Hoe ontstaan isotopen?

Rob Huibers stelde deze vraag op 04 september 2019 om 13:59.

Quote

Hallo, Ik ben bezig aan een tekst waarin ik voor de leek (zoals ikzelf) uitleg wat isotopen zijn en wat radioatieve straling is. Er zijn enkele vragen waarop ik het antwoord nergens zie.
Is bekend hoe het verschil tussen het aantal neutronen van kernen van hetzelfde element ontstaat? Oftewel, waar komen isotopen vandaan. Aangezien isotopen hun "overtollige" neutronen afstoten, neemt hun aantal op den duur af en verdwijnen ze misschien op den duur?

Reacties:

Theo de Klerk
04 september 2019 om 14:51
Quote
Over atoomkernen en isotopen zijn overal artikelen te vinden, bijv. Wikipedia https://nl.wikipedia.org/wiki/Isotoop. Dus ik zou zeker wat gaan opzoeken... En op deze site https://www.natuurkunde.nl/artikelen/3513/het-ontstaan-van-elementen  

Neutronen zijn het "plaksel" tussen de protonen in een kern. Protonen stoten elkaar onderling af en zouden alleen nooit een atoomkern kunnen vormen (behalve waterstof - maar dat heeft maar 1 proton in de kern en niets anders). Dat afstoten is door een elektromagnetische kracht. Het heeft lang geduurd voordat men begreep waarom desondanks atoomkernen stabiel kunnen zijn. Dat blijkt door de sterke kernkracht. Een kracht die alle deeltjes op elkaar uitoefenen, als ze maar dicht genoeg elkaar kunnen naderen want deze sterke kernkracht werkt maar op heel korte afstand (maar is dan vele malen sterker dan de elektromagnetische afstoting). 
Een neutron heeft geen lading en kan dus heel dicht een proton naderen zonder afgestoten te worden. En bij heel kleine afstand kan het ineens zich "hechten" aan het proton.  Zo blijken toch atoomkernen gemaakt te kunnen worden door maar voldoende neutronen toe te voegen. Helium (2 protonen) heeft 2 neutronen. Aanvankelijk gaan de aantallen gelijk op, maar bij kernen met veel protonen is een meerderheid aan neutronen nodig. 

Isotopen worden op natuurlijke wijze gemaakt in ontploffingen van sterren aan het einde van hun leven. Soms ook door deeltjes die uit sterren (zonnewind) worden weggeschoten en ingevangen in al bestaande kernen.

Op kunstmatige wijze kunnen we isotopen maken door neutronen op een kern te schieten. Zo maken we bijv. in Petten isotopen voor medische doeleinden. De resultaten van inschieten is vrijwel altijd een instabiele kern. Dwz een radioactieve kern die door weer deeltjes te verwijderen uit de kern probeert stabiel te worden: de kern is radioactief. De vrijkomende deeltjes worden dan weer voor medische doeleinden (bestraling, tracering) gebruikt.

Een instabiele kern heeft energie en/of lading teveel en zal door radioactief gedrag door wegschieten van geladen deeltjes (meestal een los elektron of positron of een heliumkern van 2 protonen en 2 neutronen) proberen een stabielere kern te worden (of bij splijting 2 kleinere, stabiele kernen). Wegschieten van lading betekent wel dat er een ander element ontstaat.

Radioactieve isotopen hebben een korte of lange levensduur - sommige materialen zijn radioactief maar hebben halfwaardetijden van miljoenen jaren. Die blijven er dus nog wel even. Hiertoe hoort ook veel afval van kerncentrales. Daar blijf je dan mooi mee opgezadeld zitten. 
Andere vervallen in korte tijd (dagen of zelfs al in milliseconden) en dat soort isotopen zal snel afnemen. Technetium heeft een isotoop die we wel kunnen maken, maar die vervalt in zo'n korte tijd dat er in de natuur "vrij" niets meer voorkomt.
Rob Huibers
04 september 2019 om 18:04
Quote
Hallo Theo, Bedankt voor het antwoord. Pagina's als op Wikipedia had ik natuurlijk al gelezen. En een heel stel andere. Maar daar wordt mijn vraag niet beantwoord, anders had ik hem hier niet gesteld. Het lijkt erop dat het begin van het antwoord op mijn eerste vraag hier staat:
"Isotopen worden op natuurlijke wijze gemaakt in ontploffingen van sterren aan het einde van hun leven. Soms ook door deeltjes die uit sterren (zonnewind) worden weggeschoten en ingevangen in al bestaande kernen."
Ik had moeten verduidelijken dat mijn vraag over natuurlijke isotopen gaat en niet over wat ze in Petten maken (ik dacht dat dat wel bleek uit het werkwoord 'ontstaan").
Weten natuurkundigen al hoe dat gebeurt, het op natuurlijke wijze maken van isotopen? 
En deeltjes die uit sterren (zonnewind) worden weggeschoten en ingevangen in al bestaande kernen, is daar meer van bekend?
Theo de Klerk
04 september 2019 om 18:32
Quote
 ik dacht dat dat wel bleek uit het werkwoord 'ontstaan"
Niet echt. Ontstaan kan langs natuurlijke weg en gedwongen weg. In beide gevallen ontstaat hetzelfde...

>Weten natuurkundigen al hoe dat gebeurt, het op natuurlijke wijze maken van isotopen?
En deeltjes die uit sterren (zonnewind) worden weggeschoten en ingevangen in al bestaande kernen, is daar meer van bekend? 

Ja en nee. Natuurkundigen weten nooit wat - ze bedenken een model waarin het gedrag dat we zien past en "voorspelbaar" wordt. Maar ze hebben echt geen idee hoe een atoomkern van een isotoop eruit ziet. Een proton is ook maar een model. (en nee, het is geen rood gekleurde pingpongbal).

Er zijn wel theorieen ontstaan die, rekening houdend met de druk, temperatuur, samenstelling van gaslagen die door zware (meer dan 20x de zon) stervende sterren worden weggeblazen, een verklaring kunnen geven hoe neutronen daarbij op "natuurlijke weg" worden ingevangen en zo zware elementen doen ontstaan. Dat proces heet nucleosynthese - daar is vast wel wat over te vinden op het internet (bijv. https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis of https://www.thoughtco.com/stellar-nucleosynthesis-2699311- helaas vooral in het Engels).

Alle goud, zilver, uranium en eigenlijk alles boven ijzer in het periodiek systeem moet op deze wijze zijn ontstaan. Sommige elementen kunnen heel makkelijk een neutron invangen, andere juist heel moeizaam. Daar komt ook uit naar voren waarom sommige elementen zo ruim voorradig zijn en andere relatief zeldzaam.

Maar neutronen zullen dus niet verdwijnen - het zijn bouwstenen van de elementen in het heelal. Al vindt soms een "ontleding" plaats van 1 n --> 1p + 1e  (proton en elektron: samen ook 0 lading) en omgekeerd kan 1p + 1e --> 1n  worden.
Bij radioactieve stoffen kan zo'n elektron dan uitgestoten worden (beta straling) en blijft het neutron-nu-proton in de kern achter en is het element verandert van Z naar Z+1 als atoomnummer.   Een elektron kan ook worden ingevangen (K-capture) waarbij een proton in een neutron verandert en het element van Z naar Z-1 als atoomnummer gaat.
Jan van de Velde
04 september 2019 om 18:53
Quote

Rob Huibers plaatste:

Ik had moeten verduidelijken dat mijn vraag over natuurlijke isotopen gaat 
Weten natuurkundigen al hoe dat gebeurt, het op natuurlijke wijze maken van isotopen? 

alle grotere deeltjes ontstaan in eerste instantie uit kleinere. Korte versie: Dat gaat alleen met grof geweld, onder extreme omstandigheden dus. 

In de kernen van sterren vind je extreme omstandigheden: zeer hoge drukken en temperaturen, waarbij kernen fuseren tot grotere kernen. Daarbij ontstaan allerlei isotopen, tot behoorlijk grote aan toe, maar lang niet allemaal (even) stabiel.
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_nucleosynthesis
De duidelijk minder stabiele vallen snel weer uiteen of, met wat geluk, worden wat later toch nog samengeperst met een volgend deeltje waarbij dan wel een stabielere kern overblijft. 

Nog extremere omstandigheden komen voor aan het einde van een sterrenleven, waarbij vooral bij grotere sterren die als supernova aan hun einde komen de omstandigheden dusdanig extreem zijn dat er van alles fuseert tot van alles. 

Daarnaast, overigens nog steeds met grof geweld maar dan op veel kleinere schaal, ontstaat er ook van alles bij radioactieve vervalprocessen: als 235U vervalt vliegen er losse neutronen met veel energie rond, en als die toevallig ergens tegenop botsen zouden die ingevangen kunnen worden. De dochterkernen die ujit de uraniumkern ontstaan zijn zelf uiteraard ook weer isotopen van kleinere kernen, al of niet stabiel. 

Kijkend naar iets minder extreem geweld zouden we de doorgaande productie van 14C in de atmosfeer kunnen noemen:
https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14#Natural_production_in_the_atmosphere
Er zijn verschillende wijzen waarop 14C  kan ontstaan, en die in bovenstaande wikipedia-pagina besproken worden. 

Het heelal is een wilde kermis van botsingen. De rode draad voor het ontstaan van alle isotopen is grof geweld. De rode draad voor het in de natuur aantreffen van die isotopen is de stabiliteit ervan. 

Groet, Jan
Rob Huibers
07 oktober 2019 om 19:23
Quote
Bedankt, Theo en Jan, ik denk dat mijn alfabrein het begint te begrijpen :) Hartelijke groet, Rob

Plaats een reactie:


Bijlagen:

+ Bijlage toevoegen

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Noortje heeft eenentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Noortje nu over?

Antwoord: (vul een getal in)