Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Met de lichtste ‘smaak’ uranium ooit krijgen Chinese onderzoekers zicht op hoe radioactieve atomen heliumkernen uitspugen als ze uiteen vallen.
Niemand weet precies waarom een instabiel atoom zoals uranium ineens besluit om uiteen te vallen. Er zit geen klok in atomen die bepaalt wanneer ze over de datum zijn; toch kun je de kans op zo’n kernverval nauwkeurig berekenen. Met een zelfgemaakte ultralichte vorm van uranium zet een team Chinese onderzoekers de zaak weer op scherp. Dat kunstmatige atoom blijkt ideaal om te bestuderen hoe radioactieve atoomkernen vervallen door een heliumkern uit te spugen.
Lees ook:
Twee atoomkernen
In het natuurkundige vakblad Physical Review Letters beschrijven natuurkundige Zhiyuan Zhang (Chinese Academie van Wetenschappen) en collega’s hoe ze uranium maakten met maar 214 kerndeeltjes: het isotoop uranium-214. “Om uranium-214 te maken, moesten de onderzoekers een trefplaat wolfraam beschieten met een bundel argonatomen”, legt hoogleraar kernfysica Piet Van Duppen aan de Katholieke Universiteit Leuven uit: “Eigenlijk komt daar uranium-218 bij vrij; vier neutronen te zwaar dus, maar omdat de atoomkern zoveel energie heeft, ‘verdampen’ die vier neutronen bijna meteen zodat je uranium-214 overhoudt. Een mooie prestatie.”
“Dit is een mooie prestatie”
Piet Van Duppen
“Experimenteel is dit ontzettend lastig”, bevestigt kernfysicus Julia Even aan de Rijksuniversiteit Groningen. “Je hebt niet alleen de juiste isotopen wolfraam en argon nodig, maar ook precies de juiste botsingsenergie. Bovendien produceer je in zo’n botsing niet alleen uranium-214, maar nog veel meer andere kernen. Door nauwkeurig meten heeft Zhangs team in die zee van reactieproducten toch twee atomen uranium-214 weten te detecteren.” Vervolgens wisten de onderzoekers nauwkeurig in kaart te brengen hoe die kernen radioactief uiteenvallen.
Opfrisser radioactiviteit
Elke atoomkern worstelt met zichzelf. Aan de ene kant heb je de elektrisch geladen protonen die atomen hun identiteit geven. Twee stuks voor helium, zes voor koolstof, zesentwintig voor ijzer, en tweeënnegentig voor uranium. Helaas stoten die kerndeeltjes elkaar af: atomen bouwen is daarom stapelen met Jenga-blokken die elkaar constant wegduwen.
Om de geladen protonen bijeen te houden, heb je lijm nodig: ongeladen neutronen, bijna even zwaar als protonen. Door de sterke kernkracht trekken ze aan elkaar en aan protonen, zodat het hele bouwwerk bijeen blijft. Tenminste, dat hoop je. Is de verhouding verkeerd, dan kan een atoomkern alsnog uiteenvallen via het proces van radioactief verval.
Atomen zwaarder dan lood zijn allemaal instabiel, hoeveel neutronen je ook bijmengt. Atomen met hetzelfde aantal protonen maar verschillende hoeveelheden neutronen noem je isotopen van elkaar. De neutronverhouding bepaalt de gemiddelde levensduur, ook wel halfwaardetijd genoemd. Bij radioactief verval schieten allerlei scherven weg: complete heliumkernen van twee protonen en twee neutronen bijvoorbeeld. Ook uranium-214 vervalt op die manier.
Heliumfabriek
Uranium-214 zit volgens het Chinese onderzoeksteam zo in elkaar, dat aan de buitenkant van de atoomkern makkelijk protonen en neutronen samenklonteren tot een heliumkern en vervolgens ontsnappen. Dat gaat zelfs twee keer zo makkelijk als in vergelijkbare atoomkernen, blijkt uit metingen. Volgens Zhangs berekeningen komt dat door de bijzondere verhouding tussen de protonen en neutronen in deze atoomkern.
Protonen en neutronen zitten in atoomkernen niet in één grote kluit op elkaar: ze zijn gerangschikt in schillen. In het geval van uranium-214 zijn de binnenste schillen zo geordend dat die kerndeeltjes nauwelijks invloed uitoefenen op de protonen en neutronen aan de rand van de kern. Die kunnen daardoor makkelijk samenklitten tot een heliumkern.
Vandaar dat uranium-214 maar een kort leven beschoren is: gemiddeld schiet er al na een halve milliseconde een heliumkern weg, waardoor het uranium vervalt in thorium. Vergelijk dat maar met de 704 miljoen jaar voor de splijtbare variant met 235 kerndeeltjes, of de 4,5 miljard jaar halfwaardetijd van de meest voorkomende uraniumisotoop met 238 kerndeeltjes.
Labrat
Praktische toepassingen zijn er niet voor het nieuwe atoom; hoeveel je er ook van maakt, na een halve milliseconde is de helft al vervallen in thorium, een halve milliseconde later is nog maar een kwart van de startvoorraad over, enzovoorts. Maar als studieobject om radioactief verval te begrijpen lijkt het atoom wél interessant.
“Voor stabiele kernen weten we goed hoe die schillen van kerndeeltjes eruitzien,” vertelt Even, “maar in instabiele kernen kan de pakking zomaar veranderen.” Dat beïnvloedt hoe makkelijk er aan de rand deeltjes kunnen voorsorteren om helium te vormen. “Razend interessant dus om via uranium-214 te kunnen onderzoeken hoe die binnenste schillen gerangschikt zijn. Maar dan moet de statistiek wel op méér gebaseerd zijn dan op de twee kernen die nu zijn waargenomen.”
Werk aan de winkel dus.
Bronnen: Physical Review Letters, Persbericht CAS
Beeld: De Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, China, waar de nieuwe isotoop uranium-214 werd geproduceerd. © Chinese Academie van Wetenschappen CAS