Elektronen en elektromagnetische energie
Ron / PA2ION                                                                                                              

Samenvatting

• Doel is te komen tot een verzameling van kennisfeiten, meetgegevens en opvattingen die soms van nut en verklarend zijn bij praktische vraagstukken en bij experimenten met EM straling (bijv. door radio zendamateurs).

  1) Verzamelen van info, tekst en afbeeldingen heeft een doorlopend karakter.

  2) Opmerkingen die bijdragen aan kwaliteit/juistheid v/d inhoud zullen indien mogelijk worden verwerkt.

  3) Opzet en inhoud kunnen in de toekomst nog sterk veranderen.
  
  

  Dit document was bedoeld voor eigen gebruik door de auteur maar meekijken mag.      73 - Ron.                  Opmerkingen/Remarks ? Mail to:  Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. JavaScript dient ingeschakeld te zijn om het te bekijken.

  
  
  Inleiding
  
  De werkelijke wereld van het atoom, elektronen en het wezen van elektromagnetische straling ontrekt zich nog geheel aan de menselijke waarneming en dus moeten we het doen met theorieën die veelal gevolgtrekkingen zijn van metingen bij praktische proeven. De maatschappij was bezorgd over gezondheidseffecten van EM straling: voor niet ioniserende straling (NIS) geldt daarbij alleen een drempelwaarde bij belasting, voor ioniserende straling(IS) geldt daarnaast de cumulatieve benadering.
  Aan IS effecten is tientallen jaren gericht onderzoekswerk uitgevoerd, aan NIS is naar het gevoel van de auteur veel minder aandacht besteed. Bij IS was de relatie met kankerincidentie al snel aangetoond.
  Bij NIS zijn tot heden geen oorzakelijke aanwijzingen gevonden. Inmiddels loopt er wel onderzoek naar niveaus van de publieke onderdompeling in EM straling. Zendamateurs bespeuren al lang toename van storing op aan hun toegewezen frequentiebanden: radiofrequente signalen nemen enorm toe in aantal.
  Radiofrequenties lopen door tot 300 gigahertz (1.2meV) maar kan volgens berekeningen geen ionisaties veroorzaken (>4eV); er kan wel invloed zijn op de spin van kerndeeltjes.
  Radio kent voor wie daar oog voor heeft nog steeds zoveel geheimen. HAM radio biedt daarbij vooral  kansen om als hobbyist zelf te knutselen, te experimenteren en zo nieuwe en ook eigen ideeën op te doen.
  Maar: "Straling blijft een fenomeen".
  
  

  
  1. Productie van vrije elektronen
  
  1.1 Vorming bij radioactief verval
  

  •      Bètastraling.
    Atoomkernen met een teveel aan neutronen verminderen dit door uitzending van negatieve bètastraling (β^-) via een combinatie van een negatief elektron en een ongeladen neutrino (v) een elementair deeltje van de kern dat bijdraagt aan de energiebalans waardoor deze elektronen een continu energiespectrum vertonen bij energiemetingen. De maximaal gemeten energie is de beste indicatie voor vaststelling om welke beta emitter het gaat.
    
    Atoomkernen met tekort aan neutronen kunnen eenzelfde proces ondergaan maar zenden nu positieve bètastraling (β⁺) uit en dat zijn dan positieve elektronen ofwel positronen.
    
    
    

  Neutrino De energie v/h massadefect v/d atoomkern bij radionuclideverval wordt toegekend aan de vrijkomende elektromagnetische straling en de kinetische energie v/h neutrino. De inertie van neutrino’s, zelfs voor atoomkern materiaal, maakt het technisch uiterst moeilijk om zelfs maar een zeer kleine fractie daarvan te detecteren! Stellaire neutrino’s hebben een energie tot 1020eV (~16J) ongeveer gelijk de energie om een gewicht van 32kg met een snelheid van 1m/sec te stoppen.  Veel neutrino’s vliegen zeer waarschijnlijk dwars door de aarde heen!

  •    Electron capture of K-vangst
    Wanneer te weinig energie voor positron emissie voorhanden is kan een elektron uit de K-schil worden ingevangen onder uitzending van een karakteristieke röntgenstraal.
    
    
  •    Interne conversie van de atoomkern.
    Bij radioactief verval kunnen atomen hun overtollige energie i.p.v. gammastraling soms afgeven door toediening van kinetische energie aan een elektron dat zich dicht bij de kern bevindt (K-schil) waardoor deze het atoom verlaat (ionisatie). Bij het opvullen van de opengevallen plaats door een  elektron uit een hogere baan komt karakteristieke röntgenstraling vrij.
    
    
  •    Isomere Transitie(IT)
    Dit treedt op wanneer bij radioactief verval kernprocessen en bijhorende energie overgangen elkaar niet in grote snelheid opvolgen en dat kan soms een geruime tijd duren. IT kan dan al apart proces worden beschouwd (o.a. bij metingen).
    
    
  •    Paar-productie
    Fotonen (gamma- of  röntgenstraling) met een energie > 1.02Mev kunnen bij botsing met een atoomkern hun energie afgeven waarbij dan een elektron, een positron en een neutrino vrijkomen. De efficiëntie van paarproductie neemt sterk toe bij een fotonenergie > 5MeV.
  •    Auger elektronen
    Wanneer elektronen van een atoomkern vanuit een hogere naar een lagere baan gaan komt er karakteristieke röntgenstraling vrij. Deze straling kan zijn energie soms overdragen aan een elektron met lagere bindingsenergie dat daarna het atoom verlaat. Deze elektronen hebben een karakteristieke energie.
  •    Effecten gammastraling op gebonden elektronen
    Foto-elektrisch effect: hierbij geeft het γ-kwant zijn energie geheel over aan een elektron dat hierdoor uit de baan van het atoom schiet. Dit proces is sterk bij energie < 1 MeV en hoge Z-waarden(atoomgetal).
    Compton effect: hierbij geeft het γ-kwant zijn energie slechts gedeeltelijk aan het elektron en verkrijgt daardoor zelf een lagere energie.
    
    

   1.2 Technische productie
  

  

  •   Ionisatie door verwarming
    Bij verdergaande opwarming van stoffen vinden de volgende processen plaats:
              verwarming – verhitting – ontbinding- destructie- ionisatie – plasma vorming.
    Moleculen spitsen zich in atomen waarbij elektronenbindingen worden afgebroken (dissociatie).
    
    Bij atomen kunnen elektronen overgaan naar hogere banen (excitatie) en bij voldoende energie kunnen elektronen het atoom ook verlaten en ontstaan ionen (ionisatie). Kenmerken daarbij zijn:
    
    
  •   De energie van een uitgestoten elektronen is evenredig met de botsingsenergie verminderd met de bindingsenergie.
  •   De bindingsenergie van elektronen is karakteristiek voor het atoomnummer en de positie in dat atoom.
  •   Wanneer een ander elektron een opgevallen plaats opvult gebeurt dit onder uitzending van een foton met een energie die gelijk is aan de bindingsenergie.
    Voorbeeld: bij siervuurwerk kan men de effecten van ionisatie zien in de specifieke kleuren van toegevoegd natrium, kalium, strontium, barium etc.
    
    
    
    
  •    Radiobuis: thermisch gevormde elektronen in een elektrische veld
    - Bij verhitting van een gloeidraad in vacuüm zoals een lamp of een radiobuis komen vrij gemaakte elektronen bij afwezigheid van een elektrisch veld niet ver van hun bron omdat deze positief geladen raakt en de elektronen weer gaat aantrekken.
    - Wanneer de vrijgemaakte elektronen echter in een (sterk) elektrisch veld geplaatst worden gaan de elektronen bewegen van kathode naar anode en versnellen en bouwen daarbij energie op die evenredig is met de som van de krachten die ze ondergaan in dat elektrisch veld.
    - Wat zich bij de botsing afspeelt op de anode van de buis hangt af van diverse factoren. Hebben de elektronen voldoende energie dan wordt röntgenstraling gevormd:
    
    Stel alle energie van het elektron wordt omgezet in een foton. Dan geldt het volgende:
                                 eV = hν_max = hc/λ_min     
    Hierin is e de lading(C), V de buisspanning (volt), ν het golfgetal.
    De röntgen energie flux (Φ_r, Jm^-2) kan dan ruwweg berekend worden: (controleer):
                                Φ_r = 1.4_* Z_* V ²_*  i _* 10 ^-9 / (4πd ²)
    Hierin is Z = atoomgetal absorberende kern, i de stroomsterkte(A) , d is de afstand (m) tot het trefplaatje(anode).

  Bij hoog vermogen zendbuizen wil men röntgenvorming zoveel mogelijk vermijden. Dit kan door toepassing van lagere spanning en gebruik van beryllium dat een lage Z waarde 4 heeft. Overigens is deze stof wel zeer toxisch!

  •  Doorslag van hoogspanning in lucht
    Wanneer twee polen met groot verschil in elektrische spanning te dicht bij elkaar staan kan vonkoverslag tussen die twee plaatsvinden. Doorslagspanning wordt gedefinieerd als de spanning waarbij de isolator (hier de luchtlaag tussen de twee polen) begint te geleiden en waarna vonkoverslag kan gaan plaatsvinden.
        Vuistregel: doorslagspanning is ongeveer 3 kV/mm_lucht
    
    
  •  Betatron.
    Voor de beeldvorming kan men zich de secundaire wikkeling van een trafo voorstellen maar wordt de ruimte van het draad vervangen door een vacuüm ruimte waarin langzame elektronen worden geïnjecteerd. Door één wisselend magneetveld behouden de elektronen een radiale verdeling naar energie inhoud door de ander worden de elektronen versneld. Om de gewenste energie te verkrijgen moet een elektron soms wel 100 km afleggen. Energiebereik: 1 tot 300 MeV. Toepassingen: medisch en fysisch (radiotherapie, sterilisatie).

   

  2. Gedrag van elektronen

  2.1 Statische elektriciteit, gelijkstroom met water als medium

  •    Biologisch effect
    De eerste gedocumenteerde proef: Galvani (1791) nam waar dat opgewekte statische elektriciteit een kikkerpoot deed samentrekken. Geleiding van stroom is hier mogelijk door transport van elektrische lading via ionen in de zenuwbanen waarmee sturing van spieren kan worden bewerkstelligd.  
    
    

  Reacties  menselijk lichaam op elektrische stroom Gelijkstroom:       + kant: veroorzaakt uitdroging en verdovend gevoel (perceptie < 2 mA)       - kant: verhoogd watergehalte, roodheid v/d huid Wisselstroom: - zenuwprikkeling meest sterk bij 10 – 500 Hz (perceptie < 0.5mA) - minder ionen en waarneming warmte effect bij > 500 Hz Opmerking: blijf een gewone held en experimenteer hiermee niet !!

  •    Batterij
    Met een zoutoplossing, koper en zinkplaatjes werd door Volta de voorloper van de moderne batterij ontworpen (1800). Bij stroomlevering wordt elementair koper en zink chemisch omgezet in een koper- resp. zinkverbinding.
    De redoxpotentiaal van een oplossing(/batterij) volgens de wet van Nernst:
                
    hierin is: E₀ de normaal potentiaal v/h redoxkoppel (specifiek), n het aantal elektronen bij de reactie betrokken, a_ox en a_red de respectievelijke ionenactiviteiten.
    
    
  •    Elektrolyse
    Omgekeerd toonde Volta ook aan dat door stroom chemische reacties in waterige oplossingen van zouten, zuren en basen werden veroorzaakt: ionen worden omgeven met een watermantel aangetrokken naar de elektrode met tegenovergestelde spanning en nemen daar aangekomen elektronen op of geven die af. Komen deze van de chemische stof dan vormt zich gereduceerd product bij opname van elektronen of geoxideerd product bij afgifte.
    Bij reductie - oxidatie (‘redox’) is de reactiesnelheid is van de betrokken stoffen vaak traag. In dat geval kunnen waterionen rond de elektrode een rol spelen en wordt waterstof  en/of zuurstof gevormd.
    Zodra gelijkstroom loopt vindt is er ook een chemische omzetting plaats.
    
    
  •   Neutraliteit
    Bij afwezigheid van statische lading op het systeem is de totale lading van de positieve en negatieve ionen aan elkaar gelijk.
    
    
  •    Vrije elektronen zonder lage kinetische energie
    Die verdwijnen bij nabijheid van atomen en moleculen waarschijnlijk direct.

  
  2.2 Gelijkstroom en geleiders

  •    Getallenvoorbeeld: snelheid van elektronen door gangbaar installatiedraad
    Gegevens koperdraad: lengte 10m, draaddiameter 2.5mm. Dat is 49cm³ met een massa van 438gram en bevat 4.15* 10²⁴ koperatomen
    Gelijkstroom:1A (equivalent met 6.242  · 10¹⁸ elektronen/seconde)
    Hieruit afgeleid:
    - Totale weerstand v/d koperdraad: 10*0.0172/(3.14*1.25*1.25)= 0.035 ohm
    - Spanningsverlies over de koperdraad: 1*0.035 = 0.035V
    - Energie af te geven als warmte: 1*1*0.035W ofwel 0.035J/s
    
    Verder zijn er de volgende aannames:
    - Slechts 1 procent van de atomen levert een elektron in de geleidingsband op, dus in ons voorbeeld zijn dat dan totaal 4.15* 10²² geleidingselektronen.
    - bij stroomvoering schuiven de geleidingselektronen allen met dezelfde snelheid door de geleider.
    
    Hoe duurt het nu voordat een elektron aan het begin van de draad aankomt aan het einde?
    Dat is nu eenvoudig te berekenen uit: (4.15* 10²²)/( 6.242  * 10¹⁸) = 6600 seconden.
    De elektronensnelheid in de draad is daarmee 1.5 mm/s, dus een slakkengangetje!
    
  
  

  2.3 Snelle elektronen in de vrije ruimt en hun interactie
  

• Chemische omzettingen
  Radiolyse van water is bijv. waargenomen wanneer waterdamp wordt beschoten met snelle elektronen van een versneller (0.05-6keV). Het ontstaan van waterstof werd daarbij aangetoond
  (D.A.Vroom, F.J. de Heer, J. Chem. Phys. 50, 1883 (1969); DOI:10.1063/1.1671284).

• Botsingen met elektronen van een atoomkern
  Wanneer vrije elektronen met hogere energie de materie binnendringen lijkt het gedrag ervan op de speelbal van een pool biljart: er wordt geen rechte weg gevolgd, deze wijzigt zich bij iedere botsing (of bij nadering van elektrisch velden van moleculen en/of atomen of verdwijnt in het veld van een atoomkern.
  Elastische botsingen:
  Hierbij verandert niet de kinetische energie (snelheid) maar wel de richting van het elektron. Dit is mogelijk bij nadering/botsing met elektronen van een atoomkern die in hun eigen baan blijven.
  Niet-elastische botsingen:
  Botsingen (elektrische velden van) elektronen rond atoomkernen: daarbij zijn twee processen mogelijk waarbij kinetische energie v/h snelle elektron wordt verlaagd:
  1) Ionisatie van een atoom doordat een elektron van atoom uit zijn baan wordt geschoten door de afstotende werking van het vrije elektron. Het proton wordt hierdoor even geïoniseerd en dat kan ver gaande gevolgen hebben voor de molecuulstructuur.
  2) Excitatie treedt op wanneer een elektron alleen naar een hogere baan wordt gedrongen. Dit is een instabiele situatie en dus valt zo’n elektron doorgaans snel terug naar de oude positie onder het uitzenden van een foton met een karakteristieke energie. Bij elektronen met hogere energie kunnen ook elektronen van de K- of L- schil worden getroffen waarbij dan röntgenstraling ontstaat die karakteristiek is voor de elementen. Lagere energieovergangen kunnen ook zichtbaar licht emitteren. Denk hierbij bijv. aan kleuren die zichtbaar worden door hoge verhitting zoals bij vuurwerk.
  
  

  Energieovergangen bij atomen en moleculen Baanverandering van een elektron rond een atoom vindt plaats door opname (absorptie) of afgifte (emissie) van een afgepaste energiekwant die specifiek is voor díe baan en dát atoom (ΔEel). Bij atomen die zijn gebonden in moleculen (bindingselektronen) lopen één of enkele elektronen over meerdere atomen (molecuulbanen). Hun vrijheden zijn beperkt en mogelijke elektronenovergangen  geringer. De atoomkernen hebben hier alleen een vibrerende beweging t.o.v. elkaar die met afgepaste energiebedragen kan worden gewijzigd (ΔEvib) Moleculen in een gas kunnen onafhankelijk draaien om hun as. Deze rotatie kan alleen met afgepaste energiebedragen (ΔErot) toe of afnemen Verhouding energieniveaus: ΔEel >>  ΔEvib >> ΔErot

   

• Annihilatiestraling
  Bij botsing van een positron met een elektron (gelijkwaardig tegengesteld geladen deeltjes) kan positronium gevormd worden dat bij snelle vertraging (draaiing) maar kort kan bestaan.
  De ladingen verdwijnen dan onder uitzending van twee fotonen van 0.51 MeV welke zich in precies tegenovergestelde richtingen bewegen. Positronstraling van het radionuclide ¹⁸F wordt in tracermateriaal toegepast bij PET scans voor nauwkeurige positiemetingen.
  

•  Röntgen straling: botsing van elektron met het veld van de atoomkern
  In de situatie dat een hoogenergetisch elektron kans ziet tussen elektronenwolk door te schieten en zijn energie verliest door een interactie met het veld van de kern ontstaat röntgenstraling met een continu energiespectrum. Dit wordt remstraling genoemd. Hoe hoger de energie van elektronen des te groter is de kans op vorming van remstraling. [soms ook neveneffect bij zendbuizen met hoge spanning!]
  
  Een vuistregel voor de fractie gevormde energieflux als Röntgenstraling (Eff) voor bètadeeltjes tussen 0.01 en 2 MeV:
                              Eff = 1.4_* Z_* V_* 10 ^-3
  Hierin is Z = atoomgetal absorberende kern, V = energie elektron/bètadeeltje in MeV.

• Brekingsindex en Cerenkov straling
  Indien een elektron(lading) met (hoge) snelheid v een medium treft en die snelheid is groter dan c/n (c: lichtsnelheid, n: brekingsindex) dan daalt de snelheid over een zeker traject naar c/n en vindt daarbij uitzending van licht plaats zgn. “Cerenkov straling”. De richting van deze straling met een groot golflengte gebied wordt bepaald door snelheid v en kan worden berekend:
                              cos θ = c / (n _*  v)
                    
  Bètadeeltjes met een energie van meer dan 263 keV zijn in staat om in water Cerenkov straling te produceren. De lichtopbrengst neemt toe bij hogere energie.
  In het koelgedeelte van een reactorvat nabij sterke radioactieve bronnen in een nucleaire installatie is het blauwe schijnsel van Cerenkov straling met het oog goed waar te nemen.
  

   

• Reikwijdte van elektronen
  1. Schattingen voor bètastraling van een continu spectrum :
  Vuistregel 1:
  Een bètadeeltje met een max. energie van E_max(MeV) heeft een effectief bètabereik P (cm) in een medium met een dichtheid ρ (g/cm3): 
                    P = 0.0825[(1+ 22.4E ²)^0.5 - 1] / ρ      (Aitken et al. Nuclear Tracks. 10.  647-654)
  
  Vuisttregel 2:
  1) Bij een laagdikte waarbij de helft van de bètadeeltjes wordt tegengehouden moet deze dikte met 7 à 8 vermenigvuldigd worden om ze allemaal te stoppen.
  
  Vuistregel 3:
  De gemiddelde energie van bètadeeltjes E_gem is ongeveer gelijk aan 1/3 E_max.
  
  2. Reikwijdte mono energetische elektronen:

  Mono energetische elektronen               Uit: Radio-nuclidencursus collegedictaat Dr. L.B. Beentjes.                  (Luchtgegevens zijn daaruit afgeleid)
  Energie(keV)	Water/Weefsel 1g/cm3)		Lucht(1013 hPa)
  	Reikwijdte(cm)	Ionisaties per mm	Reikwijdte(cm)
  1	0.000053	22300	0.4
  10	0.00252	3010	19.5
  100	0.0141	460	109
  500	0.174	211	1346

   

  
  Remarks/Opmerkingen?  Email: info@pa2ion

   
  

  2.3 Wisselstroom, RF bronnen en geleiders
  Mogelijk komen hiervoor later link(s) naar een apart document over dit onderwerp.

   

   

  ---

  3. Bijlagen

  
  

• Elektron_rustmassa = 511 keV komt overeen met 10E-31 kg = 1/1836 massa van proton_rustmassa