In deze paragraaf gaan we onze kennis over atoomkernen uit de vorige vraag gebruiken om kernreacties te beschrijven.

In deze paragraaf bespreken we kernreacties. We spreken van een kernreactie als de atoomkern een verandering ondergaat. Een voorbeeld van een kernreactie is kernverval. Dit is het spontaan uit elkaar vallen van een atoomkern. Stoffen waarbij dit gebeurt noemen we radioactief. Bij kernverval schiet er vaak een deeltje met behoorlijke snelheid uit het atoom weg. We noemen dit straling. Als een atoom straling uitgezonden heeft, dan zeggen we dat het atoom vervallen is. De oorspronkelijke radioactieve kern noemen we de moederkern en de kern die na de straling overblijft noemen we de dochterkern. In sommige gevallen zijn de dochterkernen zelf ook weer radioactief. Er bestaan ook atoomkernen die geen straling uitzenden. We noemen deze isotopen stabiel.

Het is belangrijk goed onderscheid te maken tussen kernreacties en chemische reacties. Bij een chemische reactie worden elektronen tussen atomen uitgewisseld of gedeeld. De kernen van de atomen blijven bij chemische reacties onaangetast. Bij kernreacties is het juist de kern die verandert.

Er kunnen bij kernreacties een aantal soorten straling vrijkomen. De eerste soort wordt alfastraling genoemd. Hierbij breekt een helium-4-kern af van de kern van een atoom. Een heliumkern bevat twee protonen en twee neutronen:

Hier zien we een voorbeeld van een vervalvergelijkingen waarbij α-straling vrijkomt. Het gaat hier om het verval van polonium-214:

$$ ^{214}_{84}\text{Po} \rightarrow ^{210}_{82}\text{Pb} + ^{4}_{2}\text{He} $$

Let op dat de som van de atoomnummers voor de reactie gelijk is aan de som van de atoomnummers na de reactie. Hetzelfde geldt voor de massagetallen. Het behoud van atoomnummer is een gevolg van het behoud van lading. Het behoud van massagetal is het gevolg van het behoud van massa. In het bovenstaande geval wordt door het verliezen van de heliumkern het nieuwe atoomnummer 82 en het nieuwe massagetal 210. In tabel 25 kan je zien dat bij deze waarden de stof Pb-210 hoort.

De tweede soort straling is bètastraling. Er zijn twee typen β-straling. De zogenaamde β⁺- en β^--straling. Bij β^--straling komt er een elektron uit de kern. Dit type straling wordt vaak ook gewoon β-straling genoemd. Bij β⁺-straling komt er een positron uit de kern. Een positron heeft dezelfde eigenschappen als het elektron alleen met een positieve lading. We noemen dit het antideeltje van het elektron.

Maar hoe kunnen er elektronen en positronen uit de kern komen? Het blijkt dat elektronen ontstaan als protonen of neutronen vervallen:

Hieronder zien we een voorbeeld van de twee typen β-straling:

$$ ^{40}_{19}\text{K} \rightarrow ^{40}_{20}\text{Ca} + ^{0}_{-1}\text{e}^- $$ $$ ^{22}_{11}\text{Na} \rightarrow ^{22}_{10}\text{Ne} + ^{0}_{1}\text{e}^+ $$

In de eerste vergelijking is een neutron vervallen tot een proton en een elektron. Het atoomnummer is door het extra proton groter geworden. Het massagetal is gelijk gebleven, omdat in plaats van een neutron nu een proton in de kern zit. In de tweede vergelijking is het atoomnummer juist afgenomen. Dit gebeurt als een proton is vervallen in een neutron en een positron. Ook hier is het massagetal gelijk gebleven.

De laatste soort straling is gammastraling (γ-straling). Gammastraling bestaat uit fotonen (lichtdeeltjes) met een frequentie buiten het zichtbare spectrum. We schrijven:

In BINAS tabel 25 kan je bij een aantal isotopen lezen welk type straling er wordt uitgezonden en met hoeveel (kinetische) energie de straling wordt weggeschoten.

Tot nu toe hebben we het gehad over reacties die spontaan plaatsvinden. We kunnen kernreacties echter ook kunstmatig opwekken. Een voorbeeld is het beschieten van een uraniumatoom met een neutron. Het neutron wordt ingevangen door de kern, waarna de kern in een aantal stukken uiteenvalt:

$$ ^{235}_{\;92}U + ^1_0n \;\;\;\rightarrow \;\;\;^{99}_{42}Mo + ^{134}_{\;50}Sn + 3^1_0n $$

Zoals je kunt zien komen bij deze reacties weer nieuwe neutronen vrij en deze neutronen kunnen weer tegen andere uraniumatomen botsen. De kans dat zo'n botsing plaatsvindt hangt o.a. af van de snelheid van deze neutronen. Te snelle neutronen zijn maar kort in de buurt van de volgende atoomkern en hebben daarom een kleinere kans om deze kern te doen splijten. In een kerncentrale wordt dit probleem opgelost met een moderator. Dit is een stof die ervoor zorgt dat neutronen afremmen. De juiste hoeveelheid hiervan kan een kettingreactie op gang brengen waarbij heel veel energie vrijkomt. Een gecontroleerde versie van zo'n kettingreactie vindt plaats in een kernreactor. Een ongecontroleerde versie vindt plaats bij het ontploffen van een kernbom.

Naast kernverval bestaat ook kernfusie. Hier fuseren atoomkernen samen. Ook bij dit proces kan energie vrijkomen. Dit gebeurt bijvoorbeeld in de zon. Hier wordt waterstof gefuseerd tot helium. De energie die hierbij vrij komt zorgt voor het licht dat de zon geeft.