Waarom treedt radioactief verval op?

Radioactief verval is het spontane proces waardoor een onstabiele atoomkern in kleinere, stabielere fragmenten breekt. Heb je je ooit afgevraagd waarom sommige kernen vervallen en andere niet?

Het is eigenlijk een kwestie van thermodynamica. Elk atoom probeert zo stabiel mogelijk te zijn. In het geval van radioactief verval treedt instabiliteit op wanneer er een onbalans is in het aantal protonen en neutronen in de atoomkern. Kortom, er is teveel energie in de kern om alle nucleonen bij elkaar te houden. De status van de elektronen van een atoom doet er niet toe voor verval, hoewel ook zij hun eigen manier hebben om stabiliteit te vinden. Als de kern van een atoom onstabiel is, zal deze uiteindelijk uit elkaar vallen en ten minste enkele van de deeltjes verliezen die hem onstabiel maken. De oorspronkelijke kern wordt de ouder genoemd, terwijl de resulterende kern of kernen de dochter of dochters worden genoemd. De dochters zijn misschien nog steeds radioactief en breken uiteindelijk in meer delen uiteen, of ze kunnen stabiel zijn.

Drie soorten radioactief verval

Er zijn drie vormen van radioactief verval: welke van deze een atoomkern ondergaat, hangt af van de aard van de interne instabiliteit. Sommige isotopen kunnen via meer dan één pad vervallen.

Alpha Verval

In alfa-verval werpt de kern een alfadeeltje uit, dat in wezen een heliumkern is (twee protonen en twee neutronen), waardoor het atoomnummer van de ouder met twee wordt verlaagd en het massagetal met vier.

Bèta-verval

In bèta-verval wordt een stroom elektronen, bèta-deeltjes genoemd, door de ouder uitgeworpen en wordt een neutron in de kern omgezet in een proton. Het massagetal van de nieuwe kern is hetzelfde, maar het atoomnummer neemt met één toe.

Gamma-verval

Bij gamma-verval geeft de atoomkern overtollige energie af in de vorm van hoogenergetische fotonen (elektromagnetische straling). Het atoomnummer en massagetal blijven hetzelfde, maar de resulterende kern neemt een stabielere energietoestand aan.

Radioactief versus stabiel

Een radioactieve isotoop is er een die radioactief verval ondergaat. De term "stabiel" is dubbelzinniger, omdat het van toepassing is op elementen die voor praktische doeleinden niet uit elkaar vallen gedurende een lange periode. Dit betekent dat stabiele isotopen die omvatten die nooit breken, zoals protium (bestaat uit één proton, dus er is niets meer te verliezen), en radioactieve isotopen, zoals tellurium -128, met een halfwaardetijd van 7,7 x 10²⁴ jaar. Radio-isotopen met een korte halfwaardetijd worden onstabiele radio-isotopen genoemd.

Sommige stabiele isotopen hebben meer neutronen dan protonen

Je zou kunnen veronderstellen dat een kern in stabiele configuratie hetzelfde aantal protonen zou hebben als neutronen. Voor veel lichtere elementen is dit waar. Koolstof wordt bijvoorbeeld vaak gevonden met drie configuraties van protonen en neutronen, isotopen genoemd. Het aantal protonen verandert niet, omdat dit het element bepaalt, maar het aantal neutronen wel: Carbon-12 heeft zes protonen en zes neutronen en is stabiel; koolstof-13 heeft ook zes protonen, maar het heeft zeven neutronen; koolstof-13 is ook stabiel. Koolstof-14, met zes protonen en acht neutronen, is echter onstabiel of radioactief. Het aantal neutronen voor een koolstof-14-kern is te hoog voor de sterke aantrekkingskracht om deze voor onbepaalde tijd bij elkaar te houden.

Maar als je naar atomen gaat die meer protonen bevatten, zijn isotopen steeds stabieler met een teveel aan neutronen. Dit komt omdat de nucleonen (protonen en neutronen) niet op hun plaats in de kern zijn gefixeerd, maar bewegen en de protonen elkaar afstoten omdat ze allemaal een positieve elektrische lading dragen. De neutronen van deze grotere kern werken om de protonen te isoleren van de effecten van elkaar.

De N: Z-verhouding en magische nummers

De verhouding van neutronen tot protonen, of N: Z-verhouding, is de primaire factor die bepaalt of een atoomkern stabiel is of niet. Lichtere elementen (Z < 20) prefer to have the same number of protons and neutrons or N:Z = 1. Heavier elements (Z = 20 to 83) prefer an N:Z ratio of 1.5 because more neutrons are needed to insulate against the repulsive force between the protons.

Er zijn ook zogenaamde magische getallen, dit zijn getallen nucleonen (protonen of neutronen) die bijzonder stabiel zijn. Als zowel het aantal protonen als neutronen deze waarden hebben, wordt de situatie dubbele magische getallen genoemd. Je kunt dit zien als de kern die equivalent is aan de octetregel die de stabiliteit van de elektronenschil regelt. De magische getallen zijn iets anders voor protonen en neutronen:

• Protonen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutronen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Om de stabiliteit verder te compliceren, zijn er stabielere isotopen met even-tot-even Z: N (162 isotopen) dan even-tot-oneven (53 isotopen), dan oneven tot even (50) dan oneven tot oneven waarden (4).

Willekeur en radioactief verval

Een laatste opmerking: of een kern vergaat of niet, is een volledig willekeurige gebeurtenis. De halfwaardetijd van een isotoop is de beste voorspelling voor een voldoende grote steekproef van de elementen. Het kan niet worden gebruikt om enige voorspelling te doen over het gedrag van één kern of enkele kernen.

Kun je een quiz over radioactiviteit passeren??