Radioactief verval

Voorbeeld

De meeste koolstofatomen hebben zes protonen en zes neutronen in hun kern. Deze koolstof wordt koolstof-12s genoemd (zes protonen + zes neutronen = 12). Het atoomgewicht is 12. Als een koolstofatoom twee neutronen meer heeft, is het koolstof-14. Koolstof-14 gedraagt zich chemisch als andere koolstof, omdat de zes protonen en zes elektronen de chemische eigenschappen ervan bepalen. In feite komt koolstof-14 in alle levende wezens voor; alle planten en dieren bevatten koolstof-14. Koolstof-14 is echter radioactief. Het vervalt door bètaverval en wordt stikstof-14. Koolstof-14 is in de kleine hoeveelheden die we in de natuur aantreffen, onschadelijk. In de archeologie wordt dit soort koolstof gebruikt om de ouderdom van hout en andere vroeger levende dingen te bepalen. De methode heet radiokoolstofdatering.

Verschillende soorten van verval

Ernest Rutherford ontdekte dat er verschillende manieren zijn waarop deze deeltjes materie binnendringen. Hij vond twee verschillende soorten, die hij alfaverval en bètaverval noemde. Paul Villard ontdekte een derde soort in 1900. Rutherford noemde het gammaverval, in 1903.

De overgang van radioactief koolstof-14 naar stabiel stikstof-14 is een radioactief verval. Het gebeurt wanneer het atoom een alfadeeltje uitzendt. Een alfadeeltje is een energiestoot wanneer een elektron of positron de atoomkern verlaat.

Andere soorten verval werden later ontdekt. De soorten verval verschillen van elkaar omdat verschillende soorten verval verschillende soorten deeltjes produceren. De beginnende radioactieve kern wordt de moederkern genoemd en de kern waarin hij verandert, wordt de dochterkern genoemd. De hoogenergetische deeltjes die door radioactieve materialen worden geproduceerd, worden straling genoemd.

Deze verschillende soorten verval kunnen opeenvolgend plaatsvinden in een "vervalketen". De ene soort kern vervalt tot een andere soort, die weer vervalt tot een andere, enzovoort, totdat het een stabiele isotoop wordt en de keten ten einde loopt.

Snelheid van verval

De snelheid waarmee deze verandering gebeurt, is voor elk element verschillend. Radioactief verval wordt bepaald door het toeval: De tijd die gemiddeld nodig is voor de helft van de atomen van een stof om te veranderen, wordt de halfwaardetijd genoemd. De snelheid wordt gegeven door een exponentiële functie. Jodium (^131I) bijvoorbeeld heeft een halveringstijd van ongeveer 8 dagen. Die van plutonium varieert tussen 4 uur (^243Pu) en 80 miljoen jaar (^244Pu)

Nucleaire transformaties en energie

Radioactief verval verandert een atoom van een atoom met een hogere energie in zijn kern in een atoom met een lagere energie. De verandering van energie van de kern wordt gegeven aan de deeltjes die ontstaan. De energie die bij radioactief verval vrijkomt, kan worden afgevoerd door een elektromagnetische gammastraal (een soort licht), een betadeeltje of een alfadeeltje. In al deze gevallen wordt de verandering van energie van de kern weggevoerd. En in al die gevallen is het totale aantal positieve en negatieve ladingen van de protonen en elektronen van het atoom vóór en na de verandering bij elkaar opgeteld nul.

Alfa verval

Bij alfaverval laat de atoomkern een alfadeeltje los. Bij alfaverval verliest de atoomkern twee protonen en twee neutronen. Door alfaverval verandert het atoom in een ander element, omdat het atoom twee protonen (en twee elektronen) verliest. Als Americium bijvoorbeeld door alfaverval zou gaan, zou het veranderen in Neptunium, omdat Neptunium twee protonen minder heeft dan Americium. Alfaverval treedt meestal op in de zwaarste elementen, zoals uranium, thorium, plutonium en radium.

Alfadeeltjes kunnen zelfs niet door een paar centimeter lucht heen. Alfastraling kan mensen niet schaden als de alfastralingsbron zich buiten het menselijk lichaam bevindt, omdat de menselijke huid de alfadeeltjes niet doorlaat. Alfastraling kan zeer schadelijk zijn als de bron zich binnen het lichaam bevindt, zoals wanneer mensen stof of gas inademen dat materialen bevat die vervallen door het uitzenden van alfadeeltjes (straling).

Bètaverval

Er zijn twee soorten bètaverval, bèta-plus en bèta-minus.

Bij beta-minus verval geeft de kern een negatief geladen elektron af en verandert een neutron in een proton:

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {{{0}}+e^{-}+{{}} .

waarbij

n 0 {N^{0}} is het neutron

  p + p^{+}} is het proton

e - e^{-}} is het elektron

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} is het anti-neutrino

Bèta-minus verval vindt plaats in kernreactoren.

Bij bèta-plus-verval laat de kern een positron los, dat lijkt op een elektron maar dat positief geladen is, en verandert een proton in een neutron:

  p + → n 0 + e + + ν e {\an5 p^{+}+e^{+}+{\nu }_{e}} .

waarbij

  p + p^{+}} is het proton

n 0 {N^{0}} is het neutron

e + e^{+}} is het positron

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} is het neutrino

Bèta-plus verval vindt plaats in de zon en in sommige soorten deeltjesversnellers.

Gamma verval

Gammaverval treedt op wanneer een kern een energiepakket met een hoge energie produceert dat gammastraal wordt genoemd. Gammastralen hebben geen elektrische lading, maar ze hebben wel een impulsmoment. Gammastralen worden gewoonlijk uitgezonden door kernen net na andere soorten verval. Gammastralen kunnen worden gebruikt om door materiaal heen te kijken, om bacteriën in voedsel te doden, om sommige soorten ziekten op te sporen, en om sommige soorten kanker te behandelen. Gammastralen hebben de hoogste energie van alle elektromagnetische golven, en uitbarstingen van gammastralen uit de ruimte zijn de meest energetische energie-uitbarstingen die bekend zijn.