Radio isotopen

Een radio-isotoop is een atoomkern die niet stabiel is, maar volgens een proces van radioactief verval spontaan uiteen kan vallen. Bij het woord isotoop denkt men aan het feit dat hetzelfde element nog meer kernen heeft, met een ander massagetal, die misschien wel stabiel zijn.

De vervalprocessen zijn strikt eerste orde en worden daarom geheel gekarakteriseerd door hun halveringstijd.

Er zijn een aantal radioactieve kernen met een halveringstijd die lang is vergeleken met de ouderdom van de aarde. Deze kernen komen daardoor nog van nature op aarde voor. Belangrijke voorbeelden zijn de isotopen van uranium ²³⁵U en ²³⁸U en van thorium. Deze elementen bestaan zelfs uitsluitend uit radio-isotopen. Een aantal lichtere elementen, zoals kalium, ⁴⁰K, hebben ook natuurlijke radio-isotopen.

Daarnaast zijn er korter levende kernen die op aarde voorkomen doordat zij voortdurend aangemaakt worden. Dit kan op twee manieren gebeuren: door verval van de langlevende natuurlijke radio-isotopen en door de kosmische straling waaraan de aarde blootstaat.

De dochterkernen van het verval van ²³⁵U en ²³⁸U (bijvoorbeeld de isotopen van radon) zijn een voorbeeld van het eerste. De koolstofisotoop ¹⁴C van het laatste.

Ten slotte zijn er de kunstmatige radioactieve kernen die kunnen worden aangemaakt in een kernreactor (door kernsplijting van bijvoorbeeld ²³⁵U) of door beschieting van een kern met een andere kern of met neutronen. Deze radioactieve kernen zijn kunstmatig op aarde, maar in het heelal zijn er plaatsen waar zij van nature aangemaakt worden (in supernovae bijvoorbeeld). Men zou ze dus ook 'uitgestorven' kernen kunnen noemen omdat zij bij de vorming van de aarde uit het sterrenstof waarschijnlijk wel aanwezig waren.

Verval

Radio-isotopen kunnen op een aantal verschillende manieren uiteenvallen. Al deze processen hebben gemeen dat het strikt eerste-ordeprocessen zijn, die volledig te beschrijven zijn door een halfwaarde- of halveringstijd. Het is zelfs zo dat de halfwaardetijden vrijwel niet door uitwendige processen te beïnvloeden zijn. De enige uitzondering is elektronenvangst. Daar zijn (zeer) kleine verschillen mogelijk als gevolg van de verschillen in de golffunctie van het ingevangen elektron.

Straling

Elk atoom bestaat uit een positieve atoomkern en negatieve elektronen die daaromheen zwerven. Wanneer de elektronen samen net zo negatief zijn als de atoomkern positief is, is het atoom neutraal. Als er echter één of meerdere elektronen worden weggenomen, is het atoom niet meer neutraal. Het is dan een geladen deeltje, ook wel een ion genoemd. Straling die in staat is een elektron van een atoom weg te schieten en het atoom daarmee achter te laten als ion, wordt daarom ioniserende straling genoemd.

De straling die bij radioactiviteit wordt uitgezonden is ioniserende straling. Ze wordt soms radioactieve straling genoemd. Dit is feitelijk onjuist: de stof is radioactief, niet de straling.

Er zijn verschillende soorten ioniserende straling: alfa- (α), beta- (β) en gammastraling (γ) zijn veel voorkomende vormen. Als er losse neutronen vrijkomen spreekt men van neutronenstraling.

Alfastraling

Alfastraling is een van de meest voorkomende vormen van ioniserende straling. Deze straling (eigenlijk een deeltje) komt vrij bij alfaverval van grotere kernen zoals uranium, plutonium enzovoorts. Zo'n alfadeeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen en is daarmee de kale kern van een heliumatoom (He²⁺).

Een voorbeeld van zo'n reactie is:

Dit wordt vaak korter geschreven als een alfadeeltje (α).

Alfaverval

Alfastraling ontstaat in het α-vervalproces, waarin een atoomkern een ⁴He-kern uitzendt; daarmee verliest de radio-isotoop twee protonen en twee neutronen. Dit wordt op kwantumniveau mogelijk gemaakt door het tunneleffect. Het massagetal wordt daarmee met vier verminderd en het atoomnummer met twee. Er wordt dus een compleet ander element gevormd.

Gevaar

Alfadeeltjes zijn gevaarlijk als ze inwerken op weefsel; ze brengen daarin chemische reacties teweeg. Gelukkig zijn alfadeeltjes gemakkelijk tegen te houden: een blad papier is genoeg. Alfastralers zijn daarom eigenlijk alleen gevaarlijk als ze in het lichaam worden opgenomen, bijvoorbeeld wanneer men alfastralers via het voedsel of via injectie naar binnen krijgt. Eenmaal in het lichaam kunnen zij in hun directe omgeving grote schade doen omdat alle energie die vrijkomt bij hun verval zich in een klein gebied om de vervallende kern concentreert.

Een andere besmettingsweg is de blootstelling aan gasvormige alfastralers, zoals radon. Als radium door alfaverval twee protonen verliest, wordt radon, een edelgas gevormd. Radon zelf is ook een alfastraler. Doordat radon ingeademd kan worden, is het veel gevaarlijker. De zeer krachtige alfastraling raakt de binnenkant van de longen en kan daar veel schade aanrichten. Bovendien zijn de vervalproducten niet meer vluchtig en zetten zich daarom af in de longen. Ook de vervalproducten zijn op hun beurt weer radioactief.

Een ander voorbeeld van alfastralers die door inademing gevaarlijk worden is polonium-210, een radioactieve isotoop die in sigarettenrook zit.

Betastraling

Betastraling is ioniserende straling, bestaande uit elektronen of positronen.

Betaverval

Betastraling ontstaat in het β-vervalproces, betaverval, waarin een atoomkern een elektron e^- of positron e⁺ uitzendt. Er zijn twee soorten betastraling, β^-- en β⁺-straling. Bij β^--straling verandert in de kern een neutron in een proton, waarbij een elektron en een elektron-antineutrino worden weggeschoten. Dit dient niet verward te worden met interne conversie, waarbij een aan het atoom gebonden elektron wordt uitgezonden. De massa van de kern blijft ruwweg gelijk, aangezien het neutron en het proton ongeveer even zwaar zijn. Dit wordt kwalitatief aangegeven met de uitdrukking: het massagetal blijft gelijk, maar het atoomnummer neemt toe met 1. Voorbeeld:

(De halveringstijd is hierbij 458 jaar)

Bij β+-straling verandert in de kern een proton in een neutron, waarbij een positron e+ en een elektron-neutrino worden weggeschoten. Het massagetal blijft gelijk, maar het atoomnummer neemt af met 1. Voorbeeld:

(De halveringstijd is hierbij 23 s)

Gammastraling

Gammastraling (γ-straling) is onzichtbare elektromagnetische straling met een hogere energie dan ultraviolet licht en röntgenstraling. Het ioniserende vermogen daarentegen is lager dan dat van alfastraling. Alfastraling heeft een hogere ioniserende energie, maar dat zorgt er weer voor dat de straling minder doordringend is doordat onderweg alle moleculen geïoniseerd worden.

In bepaalde kernen zitten de nucleonen als het ware ongelukkig geschikt. Door de γ-straling of hoog energetische elektromagnetische straling met een snelheid van 300.000 km/s uit te zenden gaan de nucleonen zich herschikken tot een meer stabiele vorm. In tegenstelling tot bij alfa en beta straling worden hierbij geen deeltjes uitgezonden en treedt er geen transmutatie op. De onstabiele kernen worden aangeduid door een m naast het massagetal te plaatsen.

Elektronenvangst

Elektronenvangst is een vervalproces dat een variant is op β verval. In plaats van een elektron uit te zenden wordt er een elektron, meestal uit de binnenste elektronenschil, van het atoom opgenomen in de kern.

Elektronenvangst treedt op bij isotopen waarbij te veel protonen aanwezig zijn in de kern, en er te weinig energie is om een positron uit te zenden. Het komt echter ook wel voor bij isotopen waarbij positron-verval wel optreedt. Als het energieverschil tussen het ouderatoom en het dochteratoom minder dan 1,022 MeV is, dan treedt er per definitie geen positron-verval op. Er zal dan enkel elekronenvangst optreden. Voorbeeld: Rubidium-83 zal enkel en alleen via elektronenvangst vervallen tot Krypton-83; het energieverschil is namelijk slechts 0,9 MeV.

Proces

Bij elektronenvangst wordt een elektron, meestal afkomstig uit de K- of L-schil, door een proton opgenomen. Daarbij wordt het proton (met het opgenomen elektron) omgezet in een neutron en een neutrino. Het massagetal blijft daarbij gelijk, maar het atoomnummer wordt met een verlaagd.

In sommige boeken wordt dit proces ook wel K-vangst genoemd, omdat het elektron dat ingevangen wordt meestal uit de K-schil afkomstig is (een voorbeeld van een boek dat deze term gebruikt is de BINAS).

Spontane splijting

Spontane splijting is kernsplijting als onderdeel van een vervalproces dat vooral voor actiniden en transurane elementen steeds belangrijker wordt naarmate de atoommassa toeneemt. Spontane kernsplijting wordt veroorzaakt door een te hoge, positieve elektrische lading ten opzichte van het aantal neutronen in de kern. Daardoor kan de afstoting tussen de positief geladen protonen niet meer gecompenseerd worden door de sterke kernkracht tussen protonen en neutronen. Bij spontane splijting valt de hele kern in twee nieuwe kernen uiteen. Deze nieuwe kernen hebben een atoomnummer (Z) en een massagetal (A) dat ruwweg de helft bedraagt van de moederkern, hoewel de ene dochterkern in de regel een stuk zwaarder is dan de andere.

Rob's web