Radioactieve Reeks
Een lange radioactieve reeks
Dit diagram brengt de reis op een nucleuskaart van de vervalketen van Uranium 238 in kaart. Het alfaverval doet het aantal protonen en neutronen met 2 afnemen, terwijl het bèta-negatieve verval het aantal neutronen met 1 doet afnemen en het aantal protonen met 1 doet toenemen. De instabiliteit die door het alfaverval wordt veroorzaakt, wordt gecorrigeerd door het uiteindelijke bètaverval, wat leidt tot de stabiele kern van lood 206, met zijn 82 protonen en 124 neutronen.
IN2P3Een aantal natuurlijke radioactieve kernen is nog steeds op aarde aanwezig, ook al is hun halveringstijd bijzonder kort in vergelijking met de leeftijd van onze planeet. Deze radio-isotopen zijn de afstammelingen van drie zware kernen met een zeer lange halfwaardetijd: uranium 235 (met een halfwaardetijd van 0,7 miljard jaar), uranium 238 (dat 4,47 miljard jaar leeft) en thorium 232 (met een halfwaardetijd van 14,0 miljard jaar).
Deze drie ‘aartsvaders’, om de metafoor van de radioactieve familie door te trekken, waren alle drie aanwezig in de proto-ster: de wolk die uiteindelijk condenseerde tot de vorming van onze Zon, de Aarde en de planeten. Elk van de drie is de stamvader van een afzonderlijke familie van natuurlijke radioactieve elementen, waarvan die van uranium 238 misschien wel de belangrijkste is.
Een kern van uranium 238 vervalt door alfa-emissie en vormt een dochterkern, thorium 234. Dit thorium transformeert op zijn beurt in protactinium 234, en ondergaat vervolgens bèta-negatief verval om uranium 234 te produceren. Deze laatste isotoop verandert langzaam (met een halfwaardetijd van 245.000 jaar) in thorium 230, nog zo’n onstabiele kern.
Een dergelijke vervalketen wordt alleen gestopt door de vorming van een stabiele kern. Dit gebeurt bij de veertiende generatie van de uranium 238 familie, wanneer uiteindelijk lood 206 wordt geproduceerd. De twee andere families, die van uranium 235 en thorium 232, eindigen respectievelijk met het ontstaan van lood 207 en lood 208, twee andere stabiele isotopen van lood.
Gesimplificeerde radioactieve reeks van uranium 238. De opeenvolgende vervalen met drastisch verschillende halveringstijden veranderen de basisstructuur van de kern en dus van het atoom. Het totale aantal nucleonen daalt met 4 wanneer de kern een alfadeeltje uitzendt en verandert niet wanneer bèta-negatieve emissie plaatsvindt.
IN2P3De halfwaardetijden zijn allemaal uiterst variabel, en het is moeilijk om een scala van tijdschalen weer te geven, gaande van afzonderlijke seconden tot miljarden jaren. In die zin lijkt het verloop van een kern op de stroom van water over bergen en vlakten: op het ene punt stortvloedachtig en op het andere traag kronkelend.
Zoals normaal is voor de zwaarste kernen, komt alfaverval bijzonder vaak voor in alle drie vervalketens. Met elke emissie die een verlies van twee protonen en twee neutronen veroorzaakt, neemt de verhouding neutron : proton echter toe naarmate we verder in de stamboom komen. Als gevolg daarvan is bètaverval nodig om het evenwicht te herstellen. In de Uranium-238 stam bijvoorbeeld, wordt het eerste alfaverval gevolgd door twee opeenvolgende bètaverval, waarbij een thorium-234 kern wordt omgezet in uranium-234.
Alfaverval veroorzaakt een verlies van vier nucleonen, terwijl bètaverval geen effect heeft op het aantal aanwezige nucleonen. Daarom hebben de nakomelingen altijd een veelvoud van vier nucleonen minder dan hun voorouders: zoals te zien is bij uranium 238.
Weg van de nakomelingen van een uranium-238 kern op de nuclidenkaart die de stabiliteitsvallei laat zien. Langs deze route verkleinen alfa-emissies de kern, bèta-emissies corrigeren neutronen in overmaat. Het zal miljarden jaren duren voordat een uranium-238-kern het eindpunt bereikt, een stabiele lood-206-kern.
CEA-IRFUDe leden van de uranium-238-familie hebben dus 4n+2 nucleonen, terwijl de uranium-235-familie 4n+3 heeft en de thorium-232-familie 4n nucleonen heeft. In principe zou de vierde (4n+1) familie moeten bestaan, maar haar voorouder, neptunium 237, heeft een relatief “korte” halveringstijd van 2,14 miljoen jaar. Bijgevolg heeft deze familie ruim de tijd gehad om te verdwijnen sinds de nucleosynthese van neptunium 237 in de kernen van de sterren die aan onze zon voorafgingen.
Toegang tot pagina in het frans