Inleidende scheikunde – 1ste Canadese editie

We hebben in hoofdstuk 3 “Atomen, Moleculen en Ionen” gezien dat atomen zijn opgebouwd uit subatomaire deeltjes – protonen, neutronen en elektronen. Protonen en neutronen bevinden zich in de atoomkern en leveren het grootste deel van de massa van een atoom, terwijl elektronen in schillen en subschillen rond de atoomkern cirkelen en verantwoordelijk zijn voor de grootte van een atoom.

We hebben in hoofdstuk 3 “Atomen, Moleculen en Ionen” ook de notatie geïntroduceerd om een isotoop van een bepaald atoom beknopt weer te geven:

612C

Het element in dit voorbeeld, weergegeven door het symbool C, is koolstof. Het atoomnummer, 6, is het subscript naast het symbool en is het aantal protonen in het atoom. Het massagetal, het superscript naast het symbool, is de som van het aantal protonen en neutronen in de kern van deze specifieke isotoop. In dit geval is het massagetal 12, wat betekent dat het aantal neutronen in het atoom 12 – 6 = 6 is (d.w.z. het massagetal van het atoom min het aantal protonen in de kern is gelijk aan het aantal neuronen). Soms wordt het atoomnummer in deze notatie weggelaten, omdat het symbool van het element zelf het karakteristieke atoomnummer weergeeft. De twee isotopen van waterstof – 2H en 3H – krijgen hun eigen naam en symbool: respectievelijk deuterium (D) en tritium (T).

De atoomtheorie ging er in de negentiende eeuw van uit dat kernen een vaste samenstelling hadden. Maar in 1896 ontdekte de Franse wetenschapper Henri Becquerel dat een uraniumverbinding die in de buurt van een fotografische plaat werd geplaatst, een beeld op de plaat maakte, zelfs als de verbinding in een zwarte doek was gewikkeld. Hij redeneerde dat de uraniumverbinding een soort straling uitzond die door het doek ging en de fotografische plaat belichtte. Nader onderzoek wees uit dat de straling een combinatie was van deeltjes en elektromagnetische stralen, met als uiteindelijke bron de atoomkern. Deze uitstralingen werden uiteindelijk, collectief, radioactiviteit genoemd.

Er zijn drie hoofdvormen van radioactieve uitstralingen. De eerste wordt een alfadeeltje genoemd, dat wordt gesymboliseerd door de Griekse letter α. Een alfadeeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen en is gelijk aan een heliumkern. (We gebruiken vaak 24He om een alfadeeltje voor te stellen.) Het heeft een 2+ lading. Wanneer een radioactief atoom een alfadeeltje uitzendt, neemt het atoomnummer van het oorspronkelijke atoom met twee af (door het verlies van twee protonen), en zijn massagetal met vier (door het verlies van vier kerndeeltjes). We kunnen de emissie van een alfadeeltje weergeven met een chemische vergelijking-bijvoorbeeld, de alfadeeltjesemissie van uranium-235 is als volgt:

92235U → 24He+90231Th

In plaats van deze vergelijking een chemische vergelijking te noemen, noemen we het een atoomvergelijking om te benadrukken dat de verandering plaatsvindt in een atoomkern. Hoe weten we dat een product van deze reactie 90231Th is? We gebruiken de wet van behoud van materie, die zegt dat materie niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Dit betekent dat we hetzelfde aantal protonen en neutronen moeten hebben aan beide zijden van de atoomkernvergelijking. Als onze uraniumkern 2 protonen verliest, blijven er 90 protonen over, waardoor het element als thorium wordt geïdentificeerd. Bovendien, als we vier kerndeeltjes van de oorspronkelijke 235 verliezen, blijven er 231 over. We gebruiken dus aftrekking om de isotoop van het Th-atoom te identificeren – in dit geval 90231Th.

Chemici gebruiken vaak de namen ouder-isotoop en dochter-isotoop om het oorspronkelijke atoom en het product anders dan het alfadeeltje aan te duiden. In het voorgaande voorbeeld is 92235U

de moederisotoop, en 90231Th de dochterisotoop. Wanneer een element op deze manier in een ander element verandert, ondergaat het radioactief verval.

Het tweede belangrijke type radioactieve emissie heet een bètadeeltje, gesymboliseerd door de Griekse letter β. Een bètadeeltje is een elektron dat uit de kern wordt uitgeworpen (niet uit de elektronenschillen rond de kern) en heeft een lading van 1-. We kunnen een bètadeeltje ook voorstellen als -10e. Het netto-effect van de emissie van betadeeltjes op een kern is dat een neutron wordt omgezet in een proton. Het totale massagetal blijft gelijk, maar omdat het aantal protonen met één toeneemt, gaat het atoomnummer met één omhoog. Koolstof-14 vervalt door het uitzenden van een bètadeeltje:

614C → 714N +-10e

Ook hier is de som van de atoomnummers aan beide kanten van de vergelijking gelijk, evenals de som van de massagetallen. (Merk op dat aan het elektron een “atoomnummer” wordt toegekend van -1, gelijk aan zijn lading.)

Het derde belangrijke type radioactieve emissie is geen deeltje, maar veeleer een zeer energetische vorm van elektromagnetische straling die gammastralen wordt genoemd, gesymboliseerd door de Griekse letter γ. Gammastralen zelf hebben geen algemene elektrische lading, maar zij kunnen elektronen uit atomen in een monster van materie slaan en het elektrisch geladen maken (waarvoor gammastralen ioniserende straling worden genoemd). Zo wordt bij het radioactieve verval van radon-222 zowel alfa- als gammastraling uitgezonden, waarbij de laatste een energie heeft van 8,2 × 10-14 J per vergane kern:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Dit lijkt misschien niet veel energie, maar als 1 mol Rn-atomen zou vervallen, zou de energie van de gammastraling 4..9 × 107 kJ bedragen!

Dit lijkt misschien niet veel energie, maar als 1 mol Rn-atomen zou vervallen, zou de energie van de gammastraling 4..9 × 107 kJ bedragen!9 × 107 kJ!

Alfa-, bèta- en gammastraling hebben verschillende vermogens om materie te doordringen. Het betrekkelijk grote alfadeeltje wordt gemakkelijk door materie tegengehouden (hoewel het een aanzienlijke hoeveelheid energie kan afgeven aan de materie waarmee het in aanraking komt). Bèta-deeltjes dringen slechts in geringe mate in materie door, misschien hooguit enkele centimeters. Gammastralen kunnen diep in materie doordringen en kunnen een grote hoeveelheid energie aan de omringende materie afgeven. Tabel 15.1 “De drie hoofdvormen van radioactieve straling” geeft een overzicht van de eigenschappen van de drie hoofdvormen van radioactieve straling.

Occasioneel, breekt een atoomkern in kleinere stukken in een radioactief proces dat spontane splijting (of splijting) wordt genoemd. Typisch, zijn de dochterisotopen die door splitsing worden geproduceerd een gevarieerde mengeling van producten, eerder dan een specifieke isotoop zoals bij alfa- en betadeeltjesemissie. Vaak produceert splijting een overmaat aan neutronen die soms door andere kernen worden opgevangen, waardoor mogelijk extra radioactieve gebeurtenissen worden veroorzaakt. Uranium-235 ondergaat in geringe mate spontane splijting. Een typische reactie is

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

waarbij 01n een neutron is. Zoals bij elk nucleair proces moeten de som van de atoomnummers en de massagetallen aan beide zijden van de vergelijking gelijk zijn. Spontane splijting komt alleen voor in grote kernen. De kleinste kern die spontane splijting vertoont is lood-208. (Splijting is het radioactieve proces dat wordt gebruikt in kerncentrales en één type kernbom.)