Alfaverval
Alfaverval is een kerntransformatie waarbij een zware instabiele kern een alfadeeltje uitzendt: een helium-4-kern. De boekhouding van A en Z is eenvoudig, maar energiebehoud, terugslag en kwantumtunneling bepalen de fysica achter het verval.
De kernboekhouding
Een alfadeeltje bevat twee protonen en twee neutronen. Heeft de moederkern massagetal A en atoomnummer Z, dan heeft de dochter A − 4 en Z − 2. Lading en totaal nucleonental blijven dus in balans.
(A, Z) → (A − 4, Z − 2) + ⁴₂He
Q-waarde, alfa-energie en terugslag
Het massaverschil tussen begin- en eindtoestand verschijnt als vrijgekomen energie. In het ruststelsel van de moederkern hebben dochter en alfa gelijke, tegengestelde impulsen. Omdat de dochter veel zwaarder is, krijgt het alfadeeltje het grootste deel van de kinetische energie. Overgangen tussen goed bepaalde kernniveaus leveren vrijwel discrete alfa-energieën.
Waarom een positieve Q-waarde toch een lange halveringstijd kan geven
Q > 0 betekent alleen dat het verval energetisch is toegestaan. Het alfadeeltje moet nog door de Coulombbarrière ontsnappen. Kwantumtunneling geeft een eindige ontsnappingskans die zeer sterk afhangt van de alfa-energie; een bescheiden energieverschil kan daarom overeenkomen met vele ordes grootte verschil in halveringstijd.
Interactie met materie
Alfadeeltjes zijn relatief zwaar en dragen lading +2e. Ze ioniseren sterk en verliezen snel energie, waardoor hun bereik kort is vergeleken met bèta- en gammastraling. Kort bereik betekent niet automatisch ongevaarlijk: de gevolgen hangen af van de afgegeven energie en sterk van de locatie van de radioactieve stof.
Uitgewerkte voorbeelden
1. Een alfavervalvergelijking afmaken
Oplossing
Uranium-238 heeft A = 238 en Z = 92. Na alfa-emissie zijn A = 234 en Z = 90; de dochter is thorium-234.
2. Behoud controleren
Oplossing
Voor een moeder met A = 226 en Z = 88 moet de dochter A = 222 en Z = 86 hebben. Het alfadeeltje levert A = 4 en Z = 2, zodat de oorspronkelijke totalen terugkomen.
3. Terugslagenergieën vergelijken
Oplossing
Alfa en dochter hebben dezelfde impulsgrootte. Bij gelijke impuls heeft de lichtere massa de grotere kinetische energie; het alfadeeltje ontvangt daarom het grootste deel van de kinetische energie.