noemt men het verschijnsel, waarbij sommige elementen voortdurend en spontaan, dus zonder toedoen van een uitwendige oorzaak, een straling uitzenden. Het verschijnsel werd door Henri Becquerel* in 1896 het eerst bij uranium waargenomen.
Hij stelde vast, dat de uitgezonden straling in staat was op de fotografische plaat in te werken en de lucht te ioniseren (z ionisatievat en nevelkamer). Metingen betreffende de intensiteit der straling, uitgezonden door de verschillende bestanddelen van uraanertsen, leidden het echtpaar Curie * tot de ontdekking der radioactieve elementen polonium en radium. In 1903 brachten Rutherford* en Soddy de hypothese naar voren, dat men in de radioactiviteit te doen zou hebben met een spontane transformatie der elementen. De ontwikkeling van het atoommodel* van Rutherford en Bohr* leidde tot het inzicht, dat deze transformatie haar zetel heeft in de atoomkern (z kernphysica). De kern van een radioactiefatoom moet als een mogelijke, maar instabiele configuratie van neutronen en protonen worden beschouwd. De instabiliteit houdt de mogelijkheid in tot het optreden van een spontane kerntransformatie welke met straling gepaard gaat. Men onderscheidt thans de volgende vormen van radioactiviteit.1. Alpha-radioactiviteit
Hierbij worden door de atoomkern twee protonen en twee neutronen, verenigd tot één deeltje, het zgn. α-deeltje (identiek met heliumkern, z alpha-stralen) uitgezonden.
Als A Z K een kern voorstelt met atoomnummer Z en massanummer A, dan kan de transformatie worden weer gegeven door A Z K → (A-4 Z-2 K) + (4 2 HE) + Q (1)
Hierin duidt Q de bij de transformatie vrijkomende energie aan. Veelal zal na het uitzenden van het α-deeltje de restkern (A-4 Z-2 K) nog in een aangeslagen toestand verkeren en door uitzending van energie in de vorm van één of meer gamma-quanta (z gamma-stralen) in de grondtoestand overgaan. In de transformatie-energie Q,is dan naast de kinetische energie van het α-deeltje en de restkern nog de energie van deze gamma-straling begrepen. De kinetische energie verdeelt zich over α-deeltje en restkem, op grond van de wet van behoud van impuls, volgens de omgekeerde verhouding der massa’s. De α-deeltjes van een bepaald radioactief isotoop worden daardoor alle met dezelfde energie uitgezonden, of zij vallen in enige groepen elk van een bepaalde energie uiteen. Het laatste is het geval wanneer ook gamma-stralen optreden. De energieën der gamma-quanta corresponderen dan met de verschillen tussen de energieën der groepen α-stralen.
2. Bêta-radioactiviteit
Hierbij wordt door de kern een zgn. bêta-deeltje (z bêta-stralen) uitgezonden en bovendien vermoedelijk een neutrino*. Het bêta-deeltje kan een negatief electron* zijn of een positief electron (positon). Als -1e een negatief, +1e een positief electron en ν een neutrino aangeeft, kunnen de beide transformaties (aangeduid als β–-transformatie en β+-transformatie) worden weergegeven door
A Z K → (A Z+1 K) + –1e + ν + Q (2)
A Z K → (A Z-1 K) + +1e + ν + Q (3)
Ook hier volgt op de bêta-emissie gewoonlijk een gamma-emissie, zodat de transformatie- energie Q_ zowel de kinetische energie van restkern, electron en neutrino als de energie der gamma-quanta omvat. Voor een gegeven kernsoort is de gezamenlijke energie van electron en neutrino steeds dezelfde; zij wordt echter volgens een waarschijnlijkheidswet over beide verdeeld. De energie der waargenomen electronen kan daarom variëren van nul tot een maximale waarde. De energieverdeling, die bijv. in de magnetische bêta-spectrograaf kan worden gemeten, heeft dus een continu verloop. Het was juist deze continue energieverdeling, die tot de onderstelling van het, tot nu toe niet rechtstreeks waargenomen, neutrino heeft geleid. Aangezien de kern wordt geacht uitsluitend te zijn samengesteld uit neutronen en protonen, moet men zich voorstellen dat electron en neutrino bij de transformatie ontstaan.
Deze transformatie komt, bij de uitzending van een negatief electron, neer op de overgang binnen de kern van een neutron in een proton, terwijl bij de emissie van een positon de omgekeerde overgang plaats grijpt. Daar het totale aantal nucleonen hierbij niet verandert, zijn begin- en eindkern isobaar*.
3. K- (of L-) vangst, ook s-vangst genoemd
De instabiele atoomkern absorbeert hierbij een electron uit de omringende electronenwolk, meestal uit de K-schil, soms ook uit de L-schil. In beide gevallen moet het een electron zijn, dat de kern dicht nadert, dus een zgn. s-electron (z atoommodel), vandaar de naam s-vangst. In de electronenwolk hebben dan verder overgangen plaats, die gepaard gaan met de uitzending van Röntgenstralen. De radioactiviteit verraadt zich dus hier door de spontane uitzending van Röntgenstralen. Het proces kan worden voorgesteld door
A Z K + +1e → (A Z-1 K) + Q (3)
4. Gamma-radioactiviteit
De kern zendt hierbij alleen energie uit in de vorm van gamma-stralen. De neutron-proton samenstelling van begin- en eindkern zijn dus gelijk, zodat deze isomeer* zijn. De beginkem kan men opvatten als een aangeslagen toestand van de eindkern, met dien verstande dat aan deze aangeslagen toestand een meetbare levensduur toekomt. Dit kan zich voordoen als een groot verschil in kernspin tussen aangeslagen toestand en grondtoestand de overgang zeer onwaarschijnlijk maakt. Men kan de overgang aanduiden door
A Z K* → A Z K (4)
De gamma-stralen, die na een α-emissie of β-emissie worden uitgezonden, kunnen uit de electronenwolk van het atoom electronen vrij maken. Ook is het mogelijk, dat een deel van de transformatieenergie Q direct wordt overgedragen op een electron uit de wolk, dat dan wordt vrij gemaakt en buiten het atoom treedt. Men spreekt dan van interne conversie. De bij deze secundaire processen naar buiten tredende electronen noemt men de secundaire bêta-stralen. In tegenstelling met de primaire bêta-straling, die onmiddellijk met een bêta-transformatie verbonden is, vertonen deze secundaire bêta-stralen een discontinue energieverdeling, d.w.z. zij bestaan uit enige groepen van electronen, elk met een scherp bepaalde energie.
In fig. 1 is als voorbeeld aangegeven de energieverdeling der electronen, die optreden bij de bêta-transformatie UX2 → UII (zie tabel I). De continue lijn geeft de verdeling voor de primaire electronen, de „pieken” worden gevormd door de electronen, die worden vrij gemaakt resp. uit de K-schil en de L-schil van het atoom door de gamma-quanta die bij de kerntransformatie optreden. De energiewaarden waarbij deze pieken, de zgn. conversielijnen, worden aangetroffen beantwoorden aan de energie der gamma-quanta verminderd met de vrijmakingsenergieën der schil-electronen. Daar de laatste uit de Röntgenspectra bekend zijn, kan men uit de energiewaarden der lijnen van het secundaire bêta-spectrum besluiten tot de energiewaarden der gamma-quanta.
Elk radioactief element wordt gekenmerkt door een bepaalde transformatieconstante, zodanig dat NλI het aantal transformaties aangeeft, dat in een kleine tijd I zal optreden, als het aantal aanwezige kernen N bedraagt. Het aantal transformaties per tijdseenheid is dus steeds evenredig met het aantal aanwezige nog niet getransformeerde kernen. Deze zgn. transformatiewet heeft tot gevolg dat het aantal voorhanden kernen met de tijd zal afnemen op de wijze als in fig. 2 is aangegeven. Het kenmerkende van dit verloop is, dat telkens na een vaste tijd T het aantal nog niet getransformeerde kernen tot op de helft is verminderd. Deze tijd T noemt men de halveringstijd. Tussen λ en T bestaat de betrekking T = 0,693/λ.
De waarneming leert, dat van het in fig. 2 aangegeven continu verloop kleine afwijkingen optreden en dat deze afwijkingen voldoen aan de regels der waarschijnlijkheidsrekening. Men besluit daaruit, dat de transformatiewet moet worden opgevat als een waarschijnlijkheidswet. De transformatieconstante λ is dan de kans dat de kern in de tijdseenheid transformeert. Deze kans is karakteristiek voor de beschouwde kernsoort. Zij hangt niet af van de tijd gedurende welke de kern reeds heeft bestaan en zij wordt ook niet door uitwendige omstandigheden beïnvloed.
Bij de radioactieve transformatie blijkt de massa van de restkern vermeerderd met die van het geëmitteerde deeltje kleiner te zijn dat de massa van de beginkern. De wet van behoud van massa gaat hier in de gewone vorm dus niet op. Kent men echter aan de transformatie-energie Q een massa Q c2 toe, waarin c de lichtsnelheid is, dan blijkt de totale massa voor en na de transformatie gelijk te zijn. De radioactieve processen leveren dus een rechtstreeks en quantitatief bewijs voor de regel uit de relativiteitstheorie* dat aan elke energie E een massa E/c2 toekomt (z massa).
De radioactieve elementen worden onderscheiden in de natuurlijke en de kunstmatige.
De natuurlijke radioactieve elementen, d.w.z. die welke als zodanig in de natuur worden aangetroffen, zijn allereerst die welke behoren tot de drie radioactieve reeksen, nl. de uranium-reeks, de actinium-reeks en de thorium-reeks.
De elementen van de uranium-reeks ontstaan door successieve transformatie uit de moedersubstantie, het uranium-238 isotoop. Het eindproduct van deze transformatie is het zgn. radium G, d.i. het lood-206 isotoop. In tabel I zijn alle elementen van deze reeks, met hun halveringstijden aangegeven. In fig. 3 is de reeks in schema gebracht. Een schuin naar rechts gericht streepje geeft hierin een α-overgang, een horizontaal naar links gericht streepje een β-overgang aan. Bij de natuurlijk radioactieve elementen worden geen β+-overgangen aangetroffen en evenmin s-vangst.
In fig. 3 zijn ook de actinium-reeks (moedersubstantie actino-uraan-235, T = 7.1 x 108 jaar) en de thorium-reeks (moedersubstantie thorium-232, T = 1.39 x 1010 jaar) op overeenkomstige wijze in schema gebracht. Men ziet uit de tabel en uit de figuur, dat sommige stoffen (bijv. RaC, AcC en ThC) op twee wijzen kunnen transformeren. In zulk een geval bestaat er een vaste verhouding tussen de transformatieconstanten (waarschijnlijkheden) voor elk der mogelijke processen. De halveringstijden hebben zeer uiteenlopende waarden. Voor de α-stralers geldt, dat de transformatieenergie des te groter is naarmate de halveringstijd kleiner is (wet van Geiger en Nuttal).
Dat de kort levende elementen nog in de natuur voorkomen is uiteraard gevolg van het feit, dat zij voortdurend uit de lang levende moedersubstantie worden gevormd. Tussen de vorming en verdwijning ontstaat daarbij op den duur een evenwicht met het gevolg dat tussen de elementen van een reeks een vaste concentratieverhouding ontstaat en wel zodanig, dat de concentraties evenredig zijn met de halveringstijden. Zo zal zich in een uraniummineraal de concentratie van het radium verhouden tot die van het uranium als TRA:TU = = 1590 : 4,56 x 109 = 1 : 2870. Behalve de elementen die tot de genoemde reeksen behoren, zijn met zekerheid nog vier op zichzelf staande natuurlijk radioactieve elementen bekend. Drie hiervan zijn bêta-stralers, het zijn isotopen van kalium, rubidiumen lutetium, nl. 40 19 K (T circa 4 x 108 jaar), 87 37 Rb (T circa 6,3 x 1810 jaar) en 176 71 Lu (T circa 7 x 1010 jaar). Zij gaan elk direct over in een stabiel isotoop, nl. resp. van argon (40 20 A), van strontium (87 38 Sr) en hafnium (176 72 Hf). Het vierde is een isotoop van samarium, nl. (152 62 Sm), dat door α-emissie met een halveringstijd van ca 1011 jaar overgaat in een stabiel neodynium isotoop, nl. (148 60 Nd).
TABEL I. DE URAANREEKS
Isotoop Symbool Rang-
nummer Massanummer Halveringstijd Straling
Uraan I U I 92 238 4,5 x 109 jaar α-→ UX1
Uraan X1 UX1 90 234 24,1 dagen 99,65 pct β → UX1
0.35 pct β → UZ
Uraan X2 UX2 91 234 1,14 min β → U II
Uraan Z UZ 91 234 6,7 uur β → U II
Uraan II U II 92 234 2,3 x 105 jaar α → Jo
Jonium Jo 90 230 8,3 x 104jaar α → Ra
Radium Ra 88 226 1590 jaar α → Rn
Radiumemanatie Rn 86 222 3,825 dagen α → RaA
Radium A RaA 84 218 3,05 min α → RaB
Radium B RaB 82 214 26,8 min β → RaC
Radium C RaC 83 214 19,7 min 99,96 pct β → RaC'
0,04 pct β → RaC''
Radium C' RaC' 84 214 1,5 X 10–4 sec β → RaD
Radium C" RaC'' 81 210 1,32 min β → RaD
Radium D RaD 82 210 22 jaar β → RaE
Radium E RaE 83 210 5,0 dagen β → RaF
Polonium (RaF) Po(RaF)
RaG 84
82 210
206 140 dagen stabiel α → RaG
Radium G ………..
De kunstmatig radioactieve isotopen verkrijgt men uit in de natuur voorkomende elementen door middel van kernreacties. Zij zijn overwegend β+- of β--radioactief of vertonen s-vangst of gammaradioactiviteit. In het algemeen geldt: een kunstmatig verwekt radioactief isotoop, dat één of meer neutronen méér bevat dan een stabiel isotoop van hetzelfde element, is β--radioactief. Door één of enkele successieve omzettingen van een neutron in een proton, onder uitzending van een negatief electron, gaat het over in een stabiel element. Bevat het kunstmatig radioactief isotoop daarentegen een of meer neutronen minder dan een stabiel isotoop van hetzelfde element, dan zal het door een of meer overgangen van een proton in een neutron overgaan in een stabiel element en dus β+-radioactief zijn, of s-vangst vertonen. Het kan ook zijn, dat een kunstmatig isotoop zowel door een neutron-proton als door een proton-neutron overgang in een stabiele toestand kan komen.
Dan zal het zowel β-- als β+--radioactief zijn. In fig. 4 zijn in een neutron-proton diagram alle thans bekende stabiele, natuurlijk radioactieve en kunstmatig radioactieve elementen verenigd (vergelijk ook kernphysica, fig. 1 en 2). Men ziet, dat het gebied der stabiele kernen aan de bovenzijde (grote N) begrensd is door β--radioactiviteit en aan de onderzijde (kleine N) door β+--radioactiviteit, terwijl voor de hoge waarden van N en Z de natuurlijke radioactieve stoffen optreden waarbij zowel α- als β-radioactiviteit optreedt.
Het feit dat in het diagram in de buurt van Z = 38 en Z = 55 een zo groot aantal kunstmatig radioactieve isotopen voorkomt, komt doordat bij de uraansplijting (z atoomenergie) juist deze elementen optreden. De halveringstijden der kunstmatig radioactieve isotopen variëren van fracties van een seconde tot enige maanden, hetgeen verklaart, dat deze instabiele kernsoorten als zodanig in de natuur niet voorkomen.
Van de natuurlijk radioactieve elementen vindt vooral het radium toepassing in de medische therapie (kankerbestrijding). Van groot belang is het verschijnsel der radioactiviteit voorts voor de bepaling van de ouderdom van gesteenten. De transformatie van een uraan-238 kern resulteert in een kern van het stabiele lood-206 isotoop. In normaal lood komt dit isotoop niet voor, zodat men mag aannemen, dat het in uraanhoudende mineralen aangetroffen lood-206 geheel door de radioactieve transformatie uit uraan is ontstaan. Bepaling van het uraangehalte en van het lood-206 gehalte biedt dus de mogelijkheid om met gebruikmaking van de bekende halveringstijd van uraan, de tijd te berekenen gedurende welke de transformatie in het gestolde materiaal heeft plaats gehad. Naast deze zgn. loodmethode past men de heliummethode toe, die gebaseerd is op het feit, dat de transformatie van een uraan-atoom in een lood-atoom gepaard gaat met de emissie van acht a-deeltjes,die evenzoveel helium-atomen opleveren.
De kunstmatig radioactieve elementen, geproduceerd met de uraniumzuil (z atoomenergie) of met het cyclotron*, worden reeds op grote schaal toegepast als „tracers” (speurelementen) bij het onderzoek van chemische, physiologische en biologische processen. Voegt men nl. aan zulk een proces, waaraan een bepaald element deelneemt, een radioactief isotoop van hetzelfde element als tracer toe, dan kan men door stralingsmetingen het verloop van het proces in zijn verschillende stadia volgen zonder in het proces storend in te grijpen.
Sommige kunstmatig radioactieve elementen, met name jodium-131 (T = 8 d) en phosphor-32 (T = 14 d), vinden ook reeds toepassing in de medische therapie.
PROF. DR G. J. SIZOO
