De Verenigde Naties hebben 2019 uitgeroepen tot het internationale jaar van het Periodiek Systeem. Het is dit jaar namelijk 150 jaar geleden dat Dmitri Mendelejev de basis legde voor deze ordening van elementen. Eerder zijn we ingegaan op de natuurkunde van de vorming van elementen, in dit artikel gaat het over de logische vervolgstap: het verval van elementen.
Een isotoop van een element is in sommige gevallen instabiel. Een andere verhouding van protonen en neutronen is dan energetisch gunstiger. Om die reden zijn sommige isotopen radioactief: ze vervallen. Bij dat verval schieten geladen deeltjes weg, waardoor het isotoop in een ander element verandert dat stabieler is. Dit proces kan een aantal keer herhaald worden, totdat uiteindelijk een stabiel isotoop van een element ontstaat.
Nuclidenkaart
We kunnen een uitgebreidere variant van het periodiek systeem beschouwen, de zogenaamde nuclidenkaart. Dit is een grafiek waarin het aantal neutronen is uitgezet tegen het aantal protonen. Hierin heeft elke isotoop zijn eigen plek en zitten ze in het periodiek systeem niet allemaal bij elkaar in het ene vakje van het element waartoe ze behoren.
Als een isotoop N neutronen heeft en Z protonen, dan kan het in theorie op acht manieren van isotoop en/of element veranderen. De acht manieren staan aangegeven in de onderstaande figuur.
Van deze acht mogelijke manieren zijn in de praktijk alleen de groene varianten waargenomen als ‘natuurlijk’ of ‘uit zichzelf voorkomend’ verval.
De grijze varianten komen nooit voor (om allerlei goede redenen) en het invangen van een neutron gebeurt alleen door beschieting. De situatie waarbij 1 neutron verandert in een proton betekent dat er een negatieve lading moet worden weggeschoten: een elektron. Dat wordt β- straling genoemd en het proces β- verval. Je zou ook een positief geladen elektron (positron of β+) kunnen invangen, maar dat is geen natuurlijk verval van binnenuit. Het is een beschieting van buitenaf. Op dezelfde manier kun je een positieve lading wegschieten (β+ verval) of 2 positieve ladingen en 4 kernmassa’s: een heliumkern (α-deeltje).
Bij beschietingen worden vooral neutronen gebruikt. Die kunnen door een atoomkern worden ingevangen. Beschieten met geladen deeltjes als protonen is heel moeilijk, omdat deze positief geladen deeltjes door de positief geladen kern worden afgestoten en hierdoor de kern niet of nauwelijks kunnen bereiken. Ongeladen neutronen hebben dit probleem niet.
Elementvorming in een supernova
Bij supernova uitbarstingen zie je dat zich nieuwe isotopen vormen doordat losse neutronen ingevangen worden door isotopen in het materiaal van de weggeschoten sterschillen. Daardoor ontstaat een zwaarder isotoop van hetzelfde element. Als dat een instabiele kern is, dan zal deze vervallen.
Er zijn dan twee mogelijkheden.
Als eerste kan verval eerder optreden dan dat er een volgend neutron wordt ingevangen. Dit noem je een rapid decay. Het verval zal dan meestal door uitstoting van een elektron gebeuren. Daarmee verandert de isotoop van element Z naar Z+1 omdat een neutron veranderde in een proton. De atoommassa (N+Z+1) verandert niet, omdat het aantal kerndeeltjes gelijk blijft en een proton en neutron “ongeveer” evenveel massa hebben.
Als tweede: als het verval trager is, dan is de kans groot dat er een tweede neutron wordt ingevangen waardoor de isotoop nog steeds hetzelfde element is, maar dan zwaarder. Dit noem je het slow decay.
Ook dan kan de isotoop weer vervallen door een elektron uit te zenden. Of het kan opnieuw een neutron invangen. Dit gebeurt net zo lang totdat de gevormde kern sneller vervalt dan het volgende neutron ingevangen kan worden. Dit wordt geïllustreerd door de vorming van diverse isotopen van kobalt (die ook niet allemaal even stabiel zijn en ook weer kunnen vervallen of neutronen kunnen invangen) uit een isotoop van ijzer. Elke ijzerisotoop kan vervallen in kobalt, voordat een neutron wordt ingevangen, maar sommige isotopen hebben zulke lange vervaltijden dat de kans op invangen heel groot is. Isotoop 59Fe heeft grote kans in 60Fe te veranderen en die op zijn beurt in 61Fe. De kans op 62Fe is veel kleiner en 63Fe nog kleiner. Elk van de isotopen kan, voordat een neutron wordt ingevangen, vervallen via β-verval in een kobalt isotoop. Dit gebeurt bijvoorbeeld in een supernova-explosie.
Door neutronen-invang kunnen allerlei isotopen van elementen ontstaan tijdens een supernova. Niet alle elementen vormen zich hierbij in gelijke mate. Dat komt met waarnemingen en metingen overeen: van sommige isotopen zijn veel meer atomen aanwezig dan van andere. Gelukkig maar dat we veel van ijzer en silicium kunnen maken en veel minder zeldzamere isotopen nodig hebben voor 'dagelijks gebruik'.
