Wat zijn de toepassingen van nucleaire straling

Nucleaire straling heeft verschillende toepassingen en in dit artikel zullen we een aantal van dergelijke toepassingen van nucleaire straling bekijken. We zullen in het bijzonder kijken naar radiokoolstofdatering en het gebruik van radio-isotopen in de geneeskunde.

Radioactieve Dating

Koolstofdatering  is een methode voor het bepalen van de ouderdom van het dode organische materiaal, ontwikkeld door Willard Libby in de late jaren 1940. Hiervoor ontving hij de Nobelprijs voor de Scheikunde in 1960. De methode maakt gebruik van het verval van koolstof-14 om te bepalen wanneer het organisme waaruit het materiaal bestaat, was gestorven.

In de bovenste atmosfeer werken kosmische stralen in wisselwerking met verschillende moleculen, wat leidt tot de productie van veel neutronen. Deze neutronen reageren op hun beurt met atomen van stikstofgas en produceren de onstabiele isotoop carbon-14 bij de volgende reactie:

Carbon-14 is een onstabiele isotoop van koolstof. Het ondergaat bèta-minus-verval en produceert opnieuw stikstof-14:

Het bovenstaande proces heeft een halfwaardetijd van 5730 jaar. 

De verhouding van koolstof-14 tot cabon-12 in de atmosfeer blijft hetzelfde. De koolstof-14 in de atmosfeer komt in moleculen kooldioxide terecht. Omdat levende wezens voortdurend koolstof opnemen, wordt het aandeel koolstof-14 tot koolstof-12 in hun lichaam hetzelfde als het aandeel koolstof-14 tot koolstof-12 in de atmosfeer.

Wanneer levende wezens sterven, stoppen ze met het opnemen van koolstof. De koolstof-14 in hun lichaam blijft nu vervallen en wordt niet meer aangevuld. Dus na de dood neemt het aandeel koolstof-14 tot koolstof-12 in het lichaam van een eens levend organisme af.

Omdat we de halfwaardetijd van koolstof en de verhouding van koolstof-14 tot koolstof-12 in een levend organisme kennen, kunnen we, als we de activiteit van koolstof-14-afbraak van een lijk kunnen meten, berekenen hoe lang het organisme dood is geweest voor. De techniek kan worden toegepast om te vinden wanneer iets gemaakt van levend materiaal werd geconstrueerd, inclusief materialen zoals hout en stof.

Beroemde gevallen van radioactieve koolstofdatering zijn onder meer:Ötzi the Iceman"(De overblijfselen van een dode die 5000 jaar geleden begraven was), de"Lijkwade van TurijnEn de Dode Zeerollen.

Radiokoolstofdatering is niet perfect. De samenstelling van kooldioxide in de atmosfeer is in de loop van de jaren enigszins veranderd. Bovendien is het daten van kooldioxide mogelijk niet nauwkeurig bij pogingen om dingen te dateren die meer dan ongeveer 40.000 jaar oud zijn. Dit komt omdat het aandeel resterende koolstof-14 te laag is om een ​​nauwkeurige aflezing van de activiteit te krijgen.

Daten met kalium-40

Voor het vinden van de ouderdom van objecten die veel ouder zijn, kan het verval van kalium-40 tot argon-40 worden gebruikt. Het bèta-plusvervalproces:

heeft een halfwaardetijd van ongeveer 1,25 x 109 jaar. Daarom is dit veel geschikter dan koolstofdatering voor het bepalen van de ouderdom van veel oudere objecten (bijvoorbeeld om uit te zoeken wanneer stenen werden gevormd).

Voorbeeld

De activiteit van een monster uit Ötzi the Iceman werd gemeten als 0,13 Bq per gram. Aangezien de activiteit van levend weefsel ongeveer 0,23 Bq per gram is, kun je vinden hoe lang geleden Ötzi de Iceman nog leefde.

Eerst zullen we het verval constant vinden:.

Dan, .

Aan beide kanten nemen, hebben we,

.

Dan, .

Gebruik van nucleaire straling in de geneeskunde

Nucleaire straling wordt in de geneeskunde op veel verschillende manieren gebruikt, zowel voor diagnose als voor therapie.

Metastabiel tachnitium-99 is een isotoop van Technitium () die wordt geproduceerd tijdens de  verval van Molybdeen-99 (). De kern van  gevormd is in een opgewonden staat, en het vervalt door het uitzenden van een  straal. De  het verval van metastabiel technitium-99 heeft een halfwaardetijd van ongeveer 6 uur, wat veel langer is dan de halfwaardetijden van typische  vergaat. Dit is ideaal, omdat het enige tijd duurt voordat de lichaamscellen elk geïnjecteerd materiaal absorberen. De geïnjecteerde  wordt ingenomen door kankercellen (ze komen niet in gezonde cellen terecht), waar ze worden ondergaan verval. Met behulp van een gammacamera kon de positie van kankercellen worden gedetecteerd.

Jodium-131 is een onstabiele isotoop die wordt gebruikt om kankercellen in de schildklier te vernietigen.

Positron-elektronen-tomografie (PET) scannen maakt ook gebruik van nucleaire straling. Hier moleculen die atomen bevatten die ondergaan  verval wordt in het lichaam geïntroduceerd. De deeltjes zijn positronen () en ze vernietigen wanneer ze in contact komen met elektronen (). De annihilatie produceert een paar  fotonen, die vervolgens kunnen worden gedetecteerd.

Een van de toepassingen van nucleaire straling - een PET-scan

Referenties:
Angelo Jr., J.A. (2004). Nucleaire technologie. Westport: Greenwood Press.
Afbeelding met dank aan:
PET Scan Image oorspronkelijk door Akira Kouchiyama, [CC BY-SA 3.0]