bronnen van ioniserende straling die worden gebruikt bij medische positronemissietomografie (PET)-scans.

Aangezien positronen positief geladen deeltjes zijn, kunnen zij ook rechtstreeks een atoom ioniseren door coulombinteracties.

Geladen kernenEdit

Geladen kernen zijn kenmerkend voor galactische kosmische straling en zonnedeeltjes en hebben met uitzondering van alfadeeltjes (geladen heliumkernen) geen natuurlijke bronnen op aarde. In de ruimte echter kunnen zeer hoogenergetische protonen, heliumkernen en HZE-ionen in eerste instantie worden tegengehouden door betrekkelijk dunne lagen afscherming, kleding of huid. De resulterende interactie zal echter secundaire straling genereren en cascade biologische effecten veroorzaken. Als bijvoorbeeld slechts één atoom in het weefsel wordt verplaatst door een energetisch proton, zal de botsing verdere interacties in het lichaam veroorzaken. Dit wordt “lineaire energieoverdracht” (LET) genoemd, waarbij gebruik wordt gemaakt van elastische verstrooiing.

LET kan worden gevisualiseerd als een biljartbal die een andere bal raakt op de wijze van behoud van momentum, waarbij beiden worden weggestuurd met de energie van de eerste bal ongelijk verdeeld over de twee. Wanneer een geladen kern een relatief langzaam bewegende kern van een object in de ruimte raakt, treedt LET op en komen bij de botsingen neutronen, alfadeeltjes, laag-energetische protonen en andere kernen vrij, die bijdragen tot de totale geabsorbeerde dosis in het weefsel.

Indirect ioniserende straling

Indirect ioniserende straling is elektrisch neutraal en heeft daarom geen sterke wisselwerking met materie. Het grootste deel van de ionisatie-effecten is het gevolg van secundaire ionisaties.

Een voorbeeld van indirect ioniserende straling is neutronenstraling.

FotonenstralingEdit

Ondanks dat fotonen elektrisch neutraal zijn, kunnen zij atomen rechtstreeks ioniseren door het foto-elektrisch effect en het Compton-effect. Bij een van beide interacties wordt een elektron met relativistische snelheid uit een atoom geslingerd, waardoor dat elektron verandert in een bètadeeltje (secundair bètadeeltje) dat vele andere atomen zal ioniseren. Aangezien de meeste getroffen atomen direct door de secundaire betadeeltjes worden geïoniseerd, worden fotonen indirect ioniserende straling genoemd.

Fotonenstraling wordt gammastraling genoemd als zij wordt geproduceerd door een kernreactie, verval van subatomaire deeltjes, of radioactief verval binnen de kern. Anders wordt het röntgenstraling genoemd indien geproduceerd buiten de kern. De algemene term foton wordt daarom gebruikt om beide te beschrijven.

Röntgenstralen hebben normaliter een lagere energie dan gammastralen, en een oudere afspraak was om de grens te definiëren als een golflengte van 10-11 m of een fotonenergie van 100 keV. Die drempel werd ingegeven door de beperkingen van oudere röntgenbuizen en de geringe kennis van isomere overgangen. Moderne technologieën en ontdekkingen hebben geleid tot een overlapping tussen röntgen- en gamma-energieën. Op vele gebieden zijn zij functioneel identiek en verschillen zij voor aardse studies alleen in de oorsprong van de straling. In de astronomie echter, waar de oorsprong van de straling vaak niet betrouwbaar kan worden bepaald, is de oude energie-indeling gehandhaafd, waarbij röntgenstralen worden gedefinieerd als stralen tussen ongeveer 120 eV en 120 keV, en gammastralen als stralen met een energie van meer dan 100 tot 120 keV, ongeacht de bron. Van de meeste astronomische “gammastralen” is bekend dat zij niet afkomstig zijn van nucleaire radioactieve processen, maar veeleer het resultaat zijn van processen zoals die welke astronomische röntgenstralen produceren, alleen aangedreven door veel energiekere elektronen.

Photo-elektrische absorptie is het dominante mechanisme in organische materialen voor fotonenergieën beneden 100 keV, typisch voor röntgenstralen die afkomstig zijn van klassieke röntgenbuizen. Bij energieën boven 100 keV ioniseren fotonen materie in toenemende mate door het Compton effect, en dan indirect door paarproductie bij energieën boven 5 MeV. Het bijgevoegde interactiediagram toont twee Compton-verstrooiingen die achtereenvolgens plaatsvinden. Bij elke verstrooiing draagt de gammastraal energie over aan een elektron, en het vervolgt zijn weg in een andere richting en met verminderde energie.

Definitiegrens voor fotonen met lagere energie

De laagste ionisatie-energie van een element is 3,89 eV, voor cesium. In het materiaal van de US Federal Communications Commission wordt ioniserende straling echter gedefinieerd als straling met een fotonenergie van meer dan 10 eV (overeenkomend met een verre ultraviolette golflengte van 124 nanometer). Dit komt ruwweg overeen met zowel de eerste ionisatie-energie van zuurstof als de ionisatie-energie van waterstof, beide ongeveer 14 eV. In sommige referenties van het Environmental Protection Agency wordt de ionisatie van een typische watermolecule bij een energie van 33 eV genoemd als de geschikte biologische drempel voor ioniserende straling: deze waarde vertegenwoordigt de zogenaamde W-waarde, de informele naam voor de gemiddelde energie die de ICRU in een gas uitgeeft per gevormd ionenpaar, waarin de ionisatie-energie wordt gecombineerd met de energie die verloren gaat aan andere processen zoals excitatie. Bij een golflengte van 38 nanometer voor elektromagnetische straling ligt 33 eV dicht bij de energie bij de conventionele 10 nm golflengteovergang tussen extreem ultraviolet en röntgenstraling, die optreedt bij ongeveer 125 eV. Röntgenstraling is dus altijd ioniserend, maar alleen extreem-ultraviolette straling kan volgens alle definities als ioniserend worden beschouwd.

Het biologische effect van ioniserende straling op cellen lijkt enigszins op dat van een breder spectrum van moleculair schadelijke straling, dat ioniserende straling overlapt en zich verder uitstrekt, tot iets lagere energieën in alle regionen van UV en soms zichtbaar licht in sommige systemen (zoals fotosynthetische systemen in bladeren). Hoewel DNA altijd gevoelig is voor beschadiging door ioniserende straling, kan het DNA-molecuul ook worden beschadigd door straling met voldoende energie om bepaalde moleculaire bindingen te exciteren en pyrimidine-dimeren te vormen. Deze energie kan minder zijn dan ioniserende, maar er wel dicht bij in de buurt komen. Een goed voorbeeld is de energie van het ultraviolette spectrum die begint bij ongeveer 3,1 eV (400 nm) en dicht in de buurt komt van hetzelfde energieniveau dat zonnebrand kan veroorzaken op onbeschermde huid, als gevolg van fotoreacties in collageen en (in het UV-B-bereik) ook schade in het DNA (bijvoorbeeld pyrimidine dimeren). Het midden en lage ultraviolette elektromagnetische spectrum is dus schadelijk voor biologische weefsels als gevolg van elektronische excitatie in moleculen, die niet zozeer ionisatie als wel soortgelijke niet-thermische effecten teweegbrengt. Tot op zekere hoogte is bewezen dat zichtbaar licht en ook ultraviolet A (UVA), dat het dichtst bij de zichtbare energieën ligt, leiden tot de vorming van reactieve zuurstofspecies in de huid, die indirecte schade veroorzaken aangezien dit elektronisch geëxciteerde moleculen zijn die reactieve schade kunnen toebrengen, hoewel zij geen zonnebrand (erytheem) veroorzaken. Evenals ionisatieschade gaan al deze effecten in de huid verder dan die welke door eenvoudige thermische effecten worden veroorzaakt.

NutronenEdit

Neutronen hebben een neutrale elektrische lading die vaak verkeerd wordt begrepen als nul elektrische lading en veroorzaken dus vaak niet direct ionisatie in een enkele stap of interactie met materie. Snelle neutronen zullen echter via LET een wisselwerking aangaan met de protonen in waterstof, en dit mechanisme verstrooit de kernen van de materialen in het doelgebied, waardoor directe ionisatie van de waterstofatomen optreedt. Wanneer neutronen de waterstofkernen treffen, ontstaat protonenstraling (snelle protonen). Deze protonen zijn zelf ioniserend omdat zij een hoge energie hebben, geladen zijn, en een wisselwerking aangaan met de elektronen in de materie.

Neutronen die andere kernen dan waterstof treffen, zullen minder energie aan het andere deeltje overdragen als er een LET optreedt. Maar bij veel kernen die door neutronen worden getroffen, treedt inelastische verstrooiing op. Of elastische of inelastische verstrooiing optreedt, hangt af van de snelheid van het neutron, snel of thermisch of ergens daartussenin. Het hangt ook af van de kern die wordt geraakt en de neutronendoorsnede.

Bij inelastische verstrooiing worden neutronen gemakkelijk geabsorbeerd in een soort kernreactie die neutronenvangst wordt genoemd en wordt toegeschreven aan de neutronenactivering van de kern. Neutroneninteracties met de meeste soorten materie op deze wijze produceren gewoonlijk radioactieve kernen. De overvloedige zuurstof-16-kern bijvoorbeeld ondergaat neutronenactivering en vervalt snel door een protonemissie waarbij stikstof-16 wordt gevormd, dat weer vervalt tot zuurstof-16. Het kortlevende verval van stikstof-16 zendt een krachtige bètastraal uit. Dit proces kan worden geschreven als:

16O (n,p) 16N (snelle neutronenvangst mogelijk met >11 MeV neutron)

16N → 16O + β- (verval t1/2 = 7.13 s)

Deze hoogenergetische β- reageert verder snel met andere kernen, waarbij hoogenergetische γ via Bremsstrahlung wordt uitgezonden

Hoewel het geen gunstige reactie is, is de 16O (n,p) 16N-reactie een belangrijke bron van röntgenstraling die uit het koelwater van een drukwaterreactor wordt uitgezonden en draagt deze enorm bij tot de straling die door een watergekoelde kernreactor wordt opgewekt terwijl hij in bedrijf is.

Voor de beste afscherming van neutronen worden koolwaterstoffen gebruikt die een overvloed aan waterstof bevatten.

In splijtbare materialen kunnen secundaire neutronen nucleaire kettingreacties veroorzaken, die een grotere hoeveelheid ionisatie van de dochterprodukten van splijting veroorzaken.

Buiten de kern zijn vrije neutronen onstabiel en hebben zij een gemiddelde levensduur van 14 minuten en 42 seconden. Vrije neutronen vervallen door de emissie van een elektron en een elektron-antineutrino tot een proton, een proces dat bekend staat als bèta-verval:

In het diagram hiernaast botst een neutron op een proton van het doelmateriaal, en wordt dan een snel terugspringend proton dat op zijn beurt ioniseert. Aan het eind van zijn weg wordt het neutron gevangen door een kern in een (n,γ)-reactie die leidt tot de emissie van een neutronenvangstfoton. Dergelijke fotonen hebben altijd voldoende energie om als ioniserende straling te worden aangemerkt.