Waarom treedt radioactief verval op?

Radioactief verval is het spontane proces waardoor een onstabiel proces atoomkern breekt in kleinere, stabielere fragmenten. 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 te veel energie in de kern om alle nucleonen bij elkaar te houden. De status van de elektronen van een atoom maakt niet uit voor verval, hoewel ook zij hun eigen manier hebben om stabiliteit te vinden. Als de kern van een atoom onstabiel is, zal het uiteindelijk uit elkaar vallen om ten minste een deel van de deeltjes te verliezen waardoor het onstabiel wordt. De oorspronkelijke kern wordt de ouder genoemd, terwijl de resulterende kern of kernen de dochter of dochters worden genoemd. De dochters misschien nog wel radioactief zijn, uiteindelijk in meer delen breken, of ze kunnen stabiel zijn.

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

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

Bij bèta-verval wordt een stroom elektronen, bètadeeltjes genoemd, uit de ouder uitgestoten 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.

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

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 gedurende lange tijd niet uit elkaar vallen. Dit betekent dat stabiele isotopen die zijn die nooit breken, zoals protium (bestaat uit één proton, dus er valt niets meer te verliezen), en radioactieve isotopen, zoals tellurium -128, dat heeft een halfwaardetijd van 7,7 x 10²⁴ jaar. Radio-isotopen met een korte halfwaardetijd worden onstabiele radio-isotopen genoemd.

Je zou kunnen aannemen dat een kern in stabiele configuratie hetzelfde aantal protonen zou hebben als neutronen. Voor veel lichtere elementen geldt dit. 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: Koolstof-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 het voor onbepaalde tijd bij elkaar te houden.

Maar naarmate je naar atomen gaat die meer protonen bevatten, worden isotopen steeds stabieler met een overmaat aan neutronen. Dit komt omdat de nucleonen (protonen en neutronen) niet op hun plaats in de kern zitten, 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 verhouding van neutronen tot protonen, of N: Z-verhouding, is de primaire factor die bepaalt of een atoomkern al dan niet stabiel is. Lichtere elementen (Z <20) hebben bij voorkeur hetzelfde aantal protonen en neutronen of N: Z = 1. Zwaardere elementen (Z = 20 tot 83) geven de voorkeur aan een N: Z-verhouding van 1,5 omdat er meer neutronen nodig zijn om te isoleren tegen de afstotende kracht tussen de protonen.

Er zijn ook zogenaamde magische getallen, dit zijn getallen van 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 equivalent 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).

Een laatste opmerking: of een kern vervalt 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.

Kunt u een quiz over radioactiviteit?