Radioactiviteit is de emissie van straling door onstabiele kernen. Die straling kan bestaan in de vorm van subatomaire deeltjes (voornamelijk alfa- en betadeeltjes) of in de vorm van energie (voornamelijk gammastralen).
Radioactiviteit werd in 1896 bij toeval ontdekt door de Franse natuurkundige Henri Becquerel (1852-1908). In de decennia na Becquerels ontdekking leidde het onderzoek naar radioactiviteit tot revolutionaire doorbraken in ons begrip van de aard van materie en tot een aantal belangrijke praktische toepassingen. Deze toepassingen omvatten een groot aantal nieuwe apparaten en technieken, variërend van kernwapens en kerncentrales tot medische technieken die kunnen worden gebruikt voor de diagnose en behandeling van ernstige ziekten.
Stabiele en onstabiele kernen
De kern van alle atomen (met uitzondering van waterstof) bevat een of meer protonen en een of meer neutronen. De kern van de meeste koolstofatomen bevat bijvoorbeeld zes protonen en zes neutronen. In de meeste gevallen zijn de kernen van atomen stabiel; dat wil zeggen dat ze niet uit zichzelf veranderen. Een koolstofkern zal er over honderd jaar (of over een miljoen jaar) nog precies hetzelfde uitzien als nu.
Maar sommige atoomkernen zijn instabiel. Een onstabiele kern is een kern die spontaan een inwendige verandering ondergaat. Bij deze verandering geeft de kern een subatomair deeltje af, of een uitbarsting van energie, of beide. Een isotoop van koolstof, koolstof-14, bijvoorbeeld, heeft een kern die bestaat uit zes protonen en acht (in plaats van zes) neutronen. Van een atoomkern die een deeltje of energie afgeeft, wordt gezegd dat hij radioactief verval, of gewoon verval, ondergaat.
Woorden om te weten
Alfadeeltje: De kern van een heliumatoom, bestaande uit twee protonen en twee neutronen.
Bèta-deeltje: Een elektron, uitgezonden door een atoomkern.
Gamma-straal: Een hoogenergetische vorm van elektromagnetische straling.
Isotopen: Twee of meer vormen van een element met hetzelfde aantal protonen, maar verschillende aantallen neutronen in hun atoomkernen.
Nucleus (atoom): De kern van een atoom, gewoonlijk bestaande uit een of meer protonen en neutronen.
Radioactief verval: Het proces waarbij een atoomkern straling afgeeft en verandert in een nieuwe kern.
Radioactieve familie: Een groep van radioactieve isotopen waarbij het verval van een isotoop leidt tot de vorming van een andere radioactieve isotoop.
Stabiele atoomkern: Een atoomkern die geen spontane veranderingen ondergaat.
Subatomair deeltje: Basiseenheid van materie en energie (proton, neutron, elektron, neutrino, en positron) kleiner dan een atoom.
Instabiele atoomkern: Een atoomkern die spontaan enige inwendige verandering ondergaat.
Wetenschappers zijn er niet helemaal uit wat een atoomkern instabiel maakt. Het schijnt dat sommige kernen een overmaat aan protonen of neutronen of een overmaat aan energie bevatten. Deze kernen herstellen het voor hen juiste evenwicht van protonen, neutronen en energie door een subatomair deeltje of een energie-uitbarsting af te geven.
In dit proces verandert de kern van samenstelling en kan in feite een geheel andere kern worden. Bijvoorbeeld, in zijn poging om stabiliteit te bereiken, geeft een koolstof-14 kern een bèta deeltje af. Nadat de koolstof-14-kern het bètadeeltje heeft verloren, bestaat hij uit zeven protonen en zeven neutronen. Maar een kern die uit zeven protonen en zeven neutronen bestaat, is niet langer een koolstofkern. Het is nu de kern van een stikstofatoom. Door het afgeven van een bèta-deeltje is het koolstof-14 atoom veranderd in een stikstofatoom.
Soorten straling
De vormen van straling die het meest door een radioactieve kern worden uitgezonden, worden alfadeeltjes, bètadeeltjes en gammastralen genoemd. Een alfadeeltje is de kern van een heliumatoom. Hij bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Beschouw het geval van een radium-226 atoom. De kern van een radium-226 atoom bestaat uit 88 protonen en 138 neutronen. Indien deze kern een alfadeeltje afgeeft, moet hij de twee protonen en twee neutronen verliezen waaruit het alfadeeltje is opgebouwd. Na het uitzenden van het alfadeeltje bevat de overblijvende kern nog slechts 86 protonen (88 – 2) en 136 neutronen (138 – 2). Deze kern is de kern van een radonatoom, niet van een radiumatoom. Door het uitzenden van een alfadeeltje is het radium-226 atoom veranderd in een radonatoom.
De emissie van betadeeltjes uit kernen was jarenlang een bron van verwarring voor wetenschappers. Een betadeeltje is een elektron. Het probleem is dat elektronen niet bestaan in de kernen van atomen. Zij kunnen buiten de atoomkern worden gevonden, maar niet erin. Hoe is het dan mogelijk dat een onstabiele atoomkern een betadeeltje (elektron) afgeeft?
Het antwoord is dat het betadeeltje ontstaat wanneer een neutron in de atoomkern uiteenvalt tot een proton en een elektron:
neutron → proton + elektron
Bedenk dat een proton een enkele positieve lading draagt en het elektron een enkele negatieve lading. Dat betekent dat een neutron, dat helemaal geen elektrische lading draagt, kan uiteenvallen tot twee nieuwe deeltjes (een proton en een elektron) waarvan de elektrische lading bij elkaar opgeteld nul is.
Denk terug aan het eerder genoemde voorbeeld van koolstof-14. Een koolstof-14 kern vervalt door het afgeven van een beta deeltje. Dat betekent dat één neutron in de koolstof-14-kern uiteenvalt en een proton en een elektron vormt. Het elektron wordt als bètastraal afgegeven, en het proton blijft in de kern achter. De nieuwe kern bevat zeven protonen (de oorspronkelijke zes plus één nieuw proton) en zeven neutronen (de oorspronkelijke acht verminderd met de afbraak van één).
Het verlies van een alfadeeltje of een betadeeltje uit een onstabiele kern gaat vaak gepaard met het verlies van een gammastraal. Een gammastraal is een vorm van hoogenergetische straling. Het is vergelijkbaar met een röntgenstraling, maar met een iets grotere energie. Sommige onstabiele kernen kunnen alleen vervallen door de emissie van gammastralen. Wanneer zij de door de gammastralen meegevoerde energie hebben verloren, worden zij stabiel.
Natuurlijke en synthetische radioactiviteit
Veel radioactieve elementen komen in de natuur voor. In feite zijn alle elementen zwaarder dan bismut (atoomnummer 83) radioactief. Zij hebben geen stabiele isotopen.
De zwaarste van de radioactieve elementen zijn betrokken bij reeksen die bekend staan als radioactieve families. Een radioactieve familie is een groep elementen waarin het verval van een radioactief element een ander element oplevert dat eveneens radioactief is. De ouderisotoop van één radioactieve familie is bijvoorbeeld uranium-238. Wanneer uranium-238 vervalt, vormt het thorium-234. Maar thorium-234 is ook radioactief. Wanneer het vervalt, vormt het protactinium-234. Protactinium-234 is op zijn beurt ook radioactief en vervalt om uranium-234 te vormen. Dit proces gaat nog elf stappen door. Tenslotte vervalt de isotoop polonium-210 tot lood-206, dat stabiel is.
Veel lichtere elementen hebben ook radioactieve isotopen. Enkele voorbeelden zijn waterstof-3, koolstof-14, kalium-40, en tellurium-123.
Radioactieve isotopen kunnen ook kunstmatig worden gemaakt. Het gebruikelijke proces is het bombarderen van een stabiele kern met protonen, neutronen, alfadeeltjes, of andere subatomaire deeltjes. Het bombardementsproces kan worden uitgevoerd met deeltjesversnellers (atoomschokapparaten) of in kernreactoren. Wanneer een van de bombardeerde deeltjes (kogels) een stabiele kern raakt, kan deze kern instabiel worden en daardoor radioactief worden.