6. Ioniserende straling (radioactiviteit)

Samenvatting voor natuurkunde: Ioniserende straling (deel 3) - Waar komt straling vandaan en wat kunnen we ermee?

Waar komt ioniserende straling vandaan?

Ioniserende straling is altijd overal om ons heen. Het komt deels uit de ruimte en deels uit de aardkorst. De straling die uit de ruimte komt noemen we ook wel kosmische straling. Kosmische straling en de straling die uit de aardkorst komt vormen samen de achtergrondstraling. Die is er altijd en overal, maar het is maar heel weinig en kan als zodanig geen kwaad voor mensen. Een andere bron van ioniserende straling is radioactief verval. Om goed te begrijpen wat dat inhoudt, werpen we nu eerst een blik op de structuur van atomen.

Atomen

Zoals ook in de eerste video over ioniserende straling naar voren kwam, bestaat alles uit atomen. De atomen zelf bestaan uit een positief elektrisch geladen atoomkern met een negatief elektrisch geladen elektronenwolk er omheen. De atoomkern zelf bestaat op zijn beurt uit positief geladen protonen en elektrisch neutrale neutronen.

Massagetal van een atoomkern

We kunnen een atoomkern karakteriseren aan de hand van het aantal protonen en neutronen waaruit hij bestaat. Het aantal protonen noemen we ook wel het atoomnummer, en schrijven we als Z. Het atoomnummer bepaalt met wat voor soort atoom we te maken hebben. Een atoomkern met atoomnummer Z=6 hoort bijvoorbeeld bij een koolstofatoom. Het aantal neutronen in een atoomkern heeft geen naam, maar we schrijven het op als N. Het aantal protonen en neutronen samen, noemen we ook wel het massagetal van de atoomkern en we schrijven het als A. A is dus gelijk aan Z+N.

Isotopen

Een standaard koolstofatoom heeft een atoomnummer Z=6 en een massagetal A=12. In de kern zitten dus 6 protonen en 12-6=6 neutronen. Er komen echter ook koolstofatomen voor met 7 of 8 neutronen in de kern. Die hebben dus nog steeds atoomnummer 6, maar respectievelijk massagetal 13 of 14. Atomen met hetzelfde atoomnummer, maar met verschillende massagetallen, noemen we isotopen. De verschillende isotopen van koolstof noteren we zo: 612C, 613C, 614C (bekijk de video voor een preciezere weergave).

De letter C geeft aan dat het om een koolstofatoom gaat. Het bovenste getal geeft het massagetal aan van de isotoop van koolstof waar het om gaat. Het onderste getal geeft de lading van het deeltje aan. Die is voor atoomkernen gelijk aan het atoomnummer, want alleen de protonen in de kern hebben een lading. Het onderste getal moet voor koolstof dus altijd 6 zijn.

Een ander voorbeeld: De meest voorkomende isotopen van Uranium zijn: 92234U, 92235U en 92238U. Het atoomnummer is altijd 92, want uraniumatomen hebben 92 protonen in de kern. De massagetallen van de verschillende isotopen zijn 234, 235 en 238. Dat betekent dat ze respectievelijk 142, 143 en 146 neutronen in de kern hebben. 234-92 is immers 142, 235-92 is 143 en 238-92=146 Als je wilt weten welk atoomnummer bij welke atoomsoort hoort en welke isotopen daarvan bestaan, kun je in Binas in tabel 25 kijken.

Radioactief verval

Sommige isotopen van een bepaalde atoomsoort zijn stabiel. Andere niet. De instabiele atoomkernen kunnen vervallen. Er ontstaat dan een andere atoomkern. Soms is die nieuwe kern een ander isotoop van dezelfde atoomsoort, en soms is het een andere atoomsoort. Bij het verval van een kern, komt ioniserende straling vrij. We spreken daarom ook wel van radioactief verval. De “radio” in radioactief staat voor “radiation”: het Engelse woord voor straling. Stoffen die bestaan uit atomen met instabiele kernen, noemen we ook wel radioactieve stoffen.

Er zijn drie soorten radioactief verval. Die soorten zijn vernoemd naar de soort straling die erbij vrijkomt. Bij alfaverval komt bijvoorbeeld alfastraling vrij, bij bètaverval komt bètastraling vrij en bij gammaverval komt gammastraling vrij. We zullen nu kijken hoe de verschillende soorten radioactief verval in hun werk gaan.

Gammaverval

Soms kan een atoomkern in een zogenaamde aangeslagen toestand zijn. Dat betekent dat de kern eigenlijk teveel energie heeft. Wanneer een atoomkern teveel energie heeft, vervalt hij via gammaverval. Dat betekent alleen maar dat het overschot aan energie wordt uitgezonden in de vorm van een gammadeeltje.

Alfaverval

Wanneer een atoomkern vervalt via alfaverval, schieten twee protonen en twee neutronen uit de kern in de vorm van een alfadeeltje. Een alfadeeltje is, zoals gezegd in de eerste video over ioniserende straling, een heliumkern, bestaande uit twee protonen en twee neutronen. De vervallen kern is na het verval dus twee protonen en twee neutronen kwijt. Dat betekent dat zijn atoomnummer met 2 is afgenomen en zijn massagetal met 4.

We kunnen dit proces noteren als een vervalreactie. Een voorbeeld: Wanneer Uranium-238 (92238U) vervalt via alfaverval, ontstaat een kern met atoomnummer 90 en massagetal 234. We kijken in Binas tabel 25, of tabel 99 (het periodiek systeem) welke atoomsoort hoort bij atoomnummer 90 en zien dat het om Thorium gaat. Na de reactie is de uraniumkern dus opgesplitst in een Helium-4 kern en een Thorium-234 kern. De reactievergelijking die daarbij hoort kun je in de video bekijken.

Bètaverval

Wanneer een atoomkern vervalt via bètaverval, verandert een neutron in de kern in een proton en een elektron. Het proton blijft in de kern en het elektron wordt met hoge snelheid uitgezonden. Snel bewegende elektronen, zo weet je misschien nog uit de eerste video over ioniserende straling, noemen we ook wel bètadeeltjes. Uit de vervallen atoomkern is een neutron verdwenen, maar ook een proton verschenen. Het massagetal blijft dus gelijk, maar het atoomnummer gaat met één omhoog.

Een voorbeeld van een vervalreactie met bètaverval is het verval van Thorium-231 naar Protactinium-231. Deze kun je in de video zien.

Samenvattend:

Straling is overal en altijd aanwezig. Deze achtergrondstraling bestaat uit kosmische straling en straling afkomstig uit de aardkorst. De achtergrondstraling is echter heel zwak en niks om je zorgen over te maken. Een andere bron van straling is radioactief verval: alfaverval en bètaverval, waarbij atoomkernen veranderen en daarbij alfastraling, of bètastraling uitzenden, en gammaverval, waarbij de kern niet verandert. Het totale massagetal vóór en na het verval en het totale atoomnummer vóór en na het verval zijn gelijk. Voor bètaverval moeten we dan wel elektronen een atoomnummer van -1 toekennen. Stoffen waarvan de atomen radioactief vervallen noemen we ook wel radioactieve stoffen.