Samenvatting Natuur- en Scheikunde: Kernfysica

Kernfysica is het onderdeel van de natuurkunde dat zich bezighoudt met de studie van de kern van een atoom. Bij het woord schrikken al gauw veel mensen, maar als je je er even in verdiept hebt, is het niet zo moeilijk meer! Verschillende deeltjes en onderwerpen binnen de kernfysica staan hieronder op een rijtje gezet.

Molecuul

Het kleinste deeltje van een moleculaire stof dat nog de chemische eigenschappen van die stof bezit. Een molecuul kan zowel uit eenzelfde, als uit verschillende atoomsoorten of elementen bestaan. De chemische eigenschappen van een molecuul kunnen dus veranderen zodra je een molecuul in kleinere deeltjes op zou delen. De molecuulmassa is niks anders dan de totale massa van alle atomen die binnen het molecuul voorkomen. De molecuulmassa kun je vinden in Binas tabel 98 (in gram per mol), en de atoommassa staat in het periodiek systeem bij het bijbehorende atoom. De molecuulmassa wordt uitgedrukt in atomaire massaeenheden (u). 1u=1,66054.10-27 kg

Atoom

Een atoom is de kleinste bouwsteen van een bepaald element. Een atoom is echter opgebouwd uit kleinere deeltjes, maar deze zijn voor elk atoom hetzelfde en hebben niet de eigenschap van dat atoom. Er zijn een aantal atoomsoorten/elementen die niet enkel voor kunnen komen: Cl F I H O Na Br

Atomen zijn opgebouwd uit een kern met daaromheen een electronen wolk. In de kern komen protonen en neutronen voor, en de electronen cirkelen in schillen die zich buiten de kern bevinden.

Het aantal protonen dat zich in de kern van een element bevindt is gelijk aan het atoomnummer van dat element. Daarnaast verschilt dit aantal vaak met het aantal neutronen in dezelfde kern: dit zijn er vaak veel meer. Een bepaald element kan in meerdere 'versies' bestaan, door het verschil in neutronen. Deze verschillende versies worden isotopen genoemd. De isotopen zijn te vinden in Binas tabel 25. Daarin is ook de atoommassa's van de verschillende isotopen terug te vinden.

Protonen en neutronen worden bij elkaar gehouden door de sterke kernkracht -de sterke wisselwerking-, deze kracht zorgt er onder andere voor dat de positief geladen protonen elkaar onderling niet afstoten.

Subatomair deeltjes:

Nucleon

Een nucleon is een kerndeeltje (dus niet een elementair deeltje, maar slechts een deel daarvan): er wordt een proton of een neutron mee bedoeld. Nucleonen zijn weer opgebouwd uit 3 quarks die bij elkaar gehouden worden door gluonen.

Ion

Een ion is een atoom dat electrisch geladen is door een tekort of overschot aan electronen in de electronenwolk. Als de buitenste schil van een electronenwolk van een atoom nog niet geheel gevuld is, zal deze makkelijk een electron opnemen. Voor het atoom betekent dit dat er eigenlijk een electron teveel om zijn kern cirkelt, dus is het geheel negatief geladen: Het is een negatief ion geworden, een kation.

Een atoom kan in zijn buitenste schil ook een enkel electron bevatten. Deze wordt door de kern niet sterk aangetrokken, en vormt niet altijd een electronenpaar met een ander electron: zo'n electron kan dit atoom dus makkelijk verlaten. Er ontstaat een tekort aan electronen, waardoor het atoom een positieve lading krijgt: Het is een positief ion geworden, een anion.
Ionen komen vooral terug als je het hebt over zouten. Zouten zijn tweeledig, ze bestaan uit een kation en een anion. Zodra je een zout oplost in water valt deze uiteen in een positief en een negatief ion (het zuurrest, niet-metaal ion).

Bosonen:

Bosonen zijn deeltjes die onder andere samenhangen met de 4 fundamentele natuurkrachten en een heeltallige spin bezitten:

• een foton voor het electromagnetisme
• een W-boson en Z-boson voor de zwakke kernkracht
• een gluon voor de sterke kernkracht
• en voor de zwaartekracht het (nog niet aangetoonde) graviton

Foton

Een foton is een verschijningsvorm van electromagnetische straling. Het is geen bestaand deeltje, net als dat straling geen concreet materiaal is. Het is een vorm van energie waarmee een hoeveelheid kan worden aangegeven. Fotonen zijn massaloze energiedeeltjes, en een stroom van zulke deeltjes wordt straling genoemd. Een goed voorbeeld is licht: het bestaat uit fotonen, een straling met een bepaald energieniveau dat in bepaalde cellen van onze ogen geabsorbeerd kan worden.

Fotonen ontstaan, als er binnen een atoom energie vrijkomt. Als een electron van een van de buitenste banen naar een baan dichter bij de kern 'valt', verliest deze energie. De energie wordt in de vorm van een foton uitgezonden. Ook bij kernsplijting of kernfusie kunnen fotonen ontstaan: processen waarbij kerndeeltjes zich splijten of samensmelten en daarbij nieuwe atoomkernen laten onstaan. Daar waar electromagnetische straling ontstaat, ontstaan ook fotonen. Fotonen bewegen zich zo snel als de lichtsnelheid en zijn verder volkomen stabiel; ze vergaan niet want ze zijn altijd in beweging (en hebben dus geen rustmassa)

W-bosonen en Z-bosonen

Met de zwakke kernkracht wordt de kracht bedoeld die het beta-verval veroorzaakt; het komt niet op radioactiviteit. Het W-boson ontstaat als een neutron vervalt naar een proton. (doordat een down quark overgaat naar een up quark). Het W-boson vervalt dan tot een electron: dit verklaart betaverval. Bij betaverval, een soort radioactief verval, wordt een electron of positron uitgestraald. Stoffen waarbij die gebeurt worden Beta-stralers genoemd.

• B- verval: neutron omgezet tot proton: een electron komt vrij
• B+ verval: proton omgezet tot neutron: een positron komt vrij

Als het bij deze processen betrokken proton of neutron deel uitmaakt van een atoomkern, wordt bij dit verval het ene chemische element omgezet in het andere.

Gluon

Gluonen bevinden zich in nucleonen, en houden daar de quarks bij elkaar, zodat gluonen en quarks samen een proton of neutron vormen. Gluonen hebben geen lading en een verwaarloosbare massa.

Graviton

Een graviton is een hypothetisch elementair deeltje dat de zwaartekracht overbrengt. Gravitonen moeten dus altijd aantrekken, want de zwaartekracht stoot nooit af. De afstanden waarover 'aangetrokken moet worden' mag niet uitmaken, want de zwaartekracht is universeel. Bovendien zouden ze in grote aantallen moeten voorkomen, om het bestaan van sterren te kunnen verklaren. Deze deeltjes zijn nog niet aangetoond, maar men verwacht dat ze moeten bestaan. Er zijn verschillende theorien die voorspellen dat gravitonen bestaan.

Fermionen:

Fermionen zijn deeltjes die onder andere zorgt voor de stabiliteit van electronenschillen, en daarnaast een halftallige spin bezitten:

Quark

Quarks zijn elementaire deeltjes die door gluonen bij elkaar gehouden worden, en hiermee samen nucleonen vormen. De kracht die quarks bij elkaar houdt wordt de sterke kernkracht genoemd. Ze wisselen onderling krachtvoerende deeltjes uit; de gluonen. Een quark komt nooit alleen voor, omdat hierin dan zoveel energie gaat zitten dat de energie in massa wordt omgezet en daarbij automatisch 2 quarks vormt. (zo krijgt je mesonen en nog geen losse quarks).

Proton

Een positief geladen kerndeeltje, (opgebouwd uit quarks *2 up en 1 down* en gluonen).

Neutron

een ongeladen kerndeeltje (opgebouwd uit quarks *1 up en 2 down* en gluonen); ze hebben geen lading, want + en - zijn in een neutron gelijk aan elkaar.

Electron

Een negatief geladen atoomdeeltje dat om de kern van een atoom cirkelt in zijn eigen baan. Het heeft een lading van -1e = -1 x 1,6022×10-19C

Buitenelectronen
Electronen met de hoogste energie bevinden zich meestal verder van de kern: in de buitenste schil. Deze electronen bepalen de chemische eigenschappen van het element, bijvoorbeeld de geleiding, oplosbaarheid of bindingsmogelijkheden met andere moleculen/atomen

Binnenelectronen
Electronen die zich in hun baan dichter bij de kern bevinden worden binnenelectronen genoemd, de mogelijkheid om rontgenstraling op te wekken is een eigenschap van een willekeurig element die afhangt van de binnenelectronen.

Positron

Een positron is het antideeltje van een electron. Het heeft dezelfde massa, maar een tegengestelde lading: dus +1e. Positronen komen vrij bij het radioactief verval van isotopen. Ze worden vaak verward met protonen.

In principe zijn het net als elektronen stabiele deeltjes, maar wanneer een positron en een elektron op elkaar botsen zullen zij elkaar annihileren. Dit wil zeggen dat alle massa wordt omgezet in energie, (Einstein: E=mc²), in de vorm van fotonen. Men spreekt in dit verband van γ-straling (gammastraling). De reactie luidt:
e+ + e- → γ + γ