Alfadeeltje

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Een atoomkern links vervalt onder uitzending van het alfadeeltje rechts.
Alfastraling (bovenste figuur) wordt al tegengehouden door een stukje papier. Voor betastraling is al een aluminium plaat nodig en gammastraling gaat zelfs door heel dikke materialen.

Het alfadeeltje bestaat uit twee neutronen en twee protonen. Het is identiek aan een kern van de 4He isotoop van helium. Bij het radioactief verval van zware elementen wordt er vaak een alfadeeltje uitgestoten. Dit kan zijn omgeving ioniseren. Dit verschijnsel staat bekend als alfastraling.

Stabiel deeltje[bewerken]

De sterke kernkracht houdt het alfadeeltje zo sterk bijeen, dat deze kern heel stabiel is (zie grafiek van de bindingsenergie per nucleon). De bindingsenergie bereikt bij isotopen vanaf het losse proton een eerste maximum bij het alfa-deeltje. Een gevolg van deze sterke binding is dat er geen kernen met 5 en met 8 kerndeeltjes bestaan, want die zouden onmiddellijk uiteenvallen in een alfadeeltje en een proton of neutron, respectievelijk twee alfadeeltjes.

Een alfa-deeltje is de kleinste dubbel magische kern (het aantal protonen P = Z (kernlading en elementnummer) = 2, maar ook is het aantal neutronen N = 2) zodat de eerste kernschil gevuld is. (Vergelijk de elektronenstructuur van de edelgassen met hun gevulde elektronenschillen.) Al deze protonen en neutronen zitten in een s1/2-schil (kwantumgetal l = 0 ), met totale kernspin 0 en een even pariteit.[1]

In sterren als de zon worden bij hoge dichtheid een temperatuur van 15 miljoen Kelvin alfadeeltjes geproduceerd in de proton-protoncyclus uitgaande van 4 protonen. De energie die de fusie oplevert kan bepaald worden door de rustmassa's van zes protonen (M1) en twee protonen + twee alfadeeltjes (M2) van elkaar af te trekken. Het blijkt dat dit verschil 0.7% van M1 is. Deze energie is verdeeld over de producten van de proton-protonreacties. Tijdens de eerste reactie, productie van Deuteriumkernen wordt een elektronneutrino gevormd en een positron, dat vrijwel ogenblikkelijk zal annihileren met een naburig elektron en gammastraling produceren, de tweede reactie naar 3He levert gammastraling op en bij de derde naar alfadeeltjes worden weer protonen gevormd. De energie uit al deze reacties kan worden berekend door E=(M1-M2)c2. Dit is de voornaamste energiebron van sterren, waaronder ook onze zon, omdat de daarop volgende fusiereacties een steeds kleinere energieopbrengst hebben en daarom minder lang duren.

Alfa-verval[bewerken]

Daardoor is het alfa-deeltje buitengewoon stabiel en gedraagt het zich als een zelfstandig deeltje, met veel bindingsenergie. In een instabiele atoomkern met te veel neutronen ten opzichte van het aantal protonen kan een alfa-deeltje makkelijker door de barrière van de sterke aantrekkende kernkracht komen dan een zwaarder deeltje.

Door een alfa-deeltje uit te zenden doet een kern met te veel neutronen ten opzichte van het aantal protonen de efficiëntste stap om in het stabiele gebied van isotopen in het (M=N+P,Z)-diagram te komen. Daarom is er wel alfa-verval en niet "proton-verval", "neutron-verval" of "koolstof-verval" enzovoorts.

Vervaltijd en potentiaalbarrière[bewerken]

Binnen de kern vormen zich af en toe alfa-deeltjes, die door het tunneleffect soms kunnen ontsnappen aan de potentiaal van de atoomkern. Hun energie (4-9 MeV) is veel minder dan de hoge barrière van de gecombineerde Coulombkracht en sterke kernkracht: deze is 40 MeV voor de meeste alfa-stralers. Dit is uit te rekenen met kwantummechanica.[2] Zie ook Wet van Geiger-Nuttall voor een empirisch verband tussen energie en vervaltijd.

Het blijkt dat de ontsnappingskans (vervaltijd) heel gevoelig afhangt van de hoogte en breedte van de barrière. Daardoor hebben we bij een factor twee in alfa-energie en enorm verschil in vervaltijd.

Energie alfastraling en halveringstijd
Nuclide Energie alfa-deeltje (MeV) Halveringstijd
238U 4,13 en 4,18 4,5 miljard jaar
214Po 7,68 160 microseconden

Fijnstruktuur[bewerken]

De alfa-deeltjes uit een kern hebben strikt bepaalde energieën. In de nevelkamer is dat te zien aan de vaste lengtes van de sporen. Bijvoorbeeld 238U geeft alfadeeltjes met 4,18 MeV en 4,13 MeV, omdat de resterende kern in een aangeslagen of grondtoestand achterblijft. Gammastraling volgt op zo'n alfa-verval naar een aangeslagen toestand. Bij de overgang van Bismut-212 naar Thallium-208 komen alfa-deeltjes met wel zes verschillende energieën vrij.

Ontdekking[bewerken]

Een alfadeeltje wordt vanwege zijn elektrische lading naar boven afgebogen in een magnetisch veld dat van ons afloopt.

Ernest Rutherford merkte in 1898 op dat in een magnetisch veld radioactieve straling uit een bron van thorium of uranium uiteenviel in twee soorten: de alfastraling - zoals hij die noemde - werd enigszins de ene kant op gebogen, de bètastraling - ook zijn naam - veel sterker de andere kant op.

Rutherford mat de verhouding tussen de massa en de elektrische lading van het alfadeeltje en speculeerde dat alfadeeltjes heliumkernen waren (deuteriumkernen met dezelfde verhouding waren nog niet bekend)[3] Dat het inderdaad om heliumkernen ging werd aangetoond met een experiment waarbij de alfadeeltjes door een dun glasraam een vacuümbuis ingeschoten werden en daar tot gloeien werden gebracht in een elektrisch spanningsveld (dus als gasontladingsbuis). Het spectrum van het onbekende gas van alfadeeltjes bleek overeen te komen met dat van helium.

Experiment met goudfolie[bewerken]

Uit een ander experiment dat Rutherford in 1909 uitvoerde met Hans Geiger en Ernest Marsden bleek de leegte van het atoom. Ze beschoten een goudfolie met alfadeeltjes uit een bron van uranium(III)bromide. Maar weinig alfadeeltjes werden door de goudfolie verstrooid, de meeste passeerden de goudfolie zonder verandering van richting.

Toepassingen[bewerken]

  • De meeste rookdetectoren bevatten een kleine hoeveelheid van de alfastraler Americium-241. De alfadeeltjes ioniseren de lucht in een spleet, zodat de lucht geleidend wordt en er door een aangelegde elektrische spanning een kleine elektrische stroom door kan lopen. Rookdeeltjes van een brand onderbreken of verkleinen deze elektrische stroom, waarop het alarm is afgesteld. Het gebruikte isotoop is zeer giftig als het in het lichaam komt, maar het risico is minimaal als de bron verzegeld blijft. Oude rookdetectoren mogen niet bij het gewone afval, maar moeten als radioactief afval apart worden ingezameld.
  • Alfaverval kan energie leveren voor ruimtesondes en pacemakers. De alfadeeltjes zijn gemakkelijk weg te vangen. De alfastraler Plutonium-238 bijvoorbeeld vereist maar 2,5 mm lood om de straling af te schermen.
  • Alfadeeltjes kunnen worden gebruikt als radiotherapie om tumoren mee te bestrijden. Alfastraling van een bron bij de tumor beschadigt het tumorweefsel maar wordt gemakkelijk geabsorbeerd, zodat gezond weefsel buiten schot blijft.

Zie ook[bewerken]

Externe links[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. Alonso & Finn: Fundamental university physics III Quantum and statistical physics, 1978
  2. G.L. Squires: Problems in quantum mechanics with solutions, Cambrdige, 1995
  3. Hellemans, Alexander; Bryan Bunch (1988): The Timetables of Science. New York, Simon and Schuster. pp. 411. ISBN 0-671-62130-0.