Thema 5 Hfdst2 Verval van kernen
Onderdelen in deze les
Hoofdstuk 2 Verval van kernen
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2.1.1 Stabiele kernen
2.2.2 De nuclidenkaart
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.1 Het massadefect
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
2.3 Soorten straling
2.3.1 a-straling
2.3.2 b-straling
2.3.3 g-straling
Leerdoelen van dit hoofdstuk
Je kunt de (in)stabiliteit van atoomkernen verklaren.
Je kunt uitleggen wat een isotoop is.
Je kunt uitleggen aan de hand van een voorbeeld wat het massadefect is, en je kunt dit ook berekenen aan de hand van de atomaire eenheden.
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2 Verval van kernen
het aantal protonen bepaalt de atoomsoort: koolstof is koolstof omdat het 6 protonen in de kern heeft
voor een zelfde atoom kan het aantal neutronen echter verschillen!
zo ontstaan isotopen of isotope nucliden van een zelfde atoom
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2 Verval van kernen
2.1 (In)stabiliteit van kernen
sommige nucliden (isotopen) zijn stabiel, andere instabiel
2.1.1 Stabiele kernen
wanneer is een kern stabiel?
juiste verhouding protonen/neutronen
stoten elkaar af!! (Coulombkracht)
hoe blijft een kern dan tóch bij elkaar?
er moet nog een andere kracht werkzaam zijn
de sterke kernkracht
2 Verval van kernen
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2.1.1 Stabiele kernen
hoe blijft een kern dan tóch bij elkaar?
de sterke kernkracht
dit is een andere kracht dan de Coulombkracht
werkt tussen proton-proton, proton-neutron en neutron-neutron (dus tussen nucleonen)
maar: enkel op héél korte afstand, als de kerndeeltjes direct naast elkaar liggen (Coulombkracht werkt ook tussen geladen deeltjes die zich verder van elkaar bevinden)
2 Verval van kernen
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2.1.1 Stabiele kernen
sterke kernkracht
Coulombkracht (Fc)
2 Verval van kernen
afstoting tussen positief geladen protonen
maar de sterke kernkracht houdt de kerndeeltjes samen
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2.1.2 De nuclidenkaart
voorstelling van alle isotopen van een atoom
2 Verval van kernen
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2 Verval van kernen
2.1.2 De nuclidenkaart
de oranje punten geven de bestaande stabiele isotopen weer
de bissectrice geeft aan waar we evenveel neutronen als protonen hebben
De stabiliteitsband
2.1 (In)stabiliteit van kernen
Verklaring?
2 Verval van kernen
2.1.2 De nuclidenkaart
2.1 (In)stabiliteit van kernen
wat bepaalt de stabiliteit van een kern?
aantrekkende kernkrachten tussen ALLE nucleonen (kerndeeltjes)
tussen neutronen onderling
tussen protonen onderling
tussen neutronen en protonen
ENKEL over zeer korte afstanden
afstotende elektrische krachten tussen protonen
tussen protonen onderling
OOK over grotere afstanden
BALANS TUSSEN DEZE TWEE
2 Verval van kernen
2.1.2 De nuclidenkaart
2.1 (In)stabiliteit van kernen
2.1.2 De nuclidenkaart
2 Verval van kernen
instabiele kern
radioactief verval
vrijgekomen deeltjes
stabielere kern
1u = 1/12 van de atoommassa van een C12-atoom*
(6 protonen, 6 neutronen en 6 elektronen)
1u = 1,660539 . 10-27kg
2 Verval van kernen
2.2.1 Het massadefect
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.1 Het massadefect
m = 12 u – 6. me* = 11,997 u
(want 1u = 1/12 massa C-atoom)
6 p+
6 n0
m = 6 p++ 6 n0 = (6 . 1,0073 u) + (6. 1,0087 u)
= 12,096 u
❓
koolstofkern
* me = massa elektronen: 6 x 0,00054859 u = 0,0033 u)
2 Verval van kernen
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.1 Het massadefect
Verklaring?
6 p+ + 6 n0
vormen samen een kern
massaverlies!
Dit is het massadefect: Dm!
Massadefect: definitie
De massa van een atoomkern (mkern) is KLEINER dan de som van de massa’s van de niet-gebonden deeltjes (mongebonden) waaaruit ze is samengesteld.
Dm = mongebonden - mkern
2 Verval van kernen
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
Waar is die massa naartoe?
Deze massa is OMGEZET naar energie, en is vervolgens vrijgekomen bij het vormen van de kern.
E = energie
m = massa
c = lichtsnelheid
(2,997 924 58 . 108 m/s)
massa en energie zijn equivalent, kunnen in elkaar worden omgezet
2 Verval van kernen
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
volgens de relativiteitstheorie van Einstein zijn massa en energie equivalent en kunnen in elkaar worden omgezet
dat wil dus zeggen dat de energie van een deeltje in rust (dus wanneer de snelheid = 0 m/s), gelijk is aan
E0 = m0 . c2
Rustenergie
2 Verval van kernen
Specifieke rustenergie
A = nucleonental = aantal protonen + aantal neutronen
c = snelheid van het licht in vacuüm = 2,997 924 58 . 108 m/s
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
Rustenergie
2 Verval van kernen
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
Massadefect: massa van de samenstellende protonen en neutronen > de massa van de kern
Bindingsenergie
mnucleonen
mkern
>
massa verdwijnt (Dm) maar wordt omgezet in energie (DE) ⇢ deze energie komt vrij als de bindingsenergie
BINDINGSENERGIE
DE = Dm . c2
Dm = mnucleonen - mkern
2 Verval van kernen
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
bindingsenergie per nucleon
Specifieke bindingsenergie
BINDINGSENERGIE
DE = Dm . c2
2 Verval van kernen
SPECIFIEKE BINDINGSENERGIE
DE =
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
Voorbeeld
Dm = 12,096u – 11,997u = 0,099u
en 1u = 1,6605 . 10-27kg
dus Dm = 0,099 . 1,6605 . 10-27kg = 1,6439 . 10-28 kg
DE = Dm.c2
dus DE = 1,6439.10-28kg . (2,9979 . 108 m/s)2 = 1,4774.10-11J
(1eV = 1,6022.10-19J)
2 Verval van kernen
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
2 Verval van kernen
mnucleonen
mkern
>
Dm = mnucleonen - mkern
Bij de vorming van een kern:
mafzonderlijke nucleonen > mkern
dus
Eafzonderlijke nucleonen > Ekern
dus
nucleonen gaan naar een lagere energietoestand
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
2 Verval van kernen
Enucleonen
Ekern
>
bindingsenergie = hoeveelheid energie die vrijkomt bij het vormen van een kern uit afzonderlijke nucleonen
is dus ook de energie die nodig is om deze nucleonen terug uit elkaar te halen
hoe meer bindingsenergie vrijkomt → hoe sterker de kerndeeltjes aan elkaar gebonden zijn → hoe stabieler de kern is
+ BINDINGSENERGIE
(energie die vrijkomt)
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
2 Verval van kernen
Enucleonen
Ekern
>
+ BINDINGSENERGIE
(energie die vrijkomt)
specifieke bindingsenergie
2.2 Equivalentie tussen massa en energie
2.2.2 Rust- en bindingsenergie
2 Verval van kernen
grafiek specifieke bindingsenergie tov # nucleonen
specifieke bindingsenergie max bij Ni-62
(8,794 MeV/nucleon)meest stabiele kernen (nucleonen krachtigst/dichtst aan elkaar gebonden)
toevoegen nucleonen aan lichtere kernen: specifieke bindingsenergie ↑ → kern kan energie afgeven aan omgeving → kernfusie
toevoegen nucleonen aan zwaardere kernen: specifieke bindingsenergie ↑ → kern kan energie afgeven bij splitsing→ kernsplitsing of kernfissie
2 Verval van kernen
Kernen zijn isotopen van elkaar als ze hetzelfde aantal neutronen hebben.
Juist/fout?
Fout: isotopen hebben hetzelfde aantal protonen en een verschillend aantal neutronen.
Fout: voor grotere stabielere kernen is N > Z .
Juist: er bestaan geen stabiele kernen meer met dan 84 protonen.
Op de nuclidenkaart vind je de stabiele kernen op de bissectrice gegeven door Z = N.
Juist: voor kleinere stabiele atoomkernen geldt dat Z = N.
2 Verval van kernen
De grootheid bindingsenergie heeft als eenheid joule of elektronvolt.
Juist/fout?
Juist: energie wordt uitgedrukt in joule of elektronvolt.
Massa en energie kunnen in elkaar worden omgezet.
Juist: E = m.c² geeft het verband tussen massa en energie.
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
in de natuur: veel instabiele nucliden (isotopen)
vervallen spontaan in andere nucliden die stabieler zijn
radionucliden (want radioactief)
=
zenden daarbij energie uit in de vorm van straling of deeltjes
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.1 De ontdekking van ioniserende straling
straling is een manier waarop energie zich door de ruimte verplaatst, hetzij onder de vorm van deeltjes (zoals α-straling), hetzij onder de vorm van elektromagnetische golven (zoals γ- en röntgenstraling).
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.1 De ontdekking van ioniserende straling
straling onderzocht in een elektrisch veld
drie vormen van straling door atoomkernen uitgezonden op basis van afbuiging van straling in een elektrisch veld
alfa (a) → + geladen
bèta (b) → - geladen
gamma (g) → neutraal geladen
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.2 a-straling (alfa-straling)
afbuiging in het elektrisch veld toont aan dat a-deeltjes zwaar en positief geladen zijn
deze a-deeltjes bleken helium-kernen te zijn
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.2 a-straling (alfa-straling)
a-deeltje
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.2 a-straling (alfa-straling)
hoge energie
lagere energie
a-deeltje
Ontstaan van een nieuwe kern:
twee protonen minder en twee neutronen minder ⇢ ontstaan van nieuw atoom!
Transmutatie: een atoom is een ander atoom geworden met andere eigenschappen.
Nà a-straling?
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.2 a-straling (alfa-straling)
Voorbeeld
Po
212
84
(Polonium)
→
Pb
208
82
(Lood)
spontaan radioactief verval
Een atoom E met A nucleonen en Z protonen, vervalt tot een ander atoom A-4 nucleonen en Z-2 protonen
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.2 a-straling (alfa-straling)
Yasser Arafat (1929–2004): Palestijnse leider, één van de belangrijkste figuren in het Israëlisch-Palestijnse conflict.
Wat gebeurde er met Arafat?
Er zijn vermoedens, maar geen definitief bewijs:
in 2004 werd Arafat plots ernstig ziek en stierf
symptomen pasten niet bij een duidelijke ziekte
later (2012) werden zijn persoonlijke spullen onderzocht
Zwitserse onderzoekers vonden verhoogde sporen van polonium-210
Als er vergiftiging was, dan zou dat typisch gebeuren via:
voedsel of drank
of via besmette voorwerpen
Omdat polonium:
smaakloos is
moeilijk detecteerbaar is
langzaam schade veroorzaakt
Franse en Russische onderzoeken vonden geen sluitend bewijs voor vergiftiging
Andere studies vonden wel aanwijzingen
Conclusie: Het blijft onzeker of Arafat effectief met polonium werd vergiftigd
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.2 a-straling (alfa-straling)
hoge energie van de α-straling kan in korte tijd veel weefsel van je lichaam vernietigen
heel kleine dosis is dodelijk
α - straling kan niet door de huid heen dringen
je moet het “bijvoorbeeld” via de mond binnenkrijgen (drankje)
α-deeltje is groot en zwaar, heeft lading 2+ (2x elementaire lading) ⇢ zal snel interageren met omliggende materie (trekt elektronen mee uit moleculen → gaan hierdoor ioniseren) en energie afgeven
al makkelijk tegen te houden met blad papier (zal dus niet door de huid dringen)
in lucht geraakt het enkele cm ver en is dan al zijn energie kwijt
Wat maakt polonium geschikt als gif?
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.4 g-straling (gamma-straling)
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.4 g-straling (gamma-straling)
buigt niet af in een elektrisch veld
elektromagnetische straling met de hoogste energie uit het EM-spectrum
geen deeltjesstraling ⇢ fotonen* worden uitgezonden
kern kan na het uitzenden van α-straling nog steeds instabiel zijn ⇢ overtollige energie wordt uitgezonden in de vorm van fotonen
door uitzenden van g-straling, verandert de samenstelling van de kern niet
aantal protonen en neutronen blijft hetzelfde ⇢ geen transmutatie
op nuclidenkaart blijft de nuclide op dezelfde plaats staan
(* een foton is een klein deeltje van licht of straling dat energie draagt, maar geen massa heeft – energiepakketje dat zich voortbeweegt met de snelheid van het licht)
2.3 Soorten straling
2 Verval van kernen
2.3.4 g-straling (gamma-straling)
→
+ g-straling
zéér hoog energetische straling
kan tot diep in materie doordringen
kan enkel tegengehouden worden door enkele cm lood of 1,5m beton
Hoofdstuk 2 Verval van kernen
2.4 Vervalreeksen
2.5 Halveringstijd
2.6 Ioniserend vermogen en doordringend vermogen
2.6.1 Ioniserend vermogen
2.6.2 Doordringend vermogen
2.6 Ioniserend vermogen en doordringend vermogen
2 Verval van kernen
a-, b-deeltjes en g-straling zijn hoog energetisch ⇢ kunnen elektronen uit de schillen slaan ⇢ ioniserende straling (van een atoom wordt een geladen ion gemaakt)
2.6 Ioniserend vermogen en doordringend vermogen
2 Verval van kernen
2.6.1 Ioniserend vermogen
Hoeveel ionisaties gebeuren er in de materie waar de straling doorgaat?
a-straling: groot ioniserend vermogen (grote en geladen deeltjes)
b-straling: matig ioniserend vermogen (kleine maar geladen deeltjes)
g-straling: klein ioniserend vermogen (stralingsenergie)
2.6 Ioniserend vermogen en doordringend vermogen
2 Verval van kernen
2.6.2 Doordringend vermogen
Hoe diep kan de straling doordringen in de materie?
2.6 Ioniserend vermogen en doordringend vermogen
2 Verval van kernen
2.6.2 Doordringend vermogen
a-deeltjes: “hooligans”
groot en log: en a-deeltje is een volledige heliumkern (2p, 2n), het is massief en heeft een sterke +2 lading
door zijn grootte en sterke lading trekt het deeltje heel agressief elektronen van omringende atomen aan. Het botst continu, alsof een enorme, stampende persoon zich een weg baant door een dichte menigte. Hierdoor verliest het ook snel energie → klein doordringend vermogen
elke "botsing" is eigenlijk een ionisatie-evenement (een elektron losgeslagen). Omdat het deeltje zo groot is, zijn deze gebeurtenissen zeer dicht op elkaar geconcentreerd. Analogie: de hooligan deelt heel veel, zeer ernstige klappen uit in een heel klein gebied voordat hij gestopt wordt → groot ioniserend vermogen
snel gestopt: het kost heel weinig om een alfa-deeltje te stoppen (een vel papier is genoeg), omdat al zijn energie heel snel opgebruikt is door de intensieve interactie met de materie
2.6 Ioniserend vermogen en doordringend vermogen
2 Verval van kernen
2.6.2 Doordringend vermogen
g-straling: “flitsende spoken”
"flits: g-straling bestaat uit fotonen (zuivere energie), geen deeltjes met massa
omdat het geen massa of lading heeft, is de kans op een directe interactie (absorptie of verstrooiing) met een elektron veel kleiner. Het deeltje 'spookt' door de ruimtes tussen de deeltjes. Het kan diep doordringen (papier en huid doen niets, beton of lood is nodig): groot doordringend vermogen
wanneer een gamma-foton wel interageert, is het vaak via processenwaarbij het slechts een deel van zijn energie afgeeft en doorgaat. De schade (ionisatie) is veel meer verspreid over een groot volume. Analogie: een spook flitst door de menigte en hier en daar voelt iemand onverklaarbaar een kleine, nare prik: klein ioniserend vermogen
2.6 Ioniserend vermogen en doordringend vermogen
2 Verval van kernen
