0.1 Soorten straling

Een niet-stabiele kern die vervalt, zendt straling uit. De Franse natuurkundige Henri Becquerel ontdekte dat toevallig in tijdens het werken met uraanerts. Verder onderzoek door o.a. Pierre en Marie Curie, Ernest Rutherford en Frederick Soddy leerde dat die straling een sterk doordringend vermogen heeft en zelfs op een afgeschermde fotografische plaat zwarting veroorzaakt. Die straling heeft ook een sterk ioniserend vermogen: dat betekent dat elektronen uit bv. luchtmoleculen gestoten kunnen worden, waardoor lucht geleidend wordt.

Omdat de ioniserende straling zelf niet radioactief is, vermijden we de term radioactieve straling en gebruiken we eerder de term ioniserende straling.

Door die straling te onderzoeken met elektrische en magnetische velden, heeft men kunnen besluiten dat er drie soorten ioniserende straling bestaan: , en -straling.

  Figuur 1 – Een radioactieve bron straalt verschillende types ioniserende straling uit.  

Verder onderzoek leerde:

(a)
Ioniserende straling ontstaat als een niet-stabiele nuclide ’vervalt’.
(b)
Zo’n nuclide noemt men daarom ook een radionuclide.
(c)
Bij radioactief verval verandert de kern van het atoom en ontstaat er een ander atoom: er gebeurt een kernreactie of transmutatie.

0.2 -straling

Bij -straling wordt een deeltje uit de kern van het atoom gestoten. Dit deeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen: het is dus een -kern en men noemt het een -deeltje. De snelheid van -deeltjes ligt tussen en km/s.

De -deeltjes hebben een relatief grote massa en lading en veroorzaken daardoor veel ionisaties in materie per cm. Omdat ze zo hun energie snel kwijt geraken is hun doordringingsvermogen erg klein; in een gas zoals lucht is hun dracht slechts enkele cm. In materie in vaste vorm is dit nog veel minder, zodat bv. één blad papier al volstaat om de meeste - deeltjes tot rust te brengen en de straling zo tegen te houden.

Deze soort straling treedt vooral op bij zwaardere nucliden. Vermits het -deeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen, daalt het aantal protonen met en het massagetal met . Bij -verval ontstaat dus een ander element!

Voorbeeld: radium is een -straler:

0.3 - straling

Bij -straling wordt er een deeltje uit de kern gestoten met de massa van een elektron.

Als dat deeltje negatief is spreken we van -verval. Als het deeltje positief is, spreken we van -verval. De snelheid van -deeltjes ligt rond km/s.

Door hun kleine massa hebben de -deeltjes een klein ioniserend vermogen. Daardoor en omwille van hun grote snelheid hebben ze een groot doordringingsvermogen. Om -straling tegen te houden, heb je bv. een aluminiumplaat nodig met een dikte van enkele mm.

Deze straling treedt zowel bij lichtere als bij zwaardere elementen op.

-straling

Hoe kan het dat een negatief deeltje uit de kern gestoten wordt, want de kern bestaat toch enkel uit positieve en neutrale deeltjes? Men neemt aan dat in de kern een neutron wordt omgezet in een proton en een elektron:

Dat elektron wordt uit de kern gestoten.

Bij -straling blijft het aantal kerndeeltjes gelijk: het aantal protonen neemt met toe en het aantal neutronen neemt met af.

Voorbeeld: thorium is een -straler:

-straling

Bij -straling wordt in de kern een proton omgezet in een neutron en een positief elektron (een positron):

Dat positron wordt uit de kern gestoten. Een positron is een deeltje met de eigenschappen van een elektron, maar met een positieve lading. Zo’n deeltje met tegengestelde eigenschappen noemt men een antideeltje.

Bij -straling blijft het aantal kerndeeltjes gelijk: het aantal protonen daalt met en het aantal neutronen stijgt met .

Voorbeeld: stikstof is een -straler: .

Elektronvangst

Sommige nucliden vervallen door elektronvangst (EV). Hierbij wordt een elektron van de K-schil door de kern gevangen en met een proton omgezet in een neutron.

De kern muteert dus zoals bij -straling: het aantal kerndeeltjes blijft gelijk, het aantal protonen daalt met en het aantal neutronen stijgt met . EV gaat meestal gepaard met X-straling.

Voorbeeld: Argon vervalt door EV: .

0.4 -straling

Zoals voor de elektronen bestaan er ook voor de kern verschillende energieniveaus. Dikwijls bevindt de kern zich na - of -verval nog in een aangeslagen toestand, d.w.z. boven zijn laagste energieniveau (de grondtoestand). Een aangeslagen kern noteren we als . Als de kern vervalt naar de grondtoestand, wordt de overtollige energie uitgestoten als -straling. Die straling is van dezelfde aard als licht, radiogolven, IR-straling, microgolven, X-stralen: het zijn stralen van het elektromagnetisch spectrum. Die stralen bestaan uit deeltjes, fotonen genaamd, die bewegen met de lichtsnelheid en elk een pakketje energie vertegenwoordigen. Bij -straling bevatten de fotonen heel veel energie.

Omdat -straling bestaat uit ongeladen deeltjes met heel veel energie is het ionisatievermogen ervan beperkt en heeft -straling een heel groot doordringingsvermogen: om die straling tegen te houden is bv. een muur nodig van enkele meters dik of een loden plaat met een dikte van enkele cm. Vermits bij -straling slechts energie uit de kern wordt gestoten, blijven het atoomnummer en het massagetal van de kern hetzelfde.

0.5 Behoudswetten

Bij de verschillende vervalvormen is steeds voldaan aan een aantal behoudswetten:

(a)
Behoud van energie en massa: de som van energie en massa voor het verval is gelijk aan de som van energie en massa na het verval.
(b)
Het aantal kerndeeltjes voor het verval is gelijk aan het aantal kerndeeltjes na het verval.
(c)
De lading van het totaal aantal deeltjes voor het verval is gelijk aan de lading van het totaal aantal deeltjes na het verval.

0.6 Detectie van ioniserende straling

Ioniserende straling is niet rechtstreeks waar te nemen. Daarom werden verschillende soorten detectoren ontwikkeld om die straling te detecteren of te meten. Die detectie steunt op het principe dat de straling in staat is materie te ioniseren.

De Geiger-Müllerteller werd in ontworpen door Hans Geiger en Walther Müller. Deze detector bestaat uit een gesloten metalen buis, gevuld met gas, en aan één zijde afgesloten door een dun doorzichtig venster. Wanneer een - of - of -deeltje door het venster invalt, wordt het gas geïoniseerd. Door de ontstane ionen wordt het gas even geleidend en loopt er even een stroom door het gas. Deze stroom wordt gemeten: de stroom wordt versterkt en gaat naar een teller of een luidspreker. Door zijn eenvoud is dat een van de meest gebruikte en goedkoopste detectoren.

  Figuur 2 – Voorbeeld van een Geiger-Müllerteller voor didactisch gebruik