Radiochemistry vs. Nuclear Chemistry when radio elements or nuclear radiation are involved in the solution of a problem disintegration laws properties of rays/particles effects of transformations detection of radiation chemical properties of radio elements nuclear reactions used for analysis area of basic science structure of (un)stable nuclei nuclear reactions applications: nuclear energy, dating, … M. Lefort Professor of Nuclear Chemistry Laboratoire Joliot-Curie, Université de Paris, Orsay, France

Doel/opbouw van de cursus basisbegrippen uit de radioactiviteit toepassingen van radioactieve straling in de Analytische Scheikunde Historisch kader Kernstabiliteit, verval(wetten) Kinetiek v/h radioactief verval Interactie nucleaire straling/materie Detectie van nucleaire straling Neutronenactiveringsanalyse Andere toepassingen

Hoofdstuk 1 Historisch kader kathodestraal buis, e-, X-ontdekkingen ontdekking van de radioactiviteit karakterisering van de straling transformatiehypothese natuurlijke radioactiviteit artificiële radioactiviteit hypothesen over de kernstructuur

De buis van Thompson einde 19e eeuw: ‘salon’-wetenschap experimenten met electriciteit en gasontladingsbuizen hoge druk (> 1 mm Hg): lichtgevende verschijnselen (plasma) dalende druk (< 1 mm Hg): donkere ruimte van Crookes wordt groter als donkere ruimte glaswand raakt: fluorescentie bij positie O  kathodestralen (CRT: cathode-ray tubes)

De proef van Thompson bepaling van q/m voor het electron C: kathode A,A’: anoden bepaling van q/m voor het electron Electrisch veld: E = V/dPP’  straal van O naar O’ afwijking d: d/L = qEa/mv2 Compenserend magnetisch veld qE = qvB : O’  O samen met proef van Millikan (qe): schatting van me

W.C. Röntgen Invallen kathodestraling op glaswand: onbekende soort straling komt vrij schaduwbeelden op fotoplaat 1896 (beperkte experimentele mogelijkheden): geen refraktie (breking) geen polarisatie geen reflectie (weerkaatsing) zeer diep indringingsvermogen  “onbekende straling” of “X”-straling

Ontdekking v/d Radioactiviteit Familie Becquerel “wetenschappers” van vader-op-zoon “interesse”: fosforescentie in U-zouten K2UO2(SO4)2.2H2O (uranyl zout) bereid door H. Becquerel sterke UV fosforescentie  verband X-straling/fosforescentie ? 25/2/1896: na bestraling met intens zonlicht kristallen  zwarting fotoplaat dwars door zwart papier, glas etc. Bij nader inzien: geen verband met zonlicht ook zwarting bij vers bereidde kristallen zwarting bij andere U verbindingen (zonder fosforescentie) Henri Becquerel (1852-1908)

Pierre & Marie Curie 1989: productie van ‘Uranium stralen’ is atomaire eigenschap  radioactiviteit Thorium verbindingen: vertonen ook radioactiviteit Pechblende: zwart erts (~ 75% U3O8) Isolatie van sterk radioactieve fracties: Polonium, Radium 1902: 100 mg zuiver radiumchloride uit 2 ton pechblende M = 225, later 226.5; nu: 226.05

Karakterisering v/d straling X-straling: ontladen van electroscopen  ioniserende werking 1899: Absorptie experimenten  2 componenten -component: ~10 m Al stopt -component: ~ 1 mm Al nodig Absorptie: volgens e-d :  ~ 15 cm-1, constant in de diepte :  ~ 1600 cm-1, niet constant -deeljes: ‘range’ (indringdiepte) 1904 (W.H. Bragg): -range is materiaal-afhankelijk Ernest Rutherford (1871-1937)

Corpusculair karakter van , Electrische/magnetische afbuigexperimenten zowel  als -straling: deeltjes met hoge snelheid -straling: zoals kathodestralen (e-), bijna lichtsnelheid c -straling: + lading, (q/m) = ½ (q/m)H, v ~ c/10 -straling doorheen dunne wand van vacuum buis: na verloop van tijd: spectroscopisch aantoonbaar He-gas  -straling = Helium kernen -straling: derde component, niet afgebogen door E/M velden  zoals X-straling, maar (veel) kortere golflengte X-straling: uit de electronenwolk; -straling: uit de kern

Natuurlijke radioactiviteit Meten van activiteiten electroscoop: ontladingssnelheid  activiteit dunne Au folie t.o.v. wijzerplaat electrische lading Radioactief monster “The NBS Standard gold leaf electroscope” (1927)

Transformatiehypothese Th-verbindingen soms onverklaarbare variaties bij intensiteitsmetingen 1899: diffusie van radioactieve stof uit Th-zout (“Thoron”) ook bij Ra, Ac verbindingen (“Radon”, “Actinon”) Rutherford & Soddy: ‘emanaties’ = inerte gassen die bij –150oC condenseren Conclusies: 1. Activiteit van radioactieve stoffen neemt geleidelijk af; mate van vermindering is karakteristiek v/d stof 2. Radioactieve processen gaan gepaard met veranderingen in chemische eigenschappen v/d actieve atomen

Uranium X en Thorium X Uit U en Th verbindingen: Na enkele dagen: U-X en Th-X radiochemisch af te scheiden (eigen vervalconstanten) Bvb.: U/U-X scheiding door neerslag met (NH4)2CO3; ‘gewoon’ U lost opnieuw op door complexvorming Bvb.: Th/Th-X scheiding door Th-X neerslag met NH4OH Na enkele dagen: X-componenten vervallen sneller dan origineel U en Th opnieuw X-componenten gevormd in gezuiverd U/Th Gezuiverd U/Th: enkel -actief; X-componenten: ook -actief Lente 1903: conclusies over radioactieve transformaties

Radioactieve transformaties Conclusies van Rutherford & Soddy (1903) radioactieve elementen ondergaan spontaan transformatie van één chemische atoomsoort naar een andere veranderingen gaan gepaard met de uitzending van radioactieve straling radioactieve processes zijn sub-atomische veranderingen, i.e., binnen een atoom [begrip ‘atoomkern’ dan nog onbekend]

Natuurlijke radioactiviteit Zoektocht naar nieuwe producten (1905-1910) in Europa (F,D,UK) en VS nieuw: radiolood, radiotellurium, radiothorium, mesothorium 1, mesothorium 2, ... RaEm (emanatie van Ra)  RaA  RaB  ...  RaF apart ‘ontdekte’ nucliden blijken hetzelfde, bvb. radiotellurium (W. Marckland, 1902, uit pechblende geisoleerd) polonium (P. & M. Curie, 1989) Uit: E. Rutherford, Phil. Trans. Royal Soc. London, 1905

Natuurlijke radioactiviteit 1905-1910: Verwarring door veelvuldige ‘ontdekkingen’ Systematiek 1910, F. Soddy: mesothorium 1, radium, thorium X zijn chemisch identiek met verschillende atoommassa’s (resp. 226.5, 228.4, 224.4) systematisatie van alle gepubliceerde gegevens  Soddy: introduceert begrip ‘isotopen’  Fajans & Soddy: natuurlijke radioactiviteitsreeksen F. Soddy, 1877-1956

Natuurlijke radioactiviteit Isotopen 1913 (Thompson): afbuiging van Ne-ionen in EM velden  2 isotopen: 20Ne, 22Ne (later: ook 21Ne) zoektocht naar isotopen niet-radioactieve elementen: m.b.v. massa-spectrografie (F.W. Ashton, 1919)  bijna alle elementen bestaan uit isotopen mengsels

Natuurlijke radioactiviteit Uranium, thorium, actinium reeksen alle elementen met Z > 82 (Bi) zijn radioactief vervaltijden: miljarden jaren  sec behoren alle tot één van drie vervalreeksen U-reeks: 238U  206Pb (na 8 a en 6 b emissies), A = 4n+2 206Pb 238U Ac: 4n+3 Th: 4n U: 4n+2 emanatie

Natuurlijke radioactiviteit Radioactiviteit bij andere elementen waarnemingen bemoeilijkt door aanwezigheid van U, Th, Ac reeksen, kosmische straling, ... 1906 (Campbell, Wood): zwakke radioactiviteit bij K, Rb weinig abundant of zeer lange vervaltijden

Artificiële radioactiviteit < 1934: enkel natuurlijke radioactiviteit 1934: radioactief B, Al door a-bestraling positronen onderzoek: I. Curie, F. Joliot 9B  13N; 26Al  30P (31P is enige stabiele P isotoop) daarna: explosieve groei van aantal radio-isotopen van elke atoomsoort: tenminste 1 radio-isotoop gekend b-verval is meest voorkomend a-verval: enkel bij zware kernen synthetische elementen: Pu, Tc, Pr (niet op aarde) 4n + 1 verval reeks: 237Np  209Bi

Kernstructuur hypothesen Atoomtheorie: gebrek aan experimenteel bewijs 400 BC (Democritos): atomaire opbouw 19e eeuw (Dalton, Avogadro): eenvoudige verhoudingen 1901 (Planck): schatting van NA  atomaire diameter: ~ 10-10 m, amu: ~1.6 10-27 kg 1897 (Thompson): ontdekking electron e--verstrooiing: aantal e- van dezelfde orde als A atomaire massa: vooral in positief-geladen delen verdeling +/- ladingen: ?/plum-pudding model  Verstrooiingsexperimenten van Rutherford

Kernstructuur hypothesen Verstrooiingsexperiment van Rutherford f It was almost as incredible as if you had fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you." [E. Rutherford]  sterke electrische velden binnenin een atoom f  bepaling van Z

Kernstructuur hypothesen Afstand van dichtste nadering d0 initiele kinetische energie volledig omgezet in potentiele energie Rutherford exp.: a’s met v0 = 1.3-1.9 107 m/s  d0 = 4-8 10-14 Z m  Al: 0,5-1 10-14 m Cu: 1-2 10-14 m Au: 3-6 10-14 m i.e. 104 kleiner dan atoomdiameters (10-10 m) kerndichtheid: enorm hoog (1017 kg/m3 = 108 ton/cm3) Ze d0 a

Kernstructuur hypothesen Electron-proton hypothese b--verval: electronen in de kern kern opbouw: A protonen + (A-Z) electronen a-deeltje: 4 protonen + 2 electronen echter: electronen met l  kerndiameter te energetisch  electronen sterk gebonden aan kerndeeltjes  1920 (Rutherford): proton-electron combinatie = neutron 1932 (Chadwick): a-bombardement van 9Be  penetrante straling, niet af te buigen via EM velden initieel: 9Be + 4He  [13C]*  13C + g later: 9Be + 4He  [13C]*  12C + 1n

Kernstructuur hypothesen Proton-neutron hypothese vanaf 1935 algemeen aanvaard neutronen niet stabiel buiten kern (t½ = 13 min) N-Z: neutronen overschot (‘neutron excess’) Andere elementaire deeltjes