Radioactiviteit – straling door verval en splijting
Radioactiviteit is een natuurkundig fenomeen waarbij een atoomkern van een chemische stof spontaan vervalt en straling uitzendt.
In de natuur komt radioactiviteit voor bij ertsafzettingen van met name uranium en thorium, en als achtergrondstraling. Straling kan ook kunstmatig worden geproduceerd, bijvoorbeeld in een kerncentrale of met een kernwapen.
De straling die vrijkomt van radioactieve stoffen (ioniserende straling) wordt in het algemeen ‘radioactieve straling’ genoemd.
Radioactieve straling is een gevaar voor levende wezens.
Voor het begrijpen van radioactiviteit is het van belang de stralingsbron, de soorten straling en de ontvanger van de straling te onderscheiden.
De stralingsbron bij radioactiviteit is de kern van een atoom. Straling is het overbrengen van energie zonder dat er tussenstof nodig is om deze energie over te brengen. De ontvanger kan bijvoorbeeld een mens zijn.
§1 RADIOACTIVITEIT DOOR VERVAL
De bron van radioactieve straling is de atoomkern. Als een atoomkern instabiel is, heeft deze de neiging stabiel te willen worden. Dit gebeurt door de kern te veranderen en overtollige deeltjes en energie uit te stralen. Dit natuurlijke proces heet radioactief verval.
Er zijn verschillende manieren ontdekt waarop een kern kan vervallen en straling uit kan zenden. De soorten verval die in de natuur het meest voorkomen zijn alfaverval, bètaverval en gammaverval – met het respectievelijk uitzenden van alfastraling, bètastraling en gammastraling.
Deze soorten straling hebben verschillende toepassingen in de techniek, maar komen ook vrij bij een kernexplosie.
Alfastraling en bètastraling vindt plaats in de vorm van deeltjesstraling: de energie wordt overgebracht door het uitzenden van deeltjes met hoge snelheid.
Gammastraling is een elektromagnetische straling. Hierbij wordt energie in de vorm van een foton met de lichtsnelheid uitgezonden. Gammafotonen zijn geen deeltjes zoals alfadeeltjes en bètadeeltjes: ze hebben namelijk geen massa.
Een maat voor de snelheid waarmee een radioactieve stof vervalt heet de halfwaardetijd. Het is de tijd waarna van de oorspronkelijke hoeveelheid stof nog precies de helft over is.
- ALFASTRALING (α-straling)
Een atoomkern kan een deeltje uitzenden dat bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Dit heet een alfadeeltje (α-deeltje). Daarom wordt de straling alfastraling genoemd. Een alfadeeltje is in feite een heliumkern (He2+), een helium-ion. Helium-ionen komen behalve als straling, verder in de natuur niet voor.
Elke isotoop zendt alfadeeltjes uit met dezelfde snelheid. Deze snelheid is wel voor elke radioactieve stof anders – de snelheid bedraagt zo’n 1 tot 10% van de lichtsnelheid (300.000 km/s). Een alfadeeltje heeft veel meer energie dan een normale heliumkern (rond 1 miljoen maal meer). Deze energie zit voornamelijk in de snelheid (kinetische energie).
Als een kern een alfadeeltje uitzendt, verliest die kern twee protonen. Het atoom wordt hierdoor een ander element: het atoom vervalt naar een lichter element, twee atoomnummers lager. Het massagetal wordt verlaagd met 4 (twee protonen en twee neutronen).
Zo vervalt bijvoorbeeld Uranium-238 naar Thorium-234 terwijl tegelijkertijd een alfadeeltje wordt uitgezonden.
Thorium-234 is zelf ook weer radioactief, en zal ook weer vervallen (vervalreeks). Dit gaat door totdat een stabiele kern wordt gevormd.
- BÈTASTRALING (β-straling)
Bij bètastraling verandert in de atoomkern een neutron in een proton en een elektron. Het elektron (bètadeeltje) wordt met grote snelheid als straling weggeschoten. Deze straling gaat bijna met de lichtsnelheid. De energie van een normaal elektron staat voor 1 eV (elektronvolt). Een bètadeeltje heeft veel meer energie: 10.000 eV tot een miljoen eV.
Het proton dat ontstaat blijft achter in de kern. Met één proton meer verandert het atoom van element – het atoom verandert naar één atoomnummer hoger in het periodiek systeem. Het massagetal van het atoom blijft ongewijzigd.
Zo vervalt bijvoorbeeld Thorium-234 naar Protactinium-234 onder het uitzenden van een bètadeeltje. Het atoomnummer verandert van 90 naar 91.
Protactinium-234 is ook weer radioactief, en zal ook weer vervallen (vervalreeks). Dit gaat door totdat een stabiele kern wordt gevormd.
- GAMMASTRALING (γ-straling)
Tijdens alfa- en bètaverval zendt een atoomkern ook vaak elektromagnetische straling uit. Deze straling is energie in de vorm van een foton en heet een gammadeeltje (γ-deeltje). De straling wordt gammastraling genoemd.
Als een kern gammastraling uitstoot verliest het atoom energie in de vorm van een foton. Gammafotonen gaan met de lichtsnelheid. Bij alleen maar gammastraling blijft het atoomnummer en massagetal ongewijzigd.
§2 RADIOACTIVITEIT DOOR SPLIJTING
- NEUTRONENSTRALING
In een kerncentrale en in een kernbom worden instabiele atoomkernen beschoten met neutronen. Als een neutron op een kern botst, kan de kern splijten. Hierdoor ontstaan er twee of meerdere kleinere kernen. De straling die ontstaat heet neutronenstraling. Neutronenstraling is een deeltjesstraling.
