Als je de term "radioactief" hoort, denk je waarschijnlijk "slecht nieuws, "Misschien in de trant van fall-out van een atoombom.

Maar radioactieve materialen worden in feite gebruikt in een breed scala aan nuttige toepassingen. in de geneeskunde, ze helpen routinematig bij het diagnosticeren en behandelen van ziekten. Bestraling helpt een aantal voedingsmiddelen vrij te houden van insecten en invasieve plagen. Archeologen gebruiken ze om erachter te komen hoe oud een artefact zou kunnen zijn. En de lijst gaat maar door. Dus wat is radioactiviteit?

Het is de spontane emissie van straling wanneer het dichte centrum van een atoom - de kern genaamd - verandert in een ander centrum. Of het nu gaat om deeltjes of elektromagnetische golven die gammastraling worden genoemd, straling transporteert energie weg van de atoomkern.

Door experimenten, kernfysici hebben er ongeveer 3 gezien, 000 verschillende soorten kernen tot nu toe. huidige theorieën, Hoewel, voorspellen het bestaan ​​van ongeveer 4, 000 meer die nog nooit zijn waargenomen. Rond de wereld, duizenden wetenschappers, mij inbegrepen, ga door met het bestuderen van deze kleine bestanddelen van materie, terwijl regeringen miljarden dollars uitgeven aan het bouwen van krachtige nieuwe machines die steeds meer exotische kernen zullen produceren - en misschien uiteindelijk meer technologieën die het moderne leven verder zullen verbeteren.

De geboorte van kernfysica

De Franse natuurkundige Henri Becquerel ontdekte natuurlijke radioactiviteit in 1896. Hij probeerde te bestuderen hoe uraniumzouten fosforesceren, dat wil zeggen:licht uitstralen - wanneer ze worden blootgesteld aan zonlicht. Becquerel plaatste een uraniummonster op een fotografische plaat bedekt met ondoorzichtig papier en liet het in direct zonlicht liggen. Het bord werd mistig, waarvan hij concludeerde dat het te wijten was aan blootstelling aan de zon.

Dankzij een paar dagen bewolkt weer, Hoewel, Becquerel liet zijn hele opstelling in een donkere la liggen. Verrassend genoeg, de fotografische plaat was nog steeds beslagen, zelfs bij gebrek aan licht. Zonlicht had niets te maken met zijn eerdere waarneming. Het was de natuurlijke radioactiviteit van de uraniummonsters die dit effect had. Toen de uraniumkernen vervielen - dat wil zeggen, getransformeerd in verschillende kernen - ze zenden spontaan lichtgolven uit die zich registreerden op de fotografische platen.

De ontdekking van Becquerel luidde een nieuw tijdperk van de natuurkunde in en lanceerde het gebied van de nucleaire wetenschap. Voor dit werk, hij won de Nobelprijs in 1903.

Vanaf dat moment, nucleaire wetenschappers hebben veel van de innerlijke werking van de atoomkern ontrafeld, en zijn verbazingwekkende energie hebben aangewend voor zowel goede als helaas niet zo goede toepassingen. Kernfysische ontdekkingen hebben ons manieren gegeven om niet-invasief in ons lichaam te kijken, manieren om energie op te wekken zonder luchtvervuiling, en manieren om onze geschiedenis en onze omgeving te bestuderen.

Op atomair niveau

De bekende atoomkernen behoren tot 118 verschillende elementen, sommige komen van nature voor en sommige zijn door de mens gemaakt. Voor elk element op het periodiek systeem zijn er veel verschillende "isotopen, " van het Griekse woord "ισότοπο, " wat betekent "dezelfde plaats, " wat dezelfde plaats in het periodiek systeem van de elementen impliceert.

Om hetzelfde element te zijn, twee isotopen moeten hetzelfde aantal protonen hebben - het positief geladen subatomaire deeltje. Het is hun aantal neutronen - subatomaire deeltjes zonder enige lading - dat aanzienlijk kan variëren.

Bijvoorbeeld, goud is element 79 op het periodiek systeem, en alle isotopen van goud zullen hetzelfde metaal hebben, geelachtig uiterlijk. Echter, er zijn 40 bekende isotopen van goud ontdekt, en nog eens ongeveer 20 zijn getheoretiseerd om te bestaan. Slechts één van deze isotopen is de "stabiele, " of natuurlijk voorkomend, vorm van goud die je nu misschien aan je ringvinger draagt. De rest zijn radioactieve isotopen, ook bekend als "zeldzame isotopen."

Zeldzame isotopen hebben elk unieke eigenschappen:ze leven verschillende tijdsduur, van een fractie van een seconde tot een paar miljard jaar, en ze geven verschillende soorten straling en verschillende hoeveelheden energie af.

Bijvoorbeeld, moderne rookmelders gebruiken de isotoop Americium-241, die een soort straling uitzendt die alfadeeltjes worden genoemd en die een zeer kort bereik hebben. De radioactiviteit kan niet meer dan een paar centimeter in de lucht reizen. Americium-241 leeft een paar honderd jaar.

Anderzijds, de isotoop Fluor-18, die vaak wordt gebruikt in medische PET-scans, leeft slechts ongeveer 100 minuten - lang genoeg om de scan te voltooien, maar kort genoeg om te voorkomen dat het gezonde lichaam gedurende een langere periode onnodig wordt bestraald. De secundaire elektromagnetische straling die afkomstig is van Fluor-18 is in de vorm van langeafstandsgammastraling, waardoor het uit het lichaam en in de PET-camera's kan reizen.

Deze verschillende nucleaire eigenschappen maken elke zeldzame isotoop uniek, en kernfysici moeten gespecialiseerde experimenten ontwerpen om ze elk afzonderlijk te bestuderen.

Op jacht naar meer

Huidig ​​nucleair wetenschappelijk onderzoek streeft naar de ontwikkeling van nieuwe technieken voor het ontdekken van nieuwe isotopen, hun eigenschappen begrijpen, en uiteindelijk efficiënt te produceren en te oogsten.

Het produceren van zeldzame isotopen is geen gemakkelijke taak; het vereist grote machines die kernen laten reizen, en botsen met elkaar, met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Tijdens deze botsingen kunnen kernen samensmelten, of ze kunnen elkaar uit elkaar halen, nieuwe kernen produceren, mogelijk met voorheen onzichtbare combinaties van protonen en neutronen.

Kernfysici hebben speciale apparatuur - detectoren - die deze nieuw gevormde kernen en de straling die ze uitzenden kunnen observeren. en hun eigenschappen bestuderen. Bijvoorbeeld, bij het National Superconducting Cyclotron Laboratory waar ik werk, mijn groep heeft een uiterst efficiënte gammastraaldetector ontwikkeld die we SuN hebben genoemd.

De meeste bekende isotopen zenden gammastraling uit wanneer ze vervallen. We willen weten hoeveel energie daarbij vrijkomt, hoeveel verschillende gammastralen worden uitgezonden en hoe de energie onderling wordt gedeeld, en hoe lang het duurt voordat het verval plaatsvindt. SuN kan deze vragen beantwoorden over welke isotoop we ook onderzoeken.

In een typisch experiment, we implanteren een bundel zeldzame isotopen in het centrum van Sun. De zeldzame isotopen zullen na korte tijd vanzelf vervallen, ongeveer een seconde of minder, en zenden hun karakteristieke straling uit. Sun detecteert deze uitgezonden gammastralen. Het is onze taak als nucleair experimentatoren om de puzzel samen te stellen van hoe die gammastralen werden uitgezonden en wat ze ons vertellen over de eigenschappen van de nieuwe isotoop.

Dit soort productie- en detectietechnieken zijn complex en kostbaar, en daarom zijn er slechts een handvol zeldzame isotopenlaboratoria in de wereld die de meest exotische nucleaire soorten kunnen produceren en bestuderen.

Het is onmogelijk om te voorspellen welke nieuwe ontdekkingen in fundamenteel onderzoek een impact zullen hebben op het leven van mensen. Wie had 100 jaar geleden kunnen weten, toen het elektron werd ontdekt, dat gedurende enkele decennia bijna elk huis in de ontwikkelde wereld een elektronenmachine zou hebben – ook wel bekend als een kathodestraalbuis – om televisie te kijken? En wie had kunnen vermoeden dat de ontdekking van radioactiviteit uiteindelijk zou leiden tot verkenning van de ruimte, aangedreven door radioactief verval?

Op dezelfde manier, we kunnen niet voorspellen welke zeldzame isotopenontdekkingen de game-changers zullen zijn, maar met meer dan de helft van de voorspelde isotopen nog onontgonnen, voor mij voelen de mogelijkheden eindeloos.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.