Wat zijn alfa-, bèta- en gammadeeltjes?

Alfa, bèta, gammastraling: Het klinkt bijna als de slogan van een old-school film over buitenaardse wezens uit de ruimte, nieuw aangekomen op aarde met hun ultra-high-tech gadgets (en hopelijk een warm karakter). In werkelijkheid is dit niet ver weg. Alfa-, bèta- en gammastraling zijn allemaal echte entiteiten in de natuurkundige wereld en zijn het waard om te vermijden als je het aankunt.

Je weet waarschijnlijk dat verschillende soorten atomen samen kunnen komen via het proces van chemische binding om moleculen te creëren. Twee waterstofatomen (H op het periodiek systeem der elementen) en één zuurstofatoom (O) kunnen bijvoorbeeld worden gecombineerd om een ​​watermolecuul te vormen (H₂O). Dit molecuul kan worden opgesplitst in de ionen H+ en OH– door een van de O-H-bindingen te verbreken.

In chemische bindingen interageren elektronen van verschillende atomen, maar hun kernen (het meervoud van kern) blijven intact. Dit komt omdat de kracht die de protonen en neutronen bij elkaar houdt extreem sterk is in vergelijking met de elektrostatische krachten die ten grondslag liggen aan de chemische binding tussen atomen.

Niettemin vervallen atoomkernen, meestal spontaan en vaak in een ongelooflijk laag tempo, afhankelijk van wat het element is. Deze radioactiviteit komt in de drie basissmaken die in de eerste zin van dit artikel zijn geïntroduceerd: Alpha Beta en gammastraling, ook wel genoemd Alpha Beta en gammadeeltjes (behalve, technisch, in het laatste geval).

Het atoom werd ooit enigszins onstuimig beschreven als 'het kleinste ondeelbare ding', zelfs door kenners. Deze definitie is in sommige opzichten waar: neem een ​​enkel element, of een stof gemaakt van een enkele onherleidbare component, en het atoom is de kleinste hele eenheid van die stof. Er zijn 118 elementen in het periodiek systeem vanaf 2020, waarvan 92 natuurlijk voorkomend.

Atomen bestaan ​​uit een kern, die één of meer protonen heeft en, behalve waterstof (het kleinste element), minstens één neutron. Ze hebben ook een of meer elektronen, gevonden op enige afstand van de kern in specifieke energieniveaus.

Protonen zijn positief geladen en elektronen negatief geladen, waarbij de grootte van de lading in elk hetzelfde is. Aangezien een atoom in de grondtoestand hetzelfde aantal protonen heeft als elektronen, zijn atomen elektrisch neutraal tenzij geïoniseerd (d.w.z. hun elektronenaantal verandert).

Het protonnummer van een atoom is het atoomnummer in het periodiek systeem en bepaalt de identiteit (naam) van het element. Sommige atomen kunnen neutronen krijgen of verliezen terwijl ze gelukkig blijven bestaan, maar als een kern een proton verliest of krijgt in plaats daarvan is het een game-changer, want wat het element nu ook was, het heeft een geheel nieuwe naam en nieuwe attributen die erbij horen het.

De kracht die protonen en neutronen bij elkaar houdt, wordt niet voor niets de sterke kernkracht genoemd. De kernen van atomen kunnen in zekere zin worden beschouwd als het middelpunt van alle materie, dus hun uiterste stabiliteit is logisch in een kosmos vol organisatie en in staat om het leven te ondersteunen op ten minste één nederige planeet.

Maar kernen zijn niet perfect stabiel en na verloop van tijd vervallen ze en zenden ze deeltjes en energie uit. Elk element dat radioactief verval ondergaat, of meer specifiek de isotoop van het element dat wordt bestudeerd, heeft zijn eigen karakteristieke halfwaardetijd, die kan worden gebruikt om te voorspellen hoeveel kernen in de loop van de tijd zullen vervallen, zonder informatie over een enkele kern te geven. Het is dus vergelijkbaar met een risico, in wezen een kansstatistiek.

De halfwaardetijd van een radioactieve soort is de tijd die nodig is voor de helft van de onstabiele kernen in een monster om in een andere vorm te vervallen. Dit aantal kan zeer hoog oplopen, tot in de miljarden jaren, hoewel het voor koolstof-14 ongeveer 5.730 jaar is (een sprong in de geologische tijd, zo niet in menselijke beschavingen).

De verschillende soorten radioactief verval krijgen de eerste drie letters van het Griekse alfabet. Dus alfastraling zendt een deeltje uit dat vaak wordt weergegeven door een kleine versie van deze letter, α. Het zou echter onconventioneel zijn om "α-straling" te schrijven.

Dit soort deeltje komt overeen met de kern van een helium (He)-atoom. Helium is het tweede element op het periodiek systeem en met een atomaire massa van 4,00 heeft het twee protonen en twee neutronen. Het hele atoom heeft ook twee elektronen die de lading van de twee protonen in evenwicht houden, maar deze maken geen deel uit van een alfadeeltje, alleen de kern.

Deze deeltjes zijn enorm in vergelijking met andere soorten straling; het bètadeeltje is bijvoorbeeld zo'n 7.000 keer kleiner. Hierdoor lijkt het op het eerste gezicht misschien bijzonder gevaarlijk, maar in feite is het tegenovergestelde waar: grootte van de α-deeltjes betekent dat ze dingen binnendringen, inclusief biologische barrières zoals huid, zeer slecht.

bètadeeltjes (β-deeltjes) zijn eigenlijk gewoon elektronen, maar ze behouden hun naam omdat hun ontdekking dateert van vóór de formele identificatie van elektronen als zodanig. Wanneer een atoom een ​​bètadeeltje uitzendt, zendt het tegelijkertijd ook een ander subatomair deeltje uit, een elektron-antineutrino. Dit deeltje deelt in het momentum en de energie van de deeltjesemissie, maar het heeft bijna geen massa (zelfs vergeleken met een elektron, zelf slechts ongeveer 9,1 × 10^–31 kg massa).

Bètadeeltjes, die een stuk kleiner zijn dan alfadeeltjes, kunnen dieper doordringen dan hun veel massievere tegenhangers.

Een ander type bètadeeltje is het positron, die optreedt als gevolg van het verval van neutronen in de kern. Deze deeltjes hebben dezelfde massa als elektronen, maar hebben een tegengestelde lading (vandaar hun naam).

Gamma stralen, of γ-stralen, vertegenwoordigen het gevaarlijkste resultaat van radioactiviteit voor de mens. Ze zijn massaloos omdat ze helemaal geen deeltjes zijn. "Stralen" is eigenlijk een afkorting voor de algemene term elektromagnetische straling (EM-straling), die reist met de snelheid van het licht (aangeduid met c, of 3 × 10⁸ m/s) en is verkrijgbaar in verschillende combinaties van frequentie- en golflengtewaarden waarvan de producten c.

Gammastralen hebben een zeer korte golflengte en dus een zeer hoge energie. Ze zijn vergelijkbaar met röntgenstralen, behalve dat röntgenstralen buiten de kern ontstaan. Ze gaan meestal door menselijke lichamen zonder iets aan te raken, maar omdat ze zo doordringend zijn, is een loden schild van vijf centimeter dik nodig om ervoor te zorgen dat ze stoppen.

Alfadeeltjes kunnen veilig worden genegeerd, voor zover dit geldt voor alles dat als straling is geclassificeerd. Ze kunnen slechts ongeveer 10 tot 17 cm (4 tot 7 inch) in de lucht reizen en hun energie gaat verloren wanneer ze slaan de protonen en neutronen van welk materiaal ze ook tegenkomen, waardoor ze niet kunnen doordringen verder.

De meeste schade door bètadeeltjes komt van het inslikken of inslikken ervan. (Dit kan ook gelden voor alfadeeltjes.) Het drinken of eten van radioactief materiaal is de belangrijkste bron van schade door dit soort straling, hoewel langdurige blootstelling aan de huid brandwonden kan veroorzaken.

Gammastralen kunnen door lichamen gaan zonder iets te raken, maar er is geen zekerheid dat ze dat ook daadwerkelijk zullen doen, en ze kunnen ongeveer anderhalve kilometer in de lucht reizen. Omdat ze praktisch alles kunnen binnendringen naast het afleggen van lange afstanden, kunnen ze they schade aan alle lichaamssystemen en hun aanwezigheid in omgevingen met levende systemen moet zorgvuldig worden bewaakt.