Back to chapter

9.1:

Radioactiviteit en Nucleaire vergelijkingen

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Radioactivity and Nuclear Equations

Languages

Share

Het dichtste gebied van een atoom is de kern, die protonen en neutronen bevat gezamenlijk nucleonen genoemd. Het type atoom dat wordt gedefinieerd door een bepaald aantal protonen en neutronen, wordt een nuclide genoemd. De notatie voor een nuclide omvat een elementsymbool, atoomnummer en massagetal.Een van de vele verkorte notaties voor nucliden gebruikt de elementnaam, een koppelteken en het massagetal. Nucliden met hetzelfde atoomnummer maar verschillende massagetallen worden isotopen van elkaar genoemd. Koolstof heeft dus drie isotopen die hier worden weergegeven.Nucliden worden ook gekenmerkt door hun energietoestand. De enkele isotoop technetium-99 bestaat bijvoorbeeld in twee verschillende toestanden:de lagere energetische grondtoestand en een langlevende aangeslagen toestand die een metastabiele toestand wordt genoemd. Deze twee soorten zijn, hoewel ze hetzelfde aantal protonen en neutronen hebben, verschillende nucliden.Interessant is dat sommige elementen in het periodiek systeem stabiele nucliden hebben, die voor onbepaalde tijd intact blijven. Daarentegen hebben sommige elementen alleen onstabiele nucliden, radionucliden genaamd. De spontane nucleaire desintegratie van uranium-238 produceert bijvoorbeeld thorium-234.Het proces wordt radioactief verval genoemd. De dochternuclide die tijdens het verval wordt geproduceerd, kan stabiel of radioactief zijn. Het proces gaat gepaard met de emissie van kleine fragmenten of elektromagnetische straling.Alfadeeltjes zijn gelijk aan heliumkernen. Hun emissie vermindert het atoomnummer met 2 en het massagetal met 4. Beta-deeltjes zijn equivalent aan elektronen;bij emissie neemt het atoomnummer van de dochternuclide toe met 1.Omdat ze een negatieve lading hebben, wordt dit bèta min verval genoemd. De emissie van een positron, die dezelfde massa heeft als een elektron maar tegengestelde lading, verlaagt het atoomnummer met 1. Het wordt vaak bèta plus verval genoemd.Gammastralen zijn hoogenergetische elektromagnetische straling, waarvan de emissie het atoomgetal noch het massagetal verandert. Protonenemissie verlaagt het massagetal en atoomnummer met 1 elk, terwijl neutronenemissie het massagetal met 1 verlaagt. Nucleaire vergelijkingen brengen het verschil tussen ouder-en dochternucliden in kaart en geven de aard van het verval aan.Het radioactieve verval van uranium-238 tot thorium-234 gaat gepaard met de uitstoot van alfadeeltjes. Nucleaire vergelijkingen zijn net als chemische vergelijkingen in balans. De som van de massagetallen is aan elke kant van de vergelijking hetzelfde.Omdat dit alfa-verval is, geldt dat ook voor de som van de atoomnummers.

9.1:

Radioactiviteit en Nucleaire vergelijkingen

Nuclear chemistry is the study of reactions that involve changes in nuclear structure. The nucleus of an atom is composed of protons and, except for hydrogen, neutrons. The number of protons in the nucleus is called the atomic number (Z) of the element, and the sum of the number of protons and the number of neutrons is the mass number (A). Atoms with the same atomic number but different mass numbers are isotopes of the same element.

A nuclide of an element has a specific number of protons and neutrons and is in a specific nuclear energy state. The notation for a nuclide is Eq1 , where X is the symbol for the element, A is the mass number, and Z is the atomic number. There are also several shorthand notations for nuclides, many of which omit the atomic number. For example, Eq2  may be written carbon-14, C-14, or 14C.

If the nuclide is in a temporary excited state, this is typically denoted with an asterisk. If it is in a longer-lived excited state, called a metastable state, this is denoted by adding ‘m’ to the mass number. For example, the isotope technetium-99 exists as ground-state Eq3 and metastable Eq4. If there is more than one metastable state for a given isotope, they are numbered in increasing energy order. For example, the isotope tantalum-180 has five nuclides: ground-state Eq5 and metastable states Eq11 , Eq6 , Eq7 , and Eq8 .

Nuclear reactions are the transformations of one or more nuclides into another, which occur via changes in the atomic numbers, mass numbers, or nuclear energy states of nuclei. To describe a nuclear reaction, we use an equation that identifies the nuclides and particles involved in the reaction. As with chemical reactions, nuclear reactions obey conservation of mass: the sum of the mass numbers of the reactants equals the sum of the mass numbers of the products.

Many different particles or photons can be involved in nuclear reactions. The most common include alpha particles (α or Eq19 ), which are high-energy helium-4 nuclei; beta particles (β), which include electrons (e or β) and positrons (e+ or β+); gamma rays (γ); neutrons (Eq12 ); and protons (p+ or Eq10 ).

Some nuclides remain intact indefinitely, or are stable, whereas others spontaneously transform into other nuclides, or are unstable. The spontaneous change of an unstable nuclide into another is radioactive decay. The unstable nuclide is called the parent nuclide, and the nuclide that results from the decay is known as the daughter nuclide. The daughter nuclide may be stable, or it may decay itself.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability and Openstax, Chemistry 2e, Section 21.2: Nuclear Equations.

Additional Sources

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Accessed 2021-01-10

International Atomic Energy Agency, Nuclear Data Section. Live Chart of Nuclides. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Accessed 2021-01-10