Vervalreeksen opstellen - theorie en voorbeelden

Indien er wordt gesproken over deeltjesfysica, heeft men het vaak over radioactiviteit. Radioactiviteit is overal, en het is slechts een deel van het leven van een dergelijk atoom. Een dergelijk atoom kan radioactief zijn en een korte levensduur hebben. Atomen kunnen namelijk gemaakt en afgebroken worden, wat nucleosynthese wordt genoemd. Wat is nucleosynthese, waar komt het voor en is het te begrijpen?

Atomen

Atomen bestaan uit kerndeeltjes, ook wel nucleonen genoemd, waar elektronen omheen cirkelen. Nucleonen zijn protonen of neutronen. De hoeveelheid protonen in een kern bepalen welk element het atoomkern vertegenwoordigt. In de scheikunde heet dit het atoomnummer: een element met atoomnummer 1 is waterstof, atoomnummer 19 is kalium en atoomnummer 92 is uranium. De som van het atoomnummer en het aantal neutronen in de kern wordt het massagetal genoemd, en het massagetal geeft informatie over de isotoop van het element. Een isotoop is een element met een andere hoeveelheid neutronen in de kern. Zo is bijvoorbeeld een element met atoomnummer 1 en massagetal 3 een isotoop van waterstof: tritium (³₁H), en een atoomnummer van 92 en een massagetal van 235 is het gevreesde isotoop van uranium (²³⁵₉₂U) die kernsplijting vertoont. Sommige isotopen zijn energetisch ongunstig en vervallen naar stabielere isotopen. Vaak gebeurt dit in een vervalreeks.

Vervalreeks

Een vervalreeks is een serie atomaire vervallen waarbij het energetische atoom zijn overtollige energie kwijt wil raken door kerndeeltjes te maken, dan wel te verwijderen. Dit wordt beschouwd als een vorm van nucleosynthese, het maken van kernen. Vervalreeksen kunnen zeer lang of ontzettend kort duren, meer dan 20 tussenproducten vormen of met 3 al klaar zijn. Een vervalreeks is namelijk afhankelijk van de volgende fenomenen:

• Vervaltype van kernen: Sommige kernen vertonen een soort verval die verschilt van een ander. Dit kan invloed hebben op de volgende producten in de reeks.
• Het soort kern: Argon-37 (³⁷₁₉Ar) heeft een andere reeks en tussenproducten dan broom-87 (⁸⁷₃₅Br).

Het belang van een vervalreeks

Een vervalreeks geeft veel inzicht over de weg die een kern begaat zodra deze energie wilt afstaan. Dit is vooral van toepassing zodra men schone energie wil opwekken van nucleaire (kernafkomstige) energie. Het ene element kan namelijk een vervalproduct geven wat zeer belastend is door zijn hoge activiteit en een lange halveringstijd heeft. De halveringstijd is de tijd waarin de activiteit van een kern halveert, en zodoende de tijd waarin de helft van de kernen is vervallen naar een ander product. Ook is een vervalreeks handig om te zien welk element benodigd is om een zeer specifiek isotoop te maken. Vooral in de medische wereld is dit van belang. Technetium-99m (^99m₄₃Tc) wordt gemaakt door molybdeen-98 te bestralen met neutronen, waarbij dit uiteindelijk vervalt naar technetium-99m. ^99m₄₃Tc wordt zeer veel gebruikt in de medische wereld voor analyses in de hersenen en andere organen. Met een halveringstijd van ongeveer 6 uur is het in de medische wereld belangrijk snel te handelen.

Voorbeeld 1: Uranium-235 (²³⁵₉₂U)

Geef de eerste vier stappen in de vervalreeks van uranium-235
Uranium-235 vervalt middels α-verval. Dit betekent dat een heliumdeeltje (⁴₂He) wordt afgescheiden. Het volgende gevormde product is zodoende thorium-231 (²³¹₉₀Th). Thorium-231 vervalt middels β^--verval. Hierbij vervalt een neutron tot een proton en een elektron, dus het massagetal neemt met 1 toe: een neutron vervalt, dus het massagetal neemt met 1 af. Omdat er een proton wordt gevormd neemt het massagetal weer toe met 1, dus netto neemt het massagetal met 0 toe. Het atoomnummer neemt wel met 1 toe, omdat een extra proton wordt geïntroduceerd tot de kern. Thorium-231 wordt zodoende protactinium-231 (²³¹₉₁Pa). Protactinium-231 vervalt weer middels α-emissie, dus het derde vervalproduct is actinium-227. Actinium-227 kan vervallen via drie wegen: γ-emissie, α-emissie en β^--verval. Het verval waarbij de meeste energie vrijkomt vindt dikwijls plaats, en in het geval van actinium-227 is dat β^--verval. Oftewel, het vierde product is thorium-227 (²²⁷₉₀Th). De eerste vier stappen in de vervalreeks van uranium-235 zijn zodoende:
²³⁵₉₂U → ²³¹₉₀Th (+ ⁴₂He) → ²³¹₉₁Pa (+ ⁴₂He) → ²²⁷₈₉Ac → ²²⁷₉₀Th

Uranium-235 vervalt, indien de gehele reeks zou worden opgehaald, in twaalf stappen naar lood-207 (²⁰⁷₈₂Pb). De halveringstijd van uranium-235 is ongeveer 700 miljoen jaar.

Voorbeeld 2: Thorium-232 (²³²₉₀Th)
Geef de eerste drie stappen in het verval van thorium-232
Thorium-232 vervalt via α-verval, dus er wordt een heliumdeeltje verwijderd uit de kern om radium-228 te vormen (²²⁸₈₈Ra). Radium-228 vervalt middels β^--verval, waarbij een neutron dus uiteenvalt tot een proton en elektron. Het tweede product is zodoende actinium-228 (²²⁸₈₉Ac). Actinium-228 vervalt weer via β^--verval, waarbij zodoende weer thorium wordt gevormd. Het derde product in deze keten is thorium-228 (²²⁸₉₀Th). De eerste drie stappen voor het verval van thorium-232 zijn dan:
²³²₉₀Th → ²²⁸₈₈Ra → ²²⁸₈₉Ac → ²²⁸₉₀Th

Vanwege de relatief korte halveringstijden en de redelijk onschuldige vervalmethoden (α-deeltjes worden al gestopt door textiel) is thorium-232 uitermate geschikt om groene energie op te wekken. Het uiteindelijke vervalproduct ²⁰⁸₈₂Pb is stabiel en kan worden gebruikt in andere processen. Juist door deze reeks en de abundantie van thorium-232 in de aardkorst maakt het dat er op een zuivere manier energie kan worden opgewekt met thorium-232.