Periodiek systeem/Alkalimetalen, isotopen

Radiochemie van alkalimetalen

Oer-isotopen van de alkalimetalen

Z	Alkalimetaal	Stabiel	Oer-isotopen	cursief: instabiel
				oneven-oneven-isotopen zijn roze
3	Lithium	2	—	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{7}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}7}\mathrm{L}\mathrm{i}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{6}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}6}\mathrm{L}\mathrm{i}$
11	Natrium	1	—	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{23}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}23}\mathrm{N}\mathrm{a}$
19	Kalium	2	1	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{K}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{41}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}41}\mathrm{K}$	${40}^{}K$
37	Rubidium	1	1	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{85}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}85}\mathrm{R}\mathrm{b}$	${87}^{}Rb$
55	Cesium	1	—	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{133}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}133}\mathrm{C}\mathrm{s}$
87	Francium	—	—	Geen oer-isotopen ${223}^{}Fr$ is een radio-nuclide)
Radioactive: Sjabloon:Nowrap Sjabloon:Nowrap Sjabloon:Nowrap

Alle alkali-metalen hebben oneven atoomnummers, zodat de isotopen ervan ofwel tot het oneven-oneven type behoren (zowel het aantal protonen als het aantal neutronen is oneven), ofwel tot het oneven-even type (het aantal protonen nog steeds oneven, maar het aantal neutronen is nu even. De oneven-oneven nucleï hebben een even massagetal, de oneven-even juist een oneven massagetal. De oneven-oneven oer-isotopen zijn zeldzaam omdat de meeste ervan via $\mathrm{\beta }$-verval overgaan in een even-even nucleus ($\mathrm{\beta }$-verval, het uitzenden van een elektron, heeft tot gevolg dat het aantal neutronen één daalt en dan dus even wordt terwijl het aantal protonen met één stijgt en dan dus ook even wordt). Tengevolge van de schaarste aan oneven-oneven nucleï zijn bijna alle oer-isotopen van de alkali-metalen van het type oneven-even De enige uitzonderingen zijn het stabiele isotoop van lithium ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{6}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}6}\mathrm{L}\mathrm{i}$, en ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{40}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}40}\mathrm{K}$, een radionuclide met een lange halfwaarde tijd.

Van alle alkalimetalen, met uitzondering van lithium en cesium, zijn natuurlijk voorkomende radio-isotopen bekend:.

Natrium

Van natrium zijn de natuurlijke radioisotopen ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{22}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}22}\mathrm{N}\mathrm{a}$ en ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{24}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}24}\mathrm{N}\mathrm{a}$. Zij ontstaan onder invloed van kosmische straling.

Kalium

Kalium heeft in ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{40}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}40}\mathrm{K}$ hebben beide een hoge halfwaardetijd en komen op basis daarvan in de natuur voor, al is de hoeveelheid van kalium-40 in natuurlijk kalium erg klein (0,012%), wat wel betekent dat natuurlijk kalium licht radioactief is. Deze eigenschap van kalium lag aan de basis voor de (onterechte) claim van de ontdekking van element 87 (francium) in 1925.

Bij een gegeven oneven massagetal kan maar een nuclide stabiel zijn tegenover $\mathrm{\beta }$-verval. De kern vertegenwoordigt het massa-minimum op de isobar vn nucleï, en daarmee ook de hoogste bindingenergie per nucleon voor dat massagetal. De andere kernen zijn ten opzichte van deze kern niet stabiel als het op $\mathrm{\beta }$-verval aankomt: het uitstoten van een elektron of positron levert energie. Deze energie wordt geleverd via de Einstein-relatie $E=m{c}^2$. In de tabel en de grafiek hieronder is een en ander weergegeven voor de nuclides met een massa-getal van 39. ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{K}$ is hierin het energieminimum.

Exacte massa van nucliden met een massagetal van 39

Nuclide	Massa (u)	Verval	Product	$\mathrm{\delta }$Massa (u)	200
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{N}\mathrm{a}$	39,07512	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{M}\mathrm{g}$	-
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{M}\mathrm{g}$		$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{A}\mathrm{l}$
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{A}\mathrm{l}$	39,02217	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{S}\mathrm{i}$	-0,0197
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{S}\mathrm{i}$	39,00249	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{P}$	-0,0162
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{P}$	38,98629	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{S}$	-0,0112
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{S}$	38,97513	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{C}\mathrm{l}$	-0,0071
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{C}\mathrm{l}$	38,9680082	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{A}\mathrm{r}$	-0,0037
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{A}\mathrm{r}$	38,964313	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{K}$	-0,0006
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{K}$	38,963706487	-	-
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{C}\mathrm{a}$	38,9707108	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{+}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{K}$	-0,0070	Hierboven: Exacte atomaire massa (u) als functie van het atoomnummer. Te zien is dat ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{K}$ het minimum in de curve is. Op dit punt is de bindingsenergie per nucleon maximaal en de kern stabiel.
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{S}\mathrm{c}$	38,98479	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{+}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{C}\mathrm{a}$	-0,0141
${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{T}\mathrm{i}$	39,00161	$\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{+}$	${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{39}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}39}\mathrm{S}\mathrm{c}$	-0,0168

Rubidium

Ook rubidium heeft met ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{87}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}87}\mathrm{R}\mathrm{b}$ een radio-isotoop met een dusdanig lange halfwaardetijd dat het natuurlijk voorkomt en zelfs 27,83% van natuurlijk voorkomend rubidium uitmaakt.

Cesium

Van cesium werd in het begin van de 20e eeuw ook gedacht dat het radioactief was, hoewel er momenteel geen natuurlijk voorkomende isotopen bekend zijn. ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{137}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}137}\mathrm{C}\mathrm{s}$, met een halfwaardetijd van 30,17 jaar is een van de twee voornaamste splijtingsproducten (samen met ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{90}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}90}\mathrm{S}\mathrm{r}$) dat na een aantal jaren van afkoelen verantwoordelijk is voor het leeuwendeel van de radioactiviteit van verbruikte nucleaire brandstof. Tot meerdere honderden jaren na gebruik zal dat nog zo zijn. De nu nog aanwezige radioactiviteit in het gebied rond Tsjernobyl wordt ook voornamelijk door dit radionuclide veroorzaakt. Cesium-137 vervalt via hjoog-energetisch beta verval naar staiel barium-137:

${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{137}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}137}\mathrm{C}\mathrm{s}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{137}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}137}\mathrm{B}\mathrm{a}+\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}$

${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{137}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}137}\mathrm{C}\mathrm{s}$ is een sterke $\mathrm{\gamma }$-straler en bezit een zeer kleine doorsnede voor neutron-vangst waardoor dat geen optie voor verwerking is en moet het gewoon de tijd krijgen om te vervallen. Cesium-137 is gebruikt in hydrologische stromingsstudies op dezelfde manier als tritium. Kleine hoeveelheden ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{134}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}134}\mathrm{C}\mathrm{s}$ en ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{137}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}137}\mathrm{C}\mathrm{s}$ zijn in de atmosfeer terecht gekomen bij bijna alle testen met atoomwapens en een aantal kernrampen, waarvanhet Goiânia-incident en Tsjernobyl de bekendste zijn. Vanaf 2005 vormt cesium-137 de voronaamste bron van radioactiviteit in de verboden zone rond Tsjernobyl. De chemische eigenschappen ervan, waadoor het veel eigenschappen met kalium deelt, maken het tot een van de meest problematische splijtingsproducten die bij de ramp ontstonden. Als alkalimetaal zijn al zijn zouten goed oplosbaar en verspreid het zich in het milieau. Biologisch wordt het door het spijsverteringkanaal behandeld als natrium in kalium en opgenomen in het lichaam.

Francium

Van francium zijn alle isotopen radioactief. Sjabloon:References Sjabloon:Paginalink Sjabloon:Sub