Lees eerst onderstaande tekst.
Onderzoekers hebben een kleine batterij ontwikkeld die werkt met behulp van een radioactieve bron. In de figuren hieronder wordt de werking ervan uitgelegd.
Een kunststof strip is aan één kant ingeklemd. Op de strip zit een plaatje zogenoemd piëzo-elektrisch materiaal. Onder het andere uiteinde zit een koperen plaatje. Tegenover dit plaatje is een plaatje radioactief nikkel-63 geplaatst. Het geheel bevindt zich in vacuüm. Zie figuur (a).
Nikkel-63 zendt β-straling uit die door het koper wordt geabsorbeerd. Zie figuur (b). Het nikkel wordt dan positief geladen en het koper negatief. Daardoor trekken de plaatjes elkaar aan waardoor de strip buigt. Zie figuur (c).
Wanneer de twee plaatjes elkaar aanraken, schiet de kunststof strip terug en trilt een tijdje na. Zie figuur (d). Dit proces herhaalt zich steeds.
Piëzo-elektrisch materiaal heeft de eigenschap dat het een elektrische spanning opwekt wanneer het gebogen wordt. Zo wordt de trillingsenergie van de strip omgezet in elektrische energie.
63Ni zendt β-straling uit.
Opgaven
a) Geef de vervalvergelijking van 63Ni.
Het koperen en het nikkelen plaatje krijgen een tegengestelde lading en trekken elkaar aan.
b) Leg uit waarom:
- het koperen plaatje een negatieve lading krijgt;
- het nikkelen plaatje een positieve lading krijgt.
Door de aantrekkende kracht buigt de kunststof strip naar beneden. Als het koperen en nikkelen plaatje elkaar aanraken, schiet de strip meteen terug.
c) Leg uit waarom de strip dan terugschiet.
Het apparaatje is in werkelijkheid slechts enkele millimeters groot. De dikte van het koperen plaatje is maar 60 micrometer.
Voor een goede werking van de batterij heeft men radioactief materiaal uitgekozen waarvan de β-deeltjes een betrekkelijk lage energie hebben.
d) Leg uit waarom de batterij minder goed werkt als de uitgezonden β-deeltjes een hoge energie zouden hebben.
Een tweede eis die men aan het radioactieve materiaal stelt, is dat het naast de β-straling geen γ-straling uitzendt.
e) Leg uit wat het nadeel is van radioactief materiaal dat ook γ-straling uitzendt.
De nucleaire microbatterij zet de stralingsenergie van de radioactieve bron om in elektrische energie.
De activiteit van de bron bedraagt 1,8 * 107 Bq. De gemiddelde energie van de β-deeltjes bedraagt 17 keV. De batterij levert een vermogen van 1,4 * 10-9 W.
f) Bereken het rendement van de batterij.
De microbatterij kan worden gebruikt als voeding voor sensoren die zich op (zeer) moeilijk bereikbare plaatsen bevinden.
g) Leg uit waarom deze microbatterij niet vaak vervangen hoeft te worden. Baseer je uitleg op een gegeven uit Binas.
Uitwerkingen
Open het antwoord op de vraag van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
Uitwerking vraag (b)
β-straling bestaat uit elektronen. Het koper absorbeert deze elektronen en wordt dus negatief geladen. Het nikkel krijgt een tekort aan elektronen en wordt dus positief geladen.
Uitwerking vraag (c)
De plaatjes worden ontladen. Door de veerkracht schiet de kunststof strip dus weer terug.
Uitwerking vraag (d)
Als de energie van de elektronen hoog is, is het doordringend vermogen van de elektronen ook hoog. Hierdoor worden ze minder goed geabsorbeerd en zal het koperen plaatje dus minder snel geladen worden.
Uitwerking vraag (e)
Het doordringend vermogen van γ-straling is groot. Hierdoor zal er ook stralingsbelasting buiten de batterij zijn.
Uitwerking vraag (f)
Het rendement kan berekend worden door de verhouding van het nuttige en het totale vermogen te bepalen. Het nuttige vermogen is gegeven, namelijk P = 1,4 * 10-9 W.
Het totale vermogen kan eenvoudig bepaald worden door de energie van een elektron te vermenigvuldigen met de activiteit. Dit geeft immers de energie per seconde, oftewel het vermogen.
Pnuttig = 1,8 * 107 * 17 * 103 * 1,60 * 10-19 = 4,90 * 10-8 W
Het rendement is dus:
η = Pnuttig / Ptotaal * 100 %
η = 1,4 * 10-9 / 4,90 * 10-8 * 100 % = 2,9 %
Uitwerking vraag (g)
De halveringstijd van nikkel-63 is 85 jaar.
