Kernstraling (radioactiviteit)

In zware, niet-stabiele atoomkernen kunnen vrij makkelijk pakketjes van 2 protonen en 2 neutronen vormen. Die zijn heel sterk aan elkaar gebonden en worden met grote snelheid uit de kern van het radio-isotoop gestoten. Ze dragen zoveel energie mee dat ze met gemak erg veel elektronen kunnen losmaken van atomen. α-straling is dus sterk ioniserend!

Merk op dat α-stralen dus eigenlijk héél snelle He-4 atoomkernen zijn die uit de kern van een moederisotoop worden geschoten. Nadat ze hun energie zijn kwijtgeraakt zijn ze niet meer gevaarlijk. Ze hebben dan onderweg ergens 2 elektronen opgepikt en het zijn dan heel gewone heliumatomen geworden.

Radio-isotopen die vervallen via α-straling zijn een bron van natuurlijke radioactiviteit.

Via α-straling krijg je een dochterisotoop dat stabieler is dan het moederisotoop.

Het dochterisotoop heeft 2 protonen en 2 neutronen minder dan het moederisotoop.

In niet-stabiele atoomkernen kan een neutron worden omgezet naar een proton. Hierbij ontstaat meteen ook een elektron (en een antineutrino). Het elektron wordt met grote snelheid uit de kern van het radio-isotoop gestoten. Ze dragen zoveel energie mee dat ze andere elektronen kunnen losmaken van atomen. β-straling is dus ioniserend!

Merk op dat β-stralen dus eigenlijk héél snelle elektronen zijn die uit de kern van een moederisotoop worden geschoten. Nadat ze hun energie zijn kwijtgeraakt zijn ze niet meer gevaarlijk. Ze worden gevangen door een atoom en het zijn dan heel gewone elektronen geworden.

Radio-isotopen die vervallen via β-straling zijn een bron van natuurlijke radioactiviteit.

Via β-straling krijg je een dochterisotoop dat stabieler is dan het moederisotoop.

Het dochterisotoop heeft 1 proton meer en 1 neutron minder dan het moederisotoop.

Merk op dat tijdens de omzetting van een neutron naar een proton niet alleen een elektron ontstaat. Dit exotische deeltje is een antineutrino. Een antineutrino is het antideeltje van een neutrino. Het is dus antimaterie!

Tijdens β-verval wordt de energie die vrijkomt verdeeld tussen het elektron en het antineutrino. 

Neutrino's en antineutrino's interageren bijna niet met andere elementaire deeltjes. We hoeven ze dus ook niet mee te tellen als we het hebben over ioniserende straling. 

γ-stralen zijn een vorm van elektromagnetische straling maar dan wel met een zeer grote energie. Een atoom zendt één of meerdere gammastralen uit na α- of β-verval van een kern. Dat komt omdat de overblijvende kerndeeltjes meestal nog op het juiste energieniveau terecht moeten komen nadat de α-straal of de β-straal werd uitgezonden.

γ-stralen zijn pakketjes energie. Ze dragen zoveel energie mee dat ze elektronen kunnen losmaken van atomen. γ-straling is dus ioniserend!

Radio-isotopen die vervallen via γ-straling zijn een bron van natuurlijke radioactiviteit.

Via γ-straling krijg je een dochterisotoop met minder energie dan het moederisotoop.

Het dochterisotoop is hetzelfde als het moederisotoop, maar dan met minder energie.

Merk op dat bij massagetal van het moederisotoop de letter m staat. Die schrijven we om aan te duiden dat het hier gaat over een atoomkern die zijn gammastraal nog moet uitzenden. (En eigenlijk mogen we hier niet spreken over het moederisotoop wat het gaat over een isotoop dat overblijft na radioactief verval. Het is dus eigenlijk al een dochterisotoop.)

Vervalreeksen

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.

Er zijn 3 vervalreeksen die van nature voorkomen. Ze eindigen, via alfa- en beta-verval alle drie in een stabiel isotoop van het element lood (Pb):

• Th-232 → ... → Pb-208 (FIGUUR)

• U-235 → ... → Pb-207 (FIGUUR)

• U-238 → ... → Pb-206 (FIGUUR)

Andere types nucleair verval

POSITRONSTRALING (β⁺)

Deze straling komt voornamelijk voor bij kunstmatig gemaakte isotopen. Deze straling bestaat uit snelle positronen. Positronen lijken op positief geladen “elektronen”. Het zijn de anti-deeltjes van elektronen. Daarom wordt positronstraling ook beta-plus-straling (β⁺) genoemd.

ELECTRON CAPTURE

Electron capture is het proces waarbij een atoomkern met te veel protonen een elektron uit de elektronenschil vangt. Een proton en het elektron vormen dan samen een neutron, waarbij een neutrino wordt uitgezonden. Electron capture lijkt erg op β⁺-verval.

Het uitgestoten neutrino is niet gevaarlijk want dat kan geen atomen ioniseren. Het dochterisotoop zal nog wel verder stabiliseren via γ-verval.

Via electron capture krijg je een dochterisotoop dat stabieler is dan het moederisotoop.

Het dochterisotoop heeft 1 proton minder en 1 neutron meer dan het moederisotoop.

PROTONSTRALING

De naam protonstraling spreekt voor zich: de onstabiele kern stoot een proton uit. Dit proton heeft zoveel energie dat het atomen kan ioniseren. Protonstraling is ioniserend!

Via protonstraling krijg je een dochterisotoop dat stabieler is dan het moederisotoop.

Het dochterisotoop heeft 1 proton minder dan het moederisotoop.

De naam neutronstraling spreekt voor zich: de onstabiele kern stoot een neutron uit. Dit neutron zal op zich niet ioniserend zijn maar het kan wel worden ingevangen door andere atoomkernen die daardoor niet-stabiek worden en zelf gaan vervallen. Neutronstraling is dus indirect ioniserend!

Via neutronstraling krijg je een dochterisotoop dat stabieler is dan het moederisotoop.

Het dochterisotoop heeft 1 neutron minder dan het moederisotoop.

SPONTANE KERNSPLIJTING

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.