Kernfysica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de structuur van atoomkernen, radioactiviteit en kernreacties. Het is een fascinerend onderdeel van de moderne fysica met belangrijke toepassingen in energie, geneeskunde en technologie. In dit artikel behandelen we alles wat je moet weten voor je examen.

De Atoomkern

Elk atoom bestaat uit een kern van protonen en neutronen (samen nucleonen), omgeven door een wolk van elektronen. Het aantal protonen bepaalt welk element het is en wordt het atoomnummer (Z) genoemd. Het totale aantal nucleonen is het massagetal (A).

Isotopen zijn atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen. Zo hebben waterstof (Z=1) drie isotopen: protium (A=1), deuterium (A=2) en tritium (A=3).

Radioactiviteit

Radioactiviteit is het verschijnsel waarbij een onstabiele atoomkern vanzelf uit elkaar valt en daarbij straling uitzendt. Dit proces wordt ook wel verval genoemd. Er zijn drie hoofdtypen straling die je moet kennen:

Alfa-straling (α)

Alfa-straling bestaat uit heliumkernen: 2 protonen en 2 neutronen. Deze straling heeft een groot ionisatievermogen maar een klein doordringend vermogen. Een vel papier is al genoeg om alfa-straling te stoppen. Voorbeeld: 226Ra → 222Rn + α

Bèta-straling (β)

Bèta-straling bestaat uit elektronen (β−) of positronen (β+). Bèta-straling heeft een kleiner ionisatievermogen maar groter doordringend vermogen dan alfa-straling. Een aluminium plaat van enkele millimeters kan bèta-straling stoppen.

Gamma-straling (γ)

Gamma-straling is elektromagnetische straling met zeer hoge energie. Het heeft het grootste doordringend vermogen maar kleinste ionisatievermogen. Om gamma-straling te stoppen is loden afscherming of dikke betonnen muren nodig.

Halveringstijd

De halveringstijd (t½) is de tijd die nodig is voor de helft van de radioactieve kernen om te vervallen. Dit is een karakteristieke eigenschap van elke radioactieve stof en varieert van fracties van een seconde tot miljarden jaren.

Voorbeeld: Als je 1000 gram Iridium-192 hebt met een halveringstijd van 74 dagen, dan heb je na 74 dagen nog 500 gram, na 148 dagen nog 250 gram, en na 222 dagen nog 125 gram.

Berekening: N = N0 × (½)t/t½

Kernsplitsing (Kernsplijting)

Bij kernsplitsing wordt een zware kern (zoals Uranium-235) geraakt door een neutron en valt uiteen in twee middelzware kernen, waarbij ook neutronen en een grote hoeveelheid energie vrijkomen. Deze reactie wordt gebruikt in kerncentrales en atoomwapens.

Kettingreactie: De neutronen die vrijkomen bij de splijting kunnen andere kernen splijten, waardoor een zelfonderhoudende reactie ontstaat. Hierbij komt extreem veel energie vrij: E = mc² speelt hier een cruciale rol.

Kernfusie

Bij kernfusie worden lichte kernen samengevoegd tot een zwaardere kern, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Dit is het proces dat in de zon plaatsvindt.

Voorbeeld: De fusie van deuterium en tritium tot helium: 2H + 3H → 4He + n + 17,6 MeV

Kernfusie is de belofte van schone, bijna onbeperkte energie, maar vereist extreem hoge temperaturen (miljoenen graden) om te kunnen plaatsvinden.

Stralingsdosissen

De effecten van straling worden gemeten in Sievert (Sv). Een typische röntgenfoto geeft ongeveer 0,001 Sv (1 mSv). De gemiddelde natuurlijke stralingsbelasting in Nederland is ongeveer 2-3 mSv per jaar.

Samenvatting

  • Alfa-straling: heliumkernen, groot ionisatievermogen, gestopt door papier
  • Bèta-straling: elektronen, gemiddeld vermogen, gestopt door aluminium
  • Gamma-straling: elektromagnetisch, groot doordringend vermogen, gestopt door lood
  • Halveringstijd: tijd voor helft van kernen om te vervallen
  • Kernsplitsing: zware kern valt uiteen, energie + neutronen vrijkomen
  • Kernfusie: lichte kernen samensmelten, energie komt vrij