Dag Mark,

• Hoe komt het dat het steeds toevoegen van neutronen een negatieve effect heeft op de kern?

 Dat is niet per se zo. Je kunt er bijvoorbeeld eens de isotopenlijst van BINAS bij pakken (die overigens bij lange na niet compleet is)

 ²³⁶U heeft dan een halfwaardetijd van 23 miljoen jaar, ²³⁷U (staat niet in BINAS) 6,75 dagen, maar ²³⁸U 4,5 milJARD jaar.

•  Daarnaast is neutronenstraling een van de gevaarlijkste straling, want het maakt kernen onstabiel door te zorgen dat ze veranderen in een onstabiele isotoop, maar dat verwacht je toch niet als ze geen afstotingskrachten hebben?

 Om een beetje een ruw idee te krijgen van het achterliggende principe zou je eigenlijkeens een zakje knikkers moeten kopen. dan ga je "kernen" nabouwen en je stopt er steeds eenknikker bij. Soms past dat lekker, soms wringt dat, dan stulpt er eentje uit. Duw je die dan naar binnen in je bol met knikkers, dan floept er ergens anders weer eentje naar buiten. Afhankelijk van hoe groot je "kern" al is gaat de zaak nóg harder wringen als je er nog een bijpropt, of begint het juist terug en beetje beter te passen. En écht perfect passen doet het zelden.

Natuurlijk werken krachten tussen kerndeeltjes wat anders, maar in de hele grote lijn werkt het zoals hierboven: de kern als geheel streeft naar een zo klein mogelijke potentiële energie, dwz dat de afstanden tussen álle deeltjes onderling ideaal zijn. De sterke kernkracht tussen neutronen onderling en tussen neutronen en protonen werkt alleen op héél korte afstand, de afstotende coulombkracht werkt behoorlijk sterk op korte afstand maar kwadratisch minder met de afstand. Dat zorgt voor een ingewikkeld krachtenspel in zo'n kern, waarbij een beetje meer of minder van het een of het ander héél veel kan uitmaken. Dat zag je in het uraniumvoorbeeld hierboven.

 Neutronenstraling is dan zo gevaarlijk (voor jou) omdat de meeste atomen in je lichaam redelijk stabiel zijn. Heel algemeen, iets wat goed is verslechtert meestal door er iets aan te veranderen..... . De kans is dus groot dat een stabiel atoom dat een neutron invangt daardoor instabieler zal worden.

•  Ik weet dat een vrije neutron instabiel is,

 Hoezo? Neutronen zijn heel stabiele deeltjes hoor, die vallen vanzelf zomaar niet uit elkaar.

• Er bestaat ook geen Helium-5, hoe komt dat?

Ja hoor, dat bestaat wel. Het wordt alleen niet in Binas vermeld omdat de halfwaardetijd slechts 7·10^-22 s is.

Groet, Jan

Bedankt voor uw reactie Jan, alleen is mij nog wat onduidelijk.

Ik heb nog wat vragen over het "knikkerzakmodel".

Betekent dat dat het idee wat ik heb van dat neutronen eigenlijk lijm zijn niet klopt? Ik citeer: "Because neutrons participate in the strong force but exert no repulsive forces, the neutrons provide the extra "glue" that holds the nucleus together" (dikgedrukt is in orgineel, uit: "Physics for scientists and engineers-A strategic approach, second edition, Randall D. Knight, bladzijde 1340 en 1341)

"De sterke kernkracht tussen neutronen onderling en tussen neutronen en protonen werkt alleen op héél korte afstand"

Moet ik dan een neutron/proton als een knikker zien waarbij de sterke kernkracht zich niet verder rijkt dan 1 knikker? Want dan kan ik zelfs koolstof maken zonder neutronen. (1 knikker in het midden, 4 eromheen en 2 boven de centrale knikker, dan raken de knikkers allemaal de centrale knikker, dus onder invloed van de sterke kernkracht) Want bij pagina 1340 zegt hetzelfde boek "at r≈1,0fm, the point of stable equilibrium, the magnitude of the nuclear potential energy is ≈ 100 times larger than the electrostatic potential energy".

Dus je hebt dan genoeg aantrekkingskracht van de sterke kernkracht... of zie ik iets over het hoofd?

"Hoezo? Neutronen zijn heel stabiele deeltjes hoor, die vallen vanzelf zomaar niet uit elkaar."

In hetzelfde boek lees ik: "Indeed, a free neutron turns out not to be a stable particle. It decays with a half-life of approximately 10 min into a proton and an electron" (zelfde boek, pagina 1351, ook op wikipedia: ( http://nl.wikipedia.org/wiki/Neutron, "maar het is in deze vrije toestand (dus buiten de atoomkern) niet stabiel")

Is het zo dat Helium-5 zo instabiel is doordat er nog een factor is waar rekening mee moet worden gehouden?

Mvg,

Mark

"Because neutrons participate in the strong force but exert no repulsive forces, the neutrons provide the extra "glue" that holds the nucleus together"

Dat boek ken ik ook ;-)  Bedoeld wordt hier dat een kern van alleen protonen problemen heeft met onderling afstotende krachten door de elektrische lading van elk proton. De sterke kernkracht probeert alles bijeen te houden, de ladingen juist niet. Door neutronen als opvullers te gebruiken komen de protonen gemiddeld verder van elkaar (waardoor de afstotingskracht met 1/r² afneemt) en kan de kernkracht meer effectief zijn omdat die zowel tussen protonen als neutronen werkt en de grootte van de afstand tussen deze deeltjes (p-n even ver als voorheen bij een kern met alleen p-p) ongewijzigd blijft. Zelfs Helium-4 heeft met 2n 2p daar al voordeel bij.

> Indeed, a free neutron turns out not to be a stable particle.

De levensduur van een neutron als door Jan bedoelt is die binnen een atoomkern. Die is heel stabiel. Dat moet ook wel, anders waren alle bekende elementen allang uiteengevallen. Welke andere effecten binnen de kern werken die verval tegengaan weet ik niet.

"Zelfs Helium-4 heeft met 2n 2p daar al voordeel bij."

Het probleem voor mij is dat ik afvraag waarom het noodzakelijk is. Als er namelijk 2 protonen in helium zaten (en dus geen neutronen), dan zouden ze, als ze op een afstand van 1fm zijn, een aantrekkingskracht hebben dat 100 keer zo sterk is als de afstotingskracht. (zie quote uit het boek)
Dit lijkt me ruim voldoende, dus Helium-2 zou dan een stabiel deeltje moeten zijn...

"De levensduur van een neutron als door Jan bedoelt is die binnen een atoomkern. Die is heel stabiel. Dat moet ook wel, anders waren alle bekende elementen allang uiteengevallen. Welke andere effecten binnen de kern werken die verval tegengaan weet ik niet."

Ik had het hier expleciet over een vrije neutron. Wat ik wil zeggen over een neutron in de kern is dat de kern misschien niet helemaal het verval van neutron tegengaan die hij heeft als hij vrij is. Daardoor wordt een kern langzaam onstabiel als een groot gedeelte bestaat uit neutronen.

Hoe zit het dan bijvoorbeeld met mijn neutron-vrije koolstofatoom?

Mark, 18 nov 2011

 Als er namelijk 2 protonen in helium zaten (en dus geen neutronen), dan zouden ze, als ze op een afstand van 1fm zijn, een aantrekkingskracht hebben dat 100 keer zo sterk is als de afstotingskracht. (zie quote uit het boek)
Dit lijkt me ruim voldoende, dus Helium-2 zou dan een stabiel deeltje moeten zijn...

Andere informatie (bijv de engelse wikipedia) vertelt me dat de sterke kernkracht nét 2% te zwak is om twee protonen bij elkaar te houden.

Dus, ik denk dat Randall het bedoelt als: "Áls die twee protonen elkaar tot die afstand zouden kunnen naderen". Ik heb dat boek van jou niet, en kan helaas niet nazoeken hoe het precies verwoord is.

En dat begint me, met alle respect, een beetje jouw probleem te lijken: je lijkt hier af te komen met niet helemaal juist geïnterpreteerde, of uit zijn verband gehaalde  informatie. Da's best gevaarlijk, want dat bevordert je begrip niet.  

Groet, Jan

Ik heb Randall Knight's boek er ook eens op nageslagen (kernen bouwen is nooit mijn vakgebied geweest - Velpon wel). Zijn antwoord op je vraag staat helemaal onderaan pagina 1340. Ik citeer in vrije vertaling.

Waarom heeft een kern eigenlijk neutronen nodig? Het antwoord is gelegen in het feit van de korte afstandswerking van de sterke kernkracht. Protonen oefenen op elkaar een afstotende elektrostatische kracht uit waar ze zich ook in de kern bevinden. Maar ze voelen een sterk aantrekkende kernkracht alleen van de kerndeeltjes in hun directe omgeving. Protonen naast elkaar worden aangetrokken tot elkaar omdat de kernkracht vele malen sterker is dan de afstotende elektrostatische kracht. Maar bij protonen die niet buren zijn is de afstand te groot en wint de afstotende kracht. Omdat neutronen wel de sterke kernkracht op hun buur-kerndeeltjes uitoefenen maar geen elektrostatische kracht genereren, verschaffen zij de "extra lijm" om de kern bijeen te houden.

Een proton heeft een beperkt aantal buren waarmee het een sterke kernkracht binding heeft. Alle protonen iets verder weg oefenen vooral de elektrostatische afstoting uit op dat proton en staan te ver weg om een sterke (aantrekkende) kernkracht op dat proton uit te oefenen. Ga je dan een netto kracht- of energie-boekhouding uitvoeren (uiteindelijk is dE = d(F.s) dus aan elkaar gerelateerd) dan blijkt de afstotende kracht te winnen. Neutronen kunnen dit compenseren door extra kernkracht in de berekening te brengen zonder afstotende elektrostatische kracht.

Uiteindelijk ontkom je er niet aan om bij de energie/krachtberekeningen de regels van de quantummechanica toe te passen. Die gaan me op dit niveau ver boven de pet maar zoals je op pag 1342 kunt lezen en zien (The Low-Z Nuclei) kun je een kern opvatten als een structuur waar kerndeeltjes alleen deel van kunnen uitmaken als ze zich kunnen schikken in bepaalde energie-niveaus met voor het deeltje unieke quantumgetallen. Dat lijkt een beetje op hoe elektronen alleen in bepaalde niveau's zijn toegestaan in elektronenschillen. Zoals elk elektron een unieke set quantumeigenschappen moet hebben (unieke n,l,k en s waarden), zo moeten kerndeeltjes dit ook. En daarbij blijkt dat de eerstvolgende voordelige positie soms door een proton en soms alleen door een neutron kan worden ingevuld. Een proton daar zou de quantumregels (Pauli Exclusion Principle) overtreden.

Je voorstel om een C-6 atoom te maken met 6 protonen zal ongetwijfeld een aantal energie-niveaus van de kern vullen en een aantal lagere onbezet laten die zijn voorbehouden aan neutronen. Daarmee is de kern instabiel en "dus" worden die posities opgevuld met neutronen waardoor de protonen wel in hun energie-niveau's kunnen blijven zitten.

Hetzelfde geldt voor de helium kern. Twee protonen alleen zijn niet energetisch in het laagste/meest stabiele niveau. Er blijven plekken leeg voor neutronen die eerst moeten worden ingevuld. Zo heb je na waterstof (p) deuterium (pn), tritium (pnn) en dan helium (ppnn).

Het klinkt soms als een beetje magie en acracadabra en dat was het ook voor veel fysici die in de jaren 1930-'50 moesten leren leven met die nieuwe quantummechanica-gekte maar inmiddels tonen experimenten en theoretische modellen aan dat er een hoop logica in de structuur zit. Alleen om die logica volledig te waarderen en te accepteren moet je door een hoop hogere wiskunde en natuurkunde heenbijten. En de mindere goden zoals ik nemen de uitkomsten dan "op gezag" aan. Niet zonder risico - vandaag de dag zijn er helaas nogal wat nep-geleerden (van vooral "zachte" wetenschappen waar experimenten niet hun onzin direct kunnen aantonen) die alle stunts uit de kast trekken voor eigen roem en faam maar de wetenschap en degenen die uitkomsten "op gezag" aannemen, volledig belazeren. Bij de quantummechanica is dat gelukkig al bijna een eeuw niet het geval geweest dus ik heb vertrouwen in het gezag van Pauli en Dirac in deze situatie.

"Ik heb Randell Knight's boek er ook eens op nageslagen (kernen bouwen is nooit mijn vakgebied geweest - Velpon wel). Zijn antwoord op je vraag staat helemaal onderaan pagina 1340. Ik citeer in vrije vertaling." (quote Theo)

Ik moet dat over het hoofd hebben gezien... of verkeerd geïnterpreteerd. Het schillenmodel heb ik wel gezien en deels gelezen, alleen heb ik een keer dat gezegd tegen mijn natuurkundeleraar en hij vond dat nogal vreemd en onrealistisch, tenminste, hij herkende het niet echt. Maar dan zal ik me daarin wat meer verdiepen.

"En dat begint me, met alle respect,een beetje jouw probleem te lijken: je lijkt hier af te komen met niet helemaal juist geïnterpreteerde, of uit zijn verband gehaalde informatie. Da's best gevaarlijk, want dat bevordert je begrip niet." (Quote Jan)

Dit zal zeker wel kloppen, maar hoe kan ik dat oplossen?

"Het klinkt soms als een beetje magie en acracadabra en dat was het ook voor veel fysici die in de jaren 1930-'50 moesten leren leven met die nieuwe quantummechanica-gekte maar inmiddels tonen experimenten en theoretische modellen aan dat er een hoop logica in de structuur zit. Alleen om die logica volledig te waarderen en te accepteren moet je door een hoop hogere wiskunde en natuurkunde heenbijten. En de mindere goden zoals ik nemen de uitkomsten dan "op gezag" aan. Niet zonder risico - vandaag de dag zijn er helaas nogal wat nep-geleerden (van vooral "zachte" wetenschappen waar experimenten niet hun onzin direct kunnen aantonen) die alle stunts uit de kast trekken voor eigen roem en faam maar de wetenschap en degenen die uitkomsten "op gezag" aannemen, volledig belazeren. Bij de quantummechanica is dat gelukkig al bijna een eeuw niet het geval geweest dus ik heb vertrouwen in het gezag van Pauli en Dirac in deze situatie." (quote Theo)

De reden dat ik dit graag wil weten is dat ik een profielwerkstuk houd over de vraag of je radioactief afval kan omzetten in niet-radioactieve elementen. Als begin leg ik wat uit over de sterke kernkracht, en daarin leg ik ook uit over waarom een atoom neutronen nodig heeft. Alleen leek het toen dat het niet nodig zal zijn met atomen met niet veel protonen, zoals bij helium. Daarom vroeg ik het me af, alleen mijn PWS begleider wist het niet, vandaar dat ik hier de vraag stel.

Mark, 19 nov 2011

"En dat begint me, met alle respect,een beetjejouw probleem te lijken: je lijkt hier af te komen met niet helemaal juist geïnterpreteerde, of uitzijn verband gehaalde informatie. Da's best gevaarlijk, want dat bevordert je begrip niet." (Quote Jan)

Dit zal zeker wel kloppen, maar hoe kan ik dat oplossen?

Ik zie nu pas de achtergrond van het geheel. Ik weet niet of je dat kunt oplossen met Randall in de hand. Dat is toch ook niet echt literatuur voor beginners in deze materie lijkt me? Het gevaar is dan dat je het héle verhaal niet begrijpt, en dan onvermijdelijk verkeerde conclusies begint te trekken uit een onderdeeltje dat je wél meent te begrijpen.

De oplossing is dan iets zoeken dat de hele zaak op een iets minder diepgaande wijze benadert.

• De reden dat ik dit graag wil weten is dat ik een profielwerkstuk houd over de vraag of je radioactief afval kan omzetten in niet-radioactieve elementen.

Goed beschouwd is dat iets dat een van nature optredend verschijnsel is. Ooit zullen alle onstabiele atomen vervallen zijn tot (andere) stabiele atomen.

De kunst wordt dan om dat proces te versnellen. Daar wordt ook al onderzoek naar gedaan, bijv:

http://www.sciencedaily.com/releases/2008/09/080922100148.htm

Inderdaad zul je voor het hoe en waarom diep in de materie moeten duiken. Geen eenvoudige opgave. Eigenlijk zou je misschien eerst een boek moeten kunnen vinden op een niveau tussen jouw huidige niveau en Randall in?

Groet, Jan

Mark,

De vragen die jij jezelf terecht stelt en probeert te beantwoorden vanuit een klassiek standpunt (krachten toegepast op atomair niveau) zijn soortgelijk aan wat de fysici van begin vorige eeuw zich ook stelden. Als er elektronen zijn, waarom storten die zich dan niet in de kern (want + en - trekken elkaar toch aan?). Vanuit klassieke zin was er geen goed antwoord te geven. Men probeerde wel van alles (zo hoort dat ook in de wetenschap) maar uiteindelijk moest iemand met een compleet nieuw inzicht komen en zeggen "maar misschien gelden alle klassieke regels op dit atomaire niveau niet. We "zien" dat elektronen niet in de kern vallen. Misschien zijn er wel toestanden waarbij een elektron toch stabiel rond de kern kan draaien".  En na zo nog een poosje door te modderen kwam men uiteindelijk tot het huidige atoommodel en de bijbehorende quantummechanica.

Op deeltjesniveau geldt deze mechanica niet alleen voor elektronen maar ook voor deeltjes in de kern. Ook daar zijn stabiele configuraties denkbaar die vanuit alleen een krachten-perspectief klassiek niet zouden kunnen of nodig zijn. Ook voor de huidige fysici en hun computers wordt het al snel een te complex probleem om met zekerheid uit te werken (3 of 4 deeltjes kan al aardig complex worden), maar "het inzicht" lijkt stand te houden en experimentele metingen bevestigen dit ook al kan elke meetwaarde niet meteen ook uit formules worden berekend/bewezen omdat het zo complex is. Dus modelleren/versimpelen we het en lijkt het "in orde grootte" allemaal toch wel te kloppen.  Maar wie weet zal een fysicus die in 2300 met Mr. Spock in de klas gezeten heeft meewarrig het hoofd schudden om het "gepruts" en de misvattingen van de wetenschappers van vandaag. Zoals wij dat doen naar serieuze geleerden uit 1800.  Maar alleen door denken en proberen kun je voortgang maken en een beter begrip krijgen, soms door misvattingen ook vaarwel te zeggen.

Je gedachten over proton-only kernen is op zich dus helemaal niet gek. Het blijkt alleen experimenteel niet zo te zijn. En met het kennis van gisteren (quantummechaninca) is het ook aannemelijk te verklaren.

Maar bij deze een oproep aan alle lezers om toch vooral een fenomenaal natuurkundige te worden en ons "het (nieuwe) laatste woord te geven" over kernopbouw (en daarmee veel te zeggen over hoe het heelal is zoals het is). Ik hoop het ook nog mee te maken...