Een niet-stabiele atoomkern heeft te veel of te weinig neutronen. Een atoomkern wordt stabiel door het aantal protonen en neutronen aan te passen. In de natuur vind je 2 manieren waarop dat meestal gebeurt. We noemen ze alfastraling (α-straling) en betastraling (β-straling). Nadat een atoomkern verandert zendt die meestal ook nog gammastraling (γ-straling) uit.
TERMINOLOGIE
Een MOEDERKERN of MOEDERISOTOOP is een niet-stabiel isotoop dat stabieler gaat worden door te veranderen in een ander isotoop.
Een DOCHTERKERN of DOCHTERISOTOOP is het isotoop dat je krijgt nadat een ander (moeder)isotoop is veranderd.
RADIOACTIEF VERVAL (of: TRANSMUTATIE) is het proces waarbij een atoomkern verandert in een andere atoomkern (en daarbij dus ioniserende straling uitzendt). Radio-isotopen zijn RADIOACTIEF.
Een radio-isotoop is een isotoop "dat niet gelukkig is". Het heeft te veel of te weinig neutronen.
Als een radio-isotoop verandert in een ander isotoop, dan zendt het ioniserende straling uit. Het is dan radioactief.
Eind jaren 1800 ontdekten onderzoekers dat natuurlijke radio-isotopen 3 types straling kunnen uitzenden:
alfastraling (α-straling)
betastraling (β-straling)
gammastraling (γ-straling)
Radio-isotopen zijn isotopen waarvan de atoomkern verandert. Tijdens die verandering zenden ze ioniserende straling uit.
Er zijn 3 soorten natuurlijke kernstraling:
alfastraling (α-straling)
betastraling (β-straling)
gammastraling (γ-straling)
Deze types straling nemen energie mee uit de atoomkern en geven die af aan de omgeving.
alfastraling (α-straling)
betastraling (β-straling)
gammastraling (γ-straling)
α-straling is een soort deeltjesstraling
β-straling is een soort deeltjesstraling
γ-straling is een soort elektromagnetische straling
Deze drie soorten kernstraling zijn ioniserend en dus gevaarlijk voor levende organismen.
OEFENING
Raadpleeg de isotopenkaart. Is lood-207 radioactief?
Raadpleeg de isotopenkaart. Is N-14 radioactief?
Raadpleeg de isotopenkaart. Is C-14 radioactief?
OPLOSSING
Pb-207 is stabiel en dus NIET RADIOACTIEF. (Het is een zwart vakje in de isotopenkaart.)
N-14 is stabiel en dus NIET RADIOACTIEF. (Het is een zwart vakje in de isotopenkaart.)
C-14 is niet stabiel en dus RADIOACTIEF. (Het is géén zwart vakje in de isotopenkaart.)
OEFENING
Radium-226 is een α-straler. Het dochterisotoop is Rn-222. Welke deeltjes is het moederisotoop dus kwijtgeraakt?
Radon-222 is een α-straler. Het dochterisotoop is Po-218. Welke deeltjes is het moederisotoop dus kwijtgeraakt?
Radon-215 is een α-straler. Het dochterisotoop is Po-211. Welke deeltjes is het moederisotoop dus kwijtgeraakt?
Raadpleeg de isotopenkaart. Kies 3 isotopen die zeker α-stralers zijn!
OPLOSSING
Dit is de kernreactie: Ra-226 → Rn-222 + α
Rn-222 heeft 2 protonen en 2 neutronen minder dan Ra-226.
Die 2 protonen en 2 neutronen zijn samen het α-deeltje.
Dit is de kernreactie: Rn-222 → Po-218 + α
Po-218 heeft 2 protonen en 2 neutronen minder dan Rn-222.
Die 2 protonen en 2 neutronen zijn samen het α-deeltje.
Dit is de kernreactie: Rn-215 → Po-211 + α
Po-211 heeft 2 protonen en 2 neutronen minder dan Rn-215.
Die 2 protonen en 2 neutronen zijn samen het α-deeltje.
Raadpleeg de isotopenkaart en maak een keuze uit isotopen in een geel vakje!
OEFENING
Boor-14 is een β-straler. Het dochterisotoop is C-14. Wat is er dan in de kern van het moederisotoop gebeurd?
Koolstof-14 is een β-straler. Het dochterisotoop is N-14. Wat is er dan in de kern van het moederisotoop gebeurd?
Molybdeen-99 is een β-straler. Het dochterisotoop is Tc-99. Wat is er dan in de kern van het moederisotoop gebeurd?
Raadpleeg de isotopenkaart. Kies 3 isotopen die zeker β-stralers zijn!
OPLOSSING
Dit is de kernreactie: B-14 → C-14 + β
C-14 heeft 1 neutron minder en 1 proton meer dan B-14.
In de kern van B-14 werd dus 1 neutron veranderd in 1 proton.
Dit is de kernreactie: C-14 → N-14 + β
N-14 heeft 1 neutron minder en 1 proton meer dan C-14.
In de kern van C-14 werd dus 1 neutron veranderd in 1 proton.
Dit is de kernreactie: Mo-99 → Tc-99 + β
Tc-99 heeft 1 neutron minder en 1 proton meer dan Mo-99.
In de kern van Mo-99 werd dus 1 neutron veranderd in 1 proton.
Raadpleeg de isotopenkaart en maak een keuze uit isotopen in een lichtblauw vakje!
OEFENING
Cs-137 is een β-straler. Het dochterisotoop is Ba-137 maar dat gaat pas na een tijdje helemaal stabiliseren via γ-verval. Verandert de kern van Ba-137 dan tijdens het γ-verval?
Mo-99 is een β-straler. Het dochterisotoop is Tc-99 maar dat gaat pas na een tijdje helemaal stabiliseren via γ-verval. Verandert de kern van Tc-99 dan tijdens het γ-verval?
OPLOSSING
Nee want γ-straling is deeltjesstraling. Die atoomkern verliest dus energie maar het aantal deeltjes verandert niet.
Nee want γ-straling is deeltjesstraling. Die atoomkern verliest dus energie maar het aantal deeltjes verandert niet.
OPDRACHT - ENERGIE UIT RADIOACTIEF MATERIAAL
Materiaal dat radioactief is verliest energie aan de omgeving. Die omgeving warmt daardoor op. Dat is de reden dat radioactief afval uit kerncentrales wordt opgeslagen in gekoelde ruimten. Maar je kan die thermische energie ook gebruiken om elektriciteit op te wekken.
Een radio-isotoop is een isotoop dat zal veranderen via radioactief verval. Daarbij wordt het stabieler, maar niet noodzakelijk stabiel. Als het dochterisotoop zelf niet-stabiel is, dan volgt weer een radioactief verval. Op die manier krijg je een vervalreeks (of transmutatiereeks.) tot je uitkomt op een stabiel isotoop.
Sommige zware niet-stabiele kernen vallen spontaan uit elkaar in 2 stukken. Hierbij komen vaak ook enkele neutronen vrij die op hun beurt kernreacties kunnen veroorzaken. Na dit proces volgt meestal ook nog γ-verval.
TERMINOLOGIE
We spreken van SPONTANE KERNSPLIJTING wanneer een (zware) atoomkern spontaan uit elkaar valt in lichtere stukken.
OEFENING
In onze kerncentrales wordt U-235 bekogeld met trage neutronen. Er ontstaat dan heel kort U-236. Die kern van U-236 is heel onstabiel en die valt spontaan uit elkaar in twee grote stukken en enkele neutronen.
De figuur illustreert één van de vele mogelijkheden van zo'n kernsplijting. Schrijf deze kernreactie met correcte notatie neer.
OPLOSSING
U-235 + n → [ U-236 ] → Ba-141 + Kr-92 + 3 n
Deze vaten bevatten radioactief afval. →
Blijft de inhoud ervan voor altijd radioactief? Nee!
Radioactieve isotopen zijn niet-stabiel. Ze veranderen in andere isotopen. Dat gebeurt meestal via α-straling en β-straling, waarna ook nog γ-straling uitgezonden wordt.
Als de gevormde producten ook nog radioactief zijn, dan volgt weer radioactief verval. Maar uiteindelijk veranderen alle radio-isotopen in stabiele isotopen.
Deze vaten geraken dus nooit leeg maar met de tijd vermindert de radioactiviteit.
Het gevaar van radioactieve producten vermindert met de tijd.
SIMULATIE
Met DIT REKENBLAD simuleer je wat er gebeurt als je met een voetbalstadion vol personen kop (1) of munt (0) speelt. Na elke beurt mogen de personen die munt gooiden niet meer meedoen. Hoeveel peronen blijven dan over na 1 beurt, na 3 beurten, na ... beurten?
Maak een kopie van het rekenblad..
Druk even op de START knop en autoriseer het script dat je met die knop wil uitvoeren.
KIES nu het aantal personen in het stadion en het aantal beurten dat je wil laten berekenen.
SIMULATIE
Keer terug naar HET REKENBLAD.
Vergelijk de resultaten uit het tabblad "voetbalstadion" met het tabblad "ideaal_scenario".
In het "voetbalstadion" werd kop/munt ad random gegenereerd (met 50 % kans voor elk).
In het "ideaal_scenario" werd telkens het voorgaande aantal personen gehalveerd.
Hoe groter het aantal personen waarmee je begint, hoe dichter de resultaten uit beide tabbladen bij elkaar liggen.
Vergelijk ook de wiskundige vergelijkingen van de trendlijnen!
Het kansspel in het voetbalstadion lijkt erg op het kansspel dat radio-isotopen spelen. Niet elk radio-isotoop is even stabiel of onstabiel en je kan voor een individuele atoomkern niet voorspellen wanner die precies gaat veranderen. Maar voor grote aantallen kan je dat gedrag wél voorspellen!
Elk radio-isotoop heeft een zgn. halveringstijd. Die halveringstijd is de tijd waarin de helft van een (groot) aantal van die atoomkernen verandert.
OEFENING
Alexander Litvinenko werd "vergiftigd" met 10 microgram van de alfastraler Po-210.
Over hoeveel atoomkernen Po-210 ging het dan?
OPLOSSING
Gebruik de formule voor de molaire massa: M = m/n
Dus n = m/M
Zeg dat de molaire massa hier 210 g/mol is.
Dan vertegenwoordigt 10 μg een hoeveelheid van 4,76∙10-8 mol
want:
n = ( 10∙10-6 g ) / ( 210 g/mol ) = 4,76∙10-8 mol
We gebruiken nu de constante van Avogadro:
1 mol = 6,02214076∙1023 deeltjes
We vinden dus :
N = ( 4,76∙10-8 ) ∙ ( 6,02214076∙1023 ) = 3,143911464761904∙1016 atoomkernen.
Dat is dus inderdaad een héél groot aantal niet-stabiele atoomkernen!
OEFENING
Po-210 heeft een halveringstijd 138,4 dagen.
F-20 heeft een halveringstijd van 11,07 s.
Wat zegt de halveringstijd nu over de stabiliteit van die twee radio-isotopen?
OPLOSSING
De atoomkernen van Po-210 zijn veel stabieler dan die van F-20.
De tijd waarin de helft van een hoeveelheid Po-210 verandert is, is véél langer dan de tijd waarin de helft van een hoeveelheid F-20 verandert is.
GROOTHEID - HALVERINGSTIJD
De HALVERINGSTIJD (H) van een radio-isotoop is de tijd waarin een willekeurige (maar wel grote) hoeveelheid van dat radio-isotoop verminderd is tot de helft.
Hoe minder stabiel een radio-isotoop, hoe kleiner de halveringstijd.
De halveringstijd van de betastraler I-131 bedraagt 8 dagen. Elke 8 dagen verandert de helft van het I-131 in Xe-131.
Deze tabel geeft enkele halveringstijden voor een aantal radio-isotopen. Merk op hoeveel verschil er zit tussen de tijden. Van milliseconden tot miljarden jaren!
SIMULATIE
Bestudeer hoe de grafiek van het radioactief verval verandert als je de halveringstijd verandert en/of de hoeveelheid radio-isotoop waarmee je start.
SIMULATIE
Gebruik de Radioactive decay simulator van Acadamo om te visualiseren wat halveringstijd precies wil zeggen.
OEFENING
Beoordeel de volgende uitspraak. Is die juist of fout? En waarom?
"De activiteit van een stuk radioactief besmette grond neemt af met de tijd."
ANTWOORD
Correct!
De hoeveelheid radioisotopen neemt af omdat die vervallen.
Hoe minder radioisotoop, hoe minder kernen gaan vervallen in een bepaalde tijd.
OEFENING
Het radio-isotoop H-3 is een betastraler met halveringstijd 12,32 jaar. Is de volgende uitspraak juist of fout?
"Als ik een hoeveelheid H-3 heb, dan is die helemaal verdwenen na 24,64 jaar."
ANTWOORD
De uitspraak is niet correct.
24,64 jaar is 2 halveringstijden.
Na 12,32 jaar is de helft van mijn H-3 vervallen.
Na nóg eens 12,32 jaar is hiervan weer de helft vervallen.
Ik hou na 24,64 jaar dus nog 1/4 van de oorspronkelijke hoeveelheid over.
OEFENING
Gebruik een online bron om de halveringstijd te vinden van de volgende isotopen.
radon-222
chroom-58
neon-21
OPLOSSING
radon-222 (Rn-222) → 3,8 dagen
chroom-58 (Cr-58) → 7 seconden
neon-21 (Ne-21) → géén halveringstijd want dit isotoop is stabiel!
OEFENING
Rangschik de isotopen zuurstof-18, zuurstof-20 en zuurstof-22 van stabieler naar minder stabiel. Gebruik een online bron om dit te vinden.
OPLOSSING
Een isotoop met een langere halveringstijd is stabieler.
Dus van stabieler naar minder stabiel: zuurstof-18, zuurstof-20, zuurstof-22
OEFENING
Po-210 heeft een halveringstijd 138,4 dagen.
Na-25 heeft een halveringstijd van ongeveer 1 minuut.
Veronderstel dat je in een labo start met een monster Po-210 en een monster Cu-67. Beide monsters hebben een gelijk aantal atoomkernen van het radio-isotoop dat erin zit.
Vergelijk het stralingsgevaar van beide monsters.
OPLOSSING
Als je op dat moment in de buurt bent is het monster met Na-25 het gevaarlijkst. Dat heeft een erg korte halveringstijd. Die atoomkernen zullen dus erg snel gaan veranderen en het monster zal dus in korte tijd veel straling uitzenden.
Het voordeel van Na-25 is dat die atoomkernen al na een korte tijd allemaal gaan veranderd zijn in het stabiele Mg-25. Als je een uur wacht is de radioactiviteit van het monster met Mg-25 zeker niet meer groter dan de natuurlijke achtergrondstraling. Het monster met Po-210 blijft nog lang radioactief.
Hoe gevaarlijk radioactief materiaal is, hangt af van:
wélk materiaal het is.
hoeveel van dat materiaal er is.
1 μmol fluor-20-atomen, met een kleine halveringstijd (H = 11 s), zal in een bepaalde tijd meer straling uitzenden dan 1 μmol kalium-40-atomen, die een (zeer) lange halveringstijd hebben (H = 1,28 miljard jaar).
1 μmol fluor-20-atomen zal in een bepaalde tijd 1000 maal zoveel straling uitzenden dan 1 nmol fluor-20-atomen.
OEFENING
Beoordeel de volgende uitspraak. Is die juist of fout? En waarom?
"Een groot vat met radioactief afval is altijd gevaarlijker dan een klein vat met radioactief afval."
ANTWOORD
Dat hangt er van af.
Als het om dezelfde radioisotopen gaat dan is de uitspraak correct want een dubbele hoeveelheid niet-stabiele atoomkernen geeft dubbel zoveel straling.
Maar als in het grote vat radio-isotopen zitten met een héél lange halveringstijd en in het kleine vat radio-isotopen zitten met een korte halveringstijd, dan zal uit het kleine vat waarschijnlijk het meeste straling komen.
OEFENING
Veel biochemische processen kennen een exponentiële afname. Het geneesmiddel ibuprofen heeft een halveringstijd van 1,8 uur. Stel dat iemand een tablet ibuprofen 600 mg inneemt en de de plasmaconcentratie na ongeveer 2 uur een maximum bereikt van 40 mg/L.
Na minimum hoeveel tijd na inname zakt de plasmaconcentratie dan tot 10 mg/L? Vanaf dit moment is het effect onvoldoende en moet een nieuwe dosis worden ingenomen.
OPLOSSING
Exponentiële afname van 40 mg/L tot 10 mg/L, dat is 2 keer een halvering.
Dat duurt dus 2 halveringstijden = 3,6 uur.
De plasmaconcentratie zal dan 5,6 uur na inname gedaald zijn tot 10 mg/L.
OPMERKING.
Eigenlijk duurt het iets langer want ook ná het bereiken van de piekconcentratie wordt er nog wat ibuprofen opgenomen via de dunnen darm.
... VIND JE IN JE WERKBOEK.
OPDRACHT
Lees hoe metingen met het radio-isotoop C-14 ons helpen om te begrijpen hoe de oceanen CO₂ absorberen.
SIMULATIE
Radio-isotopen kunnen worden gebruikt om de ouderdom van dingen te bepalen.
Gebruik de simulatie Radioactive Dating Game van PHET om dingen te dateren.