InfoNu.nl > Wetenschap > Natuurkunde > Vervalreeksen opstellen - theorie en voorbeelden

Vervalreeksen opstellen - theorie en voorbeelden

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.

Figuur 1: volledige vervalreeks thorium-232 / Bron: Http:commons.wikimedia.orgwikiBatesIsBack, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)Figuur 1: volledige vervalreeks thorium-232 / Bron: Http:commons.wikimedia.orgwikiBatesIsBack, Wikimedia Commons (CC BY-SA-3.0)
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.
© 2018 Rkykrt, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Wat is ionisatie?Wat is ionisatie?Waaruit bestaat een atoom? Wat is een proton, elektron en neutron? Wat is de lading en massa van deze deeltjes? Wat is i…
Hoe werkt Kernfusie?Als toekomstige energiebron zijn alle ogen gericht op kernfusie, voornamelijk de reactie tussen twee waterstofisotopen.…
Tot diep in de kern van het atoomDit artikel gaat over wat er zich binnen de kern van een atoom afspeelt. Waar bestaat een atoomkern uit? Wat zijn quarks…
Samenvatting Natuur- en Scheikunde: KernfysicaKernfysica is het onderdeel van de natuurkunde dat zich bezighoudt met de studie van de kern van een atoom. Bij het woor…
Natuurlijke radioactieve stralingNatuurlijke radioactieve stralingIedereen heeft het woord radioactieve straling al gehoord. Het is een vernietigende kracht die je niet kan zien, horen o…
Bronnen en referenties

Reageer op het artikel "Vervalreeksen opstellen - theorie en voorbeelden"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Infoteur: Rkykrt
Gepubliceerd: 06-04-2018
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Natuurkunde
Bronnen en referenties: 3
Schrijf mee!