Embedded Files
Alles in onze omgeving zendt een beetje ioniserende straling uit. Onze omgeving is een klein beetje radioactief. Om dit te begrijpen moeten we gaan kijken hoe een atoomkern is opgebouwd want radioactieve straling is ioniserende straling die uit atoomkernen komt. Daarom spreken we ook van kernstraling.
Atomen en elementen
Atomen en elementen
Alle stoffen (moleculen) zijn opgebouwd uit atomen. In de natuur vind je 92 verschillende atoomsoorten. Die fundamentele bouwstenen noemen we de 92 elementen.
Elk atoom bezit een atoomkern. Daarrond bewegen negatief geladen deeltjes die we elektronen noemen. De kern zelf is opgebouwd uit positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Die laatste twee soorten deeltjes noemen we de kerndeeltjes of nucleonen.
Model van een (ongeladen) atoom lithium (Li).
Z = 3
Het chemisch gedrag van een atoom wordt bepaald door het aantal protonen. Het aantal protonen noemen we het atoomnummer (Z).
Normaal is een atoom neutraal geladen. Elke positieve lading (proton) in de kern houdt een negatieve lading (elektron) rond de kern vast.
Elk atoom met 3 protonen houdt dus 3 elektronen vast. Je vindt het atoom terug in het periodiek systeem bij het nummer 3: lithium (Li).
TERMINOLOGIE
Het ATOOMNUMMER (symbool: Z) is het aantal protonen in de kern van een atoom.
Periodiek systeem van de elementen met atoomnummers.
(KLIK voor meer informatie.)
OEFENING
Hoeveel protonen heeft een atoom van het element chroom (Cr)?
Wat is het atoomnummer van een neutraal geladen atoom met 20 elektronen?
Welk element krijg ik als het me zou lukken om een proton te verwijderen uit de kern van een atoom stikstof (N)?
Hoeveel neutronen heeft een atoom ijzer?
OPLOSSING
Hoeveel protonen heeft een atoom van het element chroom (Cr)? → 24
Wat is het atoomnummer van een neutraal geladen atoom met 20 elektronen? → Z = 20 (want het atoom is neutraal en dus zijn er ook 20 protonen)
Welk element krijg ik als het me zou lukken om een proton te verwijderen uit de kern van een atoom stikstof (N)? → koolstof (C) want stikstof heeft 7 protonen en koolstof 6
Hoeveel neutronen heeft een atoom ijzer? → Dat weet ik niet want dat staat niet in het periodiek systeem.
Isotopen
Isotopen
Het eenvoudigste atoom is het waterstofatoom (H). De kern van dit atoom bestaat uit 1 proton. Daarrond beweegt 1 elektron. Er bestaan ook waterstofatomen waarbij de kern, naast een proton, ook een neutron bevat. Slechts 0,015 % van alle waterstofatomen is zo opgebouwd. In laboratoria maken technici en onderzoekers ook kunstmatige waterstofatomen waarvan de kern, naast het proton, 2 neutronen bevat.
Drie isotopen van het element waterstof.
Van elk element bestaan verschillende soorten. Al deze verschillende soorten van hetzelfde element hebben hetzelfde aantal protonen (en dus hetzelfde atoomnummer). Ze hebben een verschillend aantal neutronen (N). Die verschillende versies van één element noemen we de isotopen van dat element.
De chemische eigenschappen van een element worden grotendeels bepaald door het aantal elektronen dat het met zich meedraagt. Alle isotopen van een element hebben hetzelfde aantal protonen in de kern en dus hetzelfde aantal elektronen. Daarom gedragen alle isotopen van eenzelfde element zich in chemische reacties identiek. Dat is de reden waarom het tot in de 20e eeuw heeft geduurd vooraleer onderzoekers door hadden dat het ene koolstofatoom het andere niet is.
Om de isotopen van één element te onderscheiden schrijven we hun naam (of hun symbool) en schrijven we ook het aantal deeltjes in de atoomkern (= aantal protonen + aantal neutronen). Dat getal noemen we het massagetal. Het massagetal krijgt het symbool A.
TERMINOLOGIE
De ISOTOPEN van een element zijn de varianten van dat element met een verschillende hoeveelheid neutronen.
TERMINOLOGIE
Het MASSAGETAL (A) van een isotoop is het aantal deeltjes in de kern. Het massagetal is dus de som van het aantal protonen (Z) en het aantal neutronen (N)
NOTATIE
Isotopen van een element duiden we aan met de naam of het symbool van het element en minstens ook het massagetal. Er zijn 3 gangbare notaties:
Dit is een isotoop van het element boor (B) met correcte notaties:
OEFENING
Hoeveel protonen heeft het isotoop koolstof-14?
Hoeveel neutronen heeft het isotoop koolstof-14?
Hoeveel neutronen heeft het isotoop zuurstof-18?
Wat is het massagetal van het isotoop ijzer-56?
OPLOSSING
Hoeveel protonen heeft het isotoop koolstof-14? → Z = 6
Hoeveel neutronen heeft het isotoop koolstof-14? → N = 8
Hoeveel neutronen heeft het isotoop zuurstof-18? → N = 10
Wat is het massagetal van het isotoop ijzer-56? → A = 56
OEFENING
De figuur hieronder stelt atoomkernen voor. De protonen zijn de rode cirkels. Over welke isotopen gaat het?
OPLOSSING
Van links neer rechts: helium-3, helium-4, lithium-6, lithium-7.
Van de meeste elementen vind je in de natuur een mengeling van isotopen. Bekijk even de tabel hieronder. Je ziet dat je van berylium maar 1 isotoop in de natuur vindt. In een hoeveelheid boor vind je in de natuur 2 isotopen: 19,65 % B-10 en 80,35 % B-11.
De stabiele isotopen van de lichtste 6 elementen die je in de natuur vindt. (BRON)
Alle isotopen van een element hebben dezelfde chemische eigenschappen. Je kan isotopen dus niet chemisch van elkaar scheiden. Maar de fysische eigenschappen van de isotopen van eenzelfde element verschillen wél want hun massa is niet gelijk! Je kan dus met een fysisch proces verschillende isotopen van een element van elkaar scheiden en zo de verhouding bepalen. Dat kan worden gedaan met een proces dat isotope-ratio mass spectrometry (IRMS) heet.
Bij forensisch onderzoek wordt IRMS soms ingezet maar bijvoorbeeld ook in de klimaatwetenschappen.
Wat de temperatuur van zeewater in het verleden was, kan je achterhalen door de verhouding te bepalen van de isotopen O-16 en O-18 in het ijs op Antarctica. Wetenschappers boren dus in het ijs op Antarctica om boorkernen op te halen en te onderzoeken want hoe dieper je boort, hoe ouder het ijs.
De atomaire massa-eenheid
De atomaire massa-eenheid
De definitie van de atomaire massa-eenheid is gebaseerd op de massa van een isotoop van koolstof, nl. het isotoop koolstof-12.
DEFINITIE
Eén ATOMAIRE MASSA-EENHEID (1 u of 1 amu) is 1/12 van de massa van één koolstof-12-atoom.
In deze definitie van de atomaire massa-eenheid is elk woord belangrijk. Het gaat hier over een koolstof-12-atoom, níet over een koolstof-12-atoomkern! De massa van de 6 elektronen wordt dus meegerekend!
Protonen en neutronen hebben ongeveer (!!!) dezelfde massa. Uit de definitie van de amu volgt dus dat 1 atomaire massa-eenheid is ongeveer (!!!) gelijk is aan de massa van een proton of een neutron.
Het massagetal (A) van een isotoop is dus ook de massa van dat isotoop, uitgedrukt in amu.
OEFENING
In het periodiek systeem vind je bij elk element de zgn. relatieve atoommassa.
Merk op dat de relatieve atoommassa van koolstof niet 12 is maar wel 12,011.
Toon aan dat die relatieve atoommassa het gewogen gemiddelde is van de atoommassa's van C-12 en C-13.
Je vindt ze op aarde in deze verhoudingen:
C-12 → 98,94 %
C-13 → 1,06 %
OPLOSSING
12,011 = ( 0,9894 x 12 ) + ( 0,0106 x 13 )
OEFENING
In een hoeveelheid boor vind je in de natuur 2 isotopen volgens vaste verhoudingen:
B-10 → 19,65 %
B-11 → 80,35 %
Welke relatieve atoommassa ga je dus terugvinden in het periodiek systeem?
OPLOSSING
( 0,1965 x 10 ) + ( 0,8035 x 11 ) = 10,804
Merk op dat deze waarde niet hélemaal overeenkomt met wat in het periodiek systeem vermeld staat.
Je leert waarom dat is als we het hebben over bindingsenergie en massadefect.
Stabiele en niet-stabiele isotopen
Stabiele en niet-stabiele isotopen
Een atoomkern bestaat uit positief geladen protonen en neutraal geladen neutronen. Maar die positief geladen protonen stoten elkaar dus af en die elektrostatische afstoting is héél groot. Dat wil dus zeggen dat er nog een andere kracht moet zijn die die elektrostatische afstoting tegenwerkt. Die kracht werd in de 20e eeuw gevonden en kreeg de naam sterke kernkracht.
OEFENING
Als we het over atoomkernen hebben, spreken we over afstanden van de orde van femtometers (fm). Bereken hoe groot de elektrische afstotingskracht tussen 2 protonen is als die zich op een afstand van 1 fm bevinden.
OPLOSSING
***
TERMINOLOGIE
De STERKE KERNKRACHT of sterke wisselwerking is de aantrekkingskracht die de protonen en neutronen in een atoomkern op elkaar uitoefenen
Merk op dat de sterke kernkracht ook wordt uitgeoefend door neutronen, terwijl diezelfde neutronen geen elektrische interactie hebben. De neutronen kan je dus a.h.w. zien als de lijm die de kerndeeltjes bij elkaar houdt. De neutronen zorgen ervoor dat een atoomkern stabiel is.
SIMULATIE
Gebruik de simulaties om zelf isotopen te bouwen en bestudeer of die stabiel zijn of onstabiel. Merk op dat je atoomkern niet-stabiel is als je te weinig neutronen gebruikt. Maar gebruik je te veel neutronen, dan is je kern ook niet stabiel.
Je mag een atoomkern vergelijken met een huis. Een huis kan je bouwen met stenen en cement. Als je te veel stenen en te weinig cement gebruikt, is je constructie niet stabiel. Maar ook omgekeerd! Als je te veel cement en te weinig stenen gebruikt, is je constructie ook niet-stabiel.
In een atoomkern zijn de protonen als de stenen. De neutronen zijn dan als het cement om die bij elkaar te houden. Een atoomkern kan dus niet een willekeurig aantal neutronen hebben. Heeft een atoomkern te veel of te weinig neutronen, dan is die kern niet-stabiel. De kern gaat (vroeg of laat) veranderen. Het atoom is dan radioactief. We noemen het een radio-isotoop. Het gaat ioniserende straling uitzenden om uiteindelijk wél stabiel te worden.
VOORBEELDEN
Jood-127 → Z = 53, N =74 → stabiel
Jood-123 → Z = 53, N = 70 → niet-stabiel en dus radioactief (te weinig neutronen)
Jood-131 → Z = 53, N = 78 → niet-stabiel en dus radioactief (te veel neutronen).
Die laatste twee gaan radioactief verval vertonen om op die manier de verhouding tussen het aantal protonen en het aantal neutronen in de kern gunstig te maken. Radio-isotopen hebben dus een beperkte levensduur (zie verder)!
TERMINOLOGIE
De verhouding tussen het aantal protonen en het aantal neutronen bepaalt of een atoomkern STABIEL of NIET-STABIEL is.
Een niet-stabiele atoomkern zal uiteindelijk veranderen in iets anders. Tijdens de verandering zendt hij ioniserende straling uit. Een niet-stabiel isotoop noemen we daarom een RADIO-ISOTOOP. We spreken ook van een RADIOACTIEF ISOTOOP.
De isotopenkaart
De isotopenkaart
Een isotopenkaart is géén periodiek systeem zoals je kent uit de chemie!
In een isotopenkaart worden alle bekende isotopen met hun eigenschappen opgelijst voigens de volgende afspraak:
op de x-as van een isotopenkaart staat het aantal neutronen (N).
op de y-as van een isotopenkaart staat het aantal protonen (Z).
OEFENING
Hoe vind ik in een isotopenkaart snel alle bekende isotopen van koolstof (C)?
Hoe vind ik in een isotopenkaart snel alle bekende isotopen met 7 neutronen?
Hoe vind ik in een isotopenkaart snel alle bekende isotopen met 30 kerndeeltjes?
OPLOSSING
In een isotopenkaart vind ik:
in een rij alle isotopen van een element want die hebben een gelijk aantal protonen (Z).
in een kolom alle isotopen met een gelijke hoeveelheid neutronen (N).
Alle bekende isotopen van koolstof (C) staan dus in de rij met Z = 6.
Alle bekende isotopen met 7 neutronen staan in de kolom met N = 7.
Die zitten op een schuine lijn die zo loopt \ , door Z = 15 en N = 15
Je vindt online isotopenkaarten. Bijvoorbeeld de isotopenkaart van the International Atomic Energy Agency (IAEA).
Ga naar de isotopenkaart van de IAEA.
In een isotopenkaart worden de stabiele isotopen meestal met een zwart vakje aangeduid.
De niet-stabiele isotopen krijgen een gekleurd vakje waarin de kleur weergeeft wat de meest voorkomende manier is waarop ze veranderen.
OEFENING
Gebruik de isotopenkaart van the International Atomic Energy Agency.
Hoeveel stabiele isotopen van calcium (Ca) zijn er?
Is koolstof-14 (C-14) stabiel of niet-stabiel?
Is een isotoop met 7 protonen en 6 neutronen stabiel? Welk isotoop is het?
Is een isotoop met 7 protonen en 10 neutronen stabiel? Welk isotoop is het?
Hoeveel percent van alle neon (Ne) is het isotoop Ne-20?
OPLOSSING
Hoeveel stabiele isotopen van calcium (Ca) zijn er? → 5
Is koolstof-14 (C-14) stabiel of niet-stabiel? → niet-stabiel
Is een isotoop met 7 protonen en 6 neutronen stabiel? Welk isotoop is het? → niet-stabiel, N-13
Is een isotoop met 7 protonen en 10 neutronen stabiel? Welk isotoop is het? → niet-stabiel, N-17
Hoeveel percent van alle neon (Ne) is het isotoop Ne-20? → 90,48 %
EXTRA OEFENINGEN
EXTRA OEFENINGEN
... VIND JE IN JE WERKBOEK.
Page updated
Report abuse