H7: Radioactiviteit Als een bepaalde kern van een element te veel of te weinig neutronen heeft is het onstabiel . Daardoor gaan ze na een zekere tijd uit elkaar vallen, op die manier bereiken ze een stabiele toestand. Bij dit vervalproces zal de kern straling uitzenden die 'ioniserende' straling genoemd wordt.
Radioactiviteit werd ontdekt in 1898 door de Franse natuurkundige Henri Becquerel.
Fig 7.1 Radioactiviteit
7.1 Radioactieve vervalwet Met de formule voor radioactief verval wordt voorspeld hoe het aantal niet vervallen kernen van een gegeven hoeveelheid radioactief materiaal in de loop van de tijd afneemt. De formule die hiervoor geldt is: N = N0 . 2-t/T Met N Aantal kernen dat nog niet vervallen is N0 Aantal oorspronkelijke kernen t Tijd (s) T Halveringstijd (of halfwaardetijd) (s)
(7.1)
7.2 Halveringstijd De halveringstijd of halfwaardetijd is de tijd die het kost totdat de helft van de oorspronkelijk aanwezige radioactieve atoomkernen is vervallen. Halveringstijden lopen uiteen van fracties van seconden tot tienduizenden of zelfs miljoenen jaren. De activiteit van radioactieve stoffen dooft op een welbepaalde manier uit. De kernen stoten energie, bèta- of alfadeeltjes uit en veranderen zo in nieuwe nucliden, al dan niet zelf radioactief.
Het precieze moment waarop een specifieke atoomkern energie afstoot, kan niet worden voorspeld. Er zijn natuurwetten die een vervalpatroon van radioactieve stoffen voorspellen. De oorspronkelijke hoeveelheid van radioactieve stof vermindert voortdurend volgens een exponentiële vergelijking.
Fig 7.2: Vervalpatroon van ieder atoom
Fig 7.3: Vervalpatroon van Uranium
In de x-as: Aantal halveringsperioden (bv. Aantal jaren) en y-as: % van de oorspronkelijke stof (bv. Kg)
(7.2) Met T = Halveringstijd (s) λ = Vervalconstante (s-1)
7.3 Uranium Natuurlijk Uranium-92 bevat 99,28%
238
U
0,72%
235
U
0,0055%
234
U
Van dit natuurlijk uraan is alleen U-235 splijtbaar. Voor het op gang houden van een kettingreactie is een hoger percentage U-235 noodzakelijk dan in natuurlijk uranium wordt gevonden. Het bereiken van een hoger percentage wordt 'verrijken' genoemd. Voor kernenergie is uranium met een gehalte van 2 à 3 procent U-235 voldoende.
De vervalreeks van Uranium 238 wordt hieronder weergegeven
Fig 7.4 Natuurlijke vervalreeks Uranium-238
Hierop zie je dat kernen zowel via α en β-straling vervalen, soms gaat dit gepaard met gammastraling.
7.4 verval
Fig 7.5: Stralingsbescherming
7.4.1 alfa-verval Bij alfastraling worden energierijke deeltjes uitgestoten uit een onstabiele atoomkern. Deze energiedeeltjes zijn relatief groot en zwaar. Het zijn heliumatomen bestaande uit twee protonen en twee neutronen (
). Daardoor heeft alfastraling slechts een zeer gering
doordringend vermogen. Een blad papier of een luchtlaag van 3 centimeter is al voldoende om alfastraling tegen te houden. De heliumatomen worden met een snelheid van 16.000 km/s van de atoomkern weggeslingerd.
Fig 7.6 Bij alfa-verval wordt een heliumkern uitgestoten.
De reactie vergelijking van dergelijk verval wordt gegeven door: r 7.1
Er wordt een helium kern uitgezonden omdat dit bij de kleine deeltjes toch een hoge bindingsenergie vertoont.
Fig 7.7 Bindingsenergie van atomen.
7.4.2 bètaverval Bètastraling bestaat uit lichtere energiedeeltjes (elektronen). Zij worden van de atoomkern weggeslingerd met een snelheid van 270.000 km/s. Het doordringend vermogen is sterker dan dat van alfastraling. Ze worden bijvoorbeeld tegengehouden door een aluminiumplaat van enkele millimeters of door 3 meter lucht. Bètastraling wordt uitgezonden door onder meer het radioactieve deeltje strontium-90. β- verval: Wanneer een kern te veel neutronen heeft om stabiel te zijn, verandert er een neutron in een proton. Hierbij komen ook een elektron en een elektron-antineutrino vrij. De massa van de kern blijft ruwweg gelijk, aangezien het neutron en het proton ongeveer even zwaar zijn. r 7.2
De reactie vergelijking van dergelijk verval wordt gegeven door: r 7.3
Fig 7.8 β- verval
β+ verval:
Wanneer een kern te weinig protonen heeft om stabiel te zijn, verandert er een pronton in een neutron. Hierbij komen ook een postitron en een elektron-neutrino vrij. De massa van de kern blijft ruwweg gelijk, aangezien het proton en het neutron ongeveer even zwaar zijn. r 7.4
De reactie vergelijking van dergelijk verval wordt gegeven door: r 7.5
Fig 7.9 β+ verval
7.4.3 gamma verval Gamma straling wordt uitgezonden wanneer atoomkernen die instabiel zijn overgaan tot radioactief verval. Ze bestaan dus uit trillende elektrische en magnetische velden, ze verplaatsen zich met de snelheid van het licht: 300.000 kilometer per seconde. Gammastralen dringen ver door in het omringende materiaal doordat hun energie zo groot is. Ze kunnen chemische bindingen breken en elektronen uit atomen losmaken. Als het menselijk lichaam wordt blootgesteld aan een te grote hoeveelheid gammastraling, dan zullen er chemische bindingen in de molecules van onze cellen worden gebroken, waardoor de levende weefsels worden beschadigd. Daarom is veiligheid heel belangrijk in de kerncentrale De stralen worden slechts tegengehouden door zware stoffen zoals ijzer, beton en lood van enkele centimeters tot meters dikte, afhankelijk van de intensiteit. Gammastraling wordt uitgezonden door onder meer barium-137, het radioactieve vervalproduct van cesium-137.
De reactie vergelijking van dergelijk verval wordt gegeven door:
*
→
γ
Fig 7.10 Gamma straling
r 7.6
