Alfa -, bèta - en gammastraling Al in 1899 onderscheidde Ernest Rutherford bij de uraniumstraling "minstens twee" soorten: één die makkelijk wordt geabsorbeerd, voor het gemak de 'alfastraling' genoemd, en één met een meer doordringend karakter, de 'bètastraling'. In 1908 kon hij melden (samen met Hans Geiger): "het alfadeeltje is na het verliezen van zijn lading een heliumatoom". Nu kennen we drie soorten straling bij radioactiviteit; ze kunnen onderscheiden worden door een magnetisch veld: Alfastraling bestaat uit positieve heliumkernen (2 protonen en 2 neutronen) met veel energie. Wordt gestopt door een blad papier. Bètastraling bestaat uit elektronen met veel energie. Wordt gestopt door een plaatje aluminium. Gammastraling is een stroom van fotonen met veel energie. Wordt grotendeels gestopt door een blok lood. Alle drie de soorten kernstraling zijn gevaarlijk, want ioniserend: ze beschadigen chemische bindingen. De alfastraling van het gasvormige radon is gevaarlijk in de longen. De gammastraling is het moeilijkst af te schermen, en vormt het grootste probleem bij het werken met radioactieve stoffen (helaas besefte men dit pas jaren na de ontdekking...).
Ongemakkelijk Al snel was duidelijk dat veel zware elementen (zoals uranium, thorium, en radium) vervallen in iets meer eenvoudigs. Maar de fysici voelden zich een tijd lang ongemakkelijk, want er waren enkele lastige problemen. Neem bijvoorbeeld uranium-238, waarvan de kern kan vervallen in een kern van thorium-234 en een alfadeeltje: massa van uraniumatoom: 238,0508 u (met 92 elektronen) massa van thoriumatoom: 234,0436 u (met 90 elektronen) massa van heliumatoom: 4,0026 u (met 2 elektronen) Er ontbreekt dan dus: 0,0046 u (u = atomaire massa-eenheid) Hoe verklaar je het 'massadefect'? De helft van een stuk uranium-238 zal vervallen in bijna 4,5 miljard jaar. Maar je kunt op geen enkele manier te weten komen wanneer een bepaald atoom zal vervallen. Waarom vervalt een atoom volgens een bepaalde kans? Is er echt geen verschil tussen een kern die op het punt staat te vervallen en een kern die over een miljard jaar vervalt?
Sterke kernkracht Om de vragen te kunnen beantwoorden bekijken we eerst de atoomkern, en de 'kwantummechanica'. Een atoomkern bevat protonen en neutronen. De protonen zijn positief geladen en stoten elkaar af, de neutronen hebben geen elektrische lading. De kern wordt bijeengehouden door de sterke restwisselwerking: overal in de kern werkt de "lijm" van de gluonen. Zonder deze zou de kern uiteenspatten door de elektrische afstoting tussen de protonen. Stel je de kern maar voor als een stevig ingedrukte veer (de elektrische afstoting) die ingedrukt wordt gehouden door een heel sterk touw (de sterke restwisselwerking). Er is wel veel energie opgeslagen in de veer, maar die kan er niet uit omdat het touw te sterk is.
Waarschijnlijkheden Subatomaire deeltjes gedragen zich niet zoals we gewend zijn. We kunnen niet echt zeggen wat een deeltje zal doen, maar wel wat het kan doen. De deeltjes bewegen en hebben impuls, zoals bewegende ballen, maar ze hebben ook golfeigenschappen. De wiskundige basis voor onze theorieën over de deeltjes is de kwantummechanica, die het gedrag van de kleinste deeltjes verklaart in termen van waarschijnlijkheden. Een deeltje heeft iets als een golf, het is onmogelijk zijn plaats en zijn impuls op één tijdstip precies te kennen (de onzekerheidsrelatie zegt hoe precies het kan). Vaak stellen we deeltjes voor als puntachtige bolletjes, maar beter is: een 'waarschijnlijkheidswolk' waarin je de grootste kans hebt het deeltje aan te treffen. Protonen en neutronen in een atoomkern trekken heen en weer (ze 'migreren'). In een kern met veel deeltjes is er een heel, héél kleine kans dat op zeker tijdstip twee protonen en twee neutronen net iets buiten de kern bij elkaar zijn en een groepje vormen (een alfadeeltje). In de kern blijft zo'n alfadeeltje gevangen door de sterke restwisselwerking, maar als eenmaal de elektrische afstoting het wint ontsnapt het zoals de ingedrukte veer die plotseling losgelaten wordt. Dit idee "als iets kan gebeuren, dan zal het ook gebeuren" ligt ten grondslag aan de kwantummechanica. Bij radioactief verval is er voor de atomen een zekere waarschijnlijkheid dat ze vervallen, doordat de kern in een toestand kan zijn (al is het heel kort) waarbij de samenhang verbroken is. Op welk tijdstip een bepaald atoom zal vervallen kun je niet voorspellen, maar de kans op verval in een bepaalde tijdsduur is wel te berekenen. Al in 1928 verklaarden George Gamow en anderen de alfaradioactiviteit met het onzekerheidsprincipe.
Halveringstijd Op welk tijdstip een bepaalde uraniumkern zal vervallen is niet uit te maken. Maar voor een groot aantal kernen tegelijk, zoals in een stukje uranium, is het verval goed te voorspellen: steeds na bijna 4,5 miljard jaar zal de helft van het uranium-238 vervallen zijn. Deze tijd heet de halveringstijd, of de halfwaardetijd. Voor een bepaalde atoomkern is het de tijd waarin de kans op verval 50% is. Het zal duidelijk zijn dat velen niet gelukkig waren met het idee, dat fysische eigenschappen bepaald kunnen worden door het toeval. De reactie van Einstein was: "God dobbelt niet!". Einstein had het mis.
Massadefect We moeten nog antwoord hebben op de vraag: waar blijft bij radioactief verval de de ontbrekende massa? Bij uranium-238 is na het alfaverval 0,0046 u verdwenen, van de 238 u (atomaire massa-eenheden). Zoals Einstein al in 1905 zei: Dit is de bekende relatie: E = m c 2 (c is de lichtsnelheid). Als een uraniumkern vervalt komt een klein deel van de massa vrij als kinetische energie (bewegingsenergie) van de deeltjes die uit elkaar vliegen. Vanaf 1932 kon men met nauwkeurige metingen nagaan dat het massadefect (massatekort) inderdaad overeenkwam met de vrijgekomen energie.
Deeltjesverval Atoomkernen kunnen vervallen in kernen met minder massa door zich te splitsen. Hoe kan een fundamenteel deeltje nu vervallen in andere deeltjes? Per definitie bestaat een fundamenteel deeltje immers niet uit kleinere deeltjes, dus het kan zich niet splitsen. Het blijkt dat een fundamenteel deeltje bij verval verandert in een ander deeltje met minder massa, en een krachtvoerend deeltje (altijd een W-boson, als het deeltje fundamenteel is). Dan kan dit wisselwerkingsdeeltje weer tevoorschijn komen in de vorm van andere deeltjes. Een deeltje kan dus niet gewoon veranderen in een ander soort deeltje, er is een 'intermediair' wisselwerkingsdeeltje, dat bemiddelt bij het verval. In veel gevallen lijken deze tijdelijke krachtvoerende deeltjes de wet van energiebehoud te schenden, omdat hun massa groter is dan wat overeenkomt met de op dat moment beschikbare energie. Ze bestaan echter zo kort dat volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg toch geen regel wordt overtreden. Het zijn de 'virtuele' deeltjes. Een deeltje vervalt in een kleiner deeltje en een virtueel krachtvoerend deeltje. Dit virtueel deeltje vervalt in nog een ander deeltje en een foton.
Soorten deeltjesverval Deeltjesverval kan veroorzaakt worden door de sterke, de elektromagnetische, en de zwakke wisselwerking. Hoe sterker de kracht, hoe sneller de wisselwerking verloopt: deeltjes die door sterke wisselwerking vervallen hebben de kortste levensduur. Zwakke wisselwerking: Een voorbeeld is het bètaverval. Alleen de zwakke wisselwerking kan een fundamenteel deeltje doen veranderen van 'smaak'. Door het uitzenden van virtueel W-boson kan een down-quark veranderen in een up-quark, of een charm-quark in een strange-quark. Elektromagnetische wisselwerking: Voorbeeld: het neutrale pion 0 is een meson met een quark en zijn antiquark, en deze twee kunnen 'annihileren' (massa wordt energie), zodat twee fotonen overblijven. Sterke wisselwerking: Het deeltje èta-c is een meson met een charm- en een anticharm-quark. Het kan door de sterke wisselwerking vervallen in twee gluonen, die als hadronen tevoorschijn komen. Het wisselwerkingsdeeltje voor de sterke kracht is het gluon. Dit heeft geen elektrische lading, wel kleur. Het bemiddelt bij verval waarbij de 'kleur' van een deeltje verandert. Voor de zwakke kracht zijn het W + en W, met + of - elektrische lading, geen kleur. Ze bemiddelen bij verval waarbij de 'smaak' van een deeltje verandert, en de elektrische lading. En het Z-deeltje, geen elektrische lading, geen kleur, bemiddelt bij elastische botsingen met neutrino's, de 'neutrale stromen'.
Annihilatie Bij verval van een deeltje of atoomkern wordt een klein deel van de massa omgezet in energie, en de rest van de massa wordt teruggevonden in nieuwe deeltjes. Annihilatie van een deeltje en zijn antideeltje betekent dat alle massa geheel wordt omgezet in energie. Ook annihilaties verlopen via wisselwerkingsdeeltjes, en die kunnen weer virtueel zijn. Dus: bij de wisselwerking tussen een materiedeeltje en een antimateriedeeltje wordt alle energie van hun vorige bestaan omgezet in een krachtvoerend deeltje met heel veel energie (gluon, W/Z, of foton). Deze wisselwerkingsdeeltjes kunnen weer vervallen in andere deeltjes. Natuurkundigen laten voortdurend deeltjes annihileren bij geweldig hoge energieën, met het doel nieuwe deeltjes te creëren die een grote massa hebben. Het plaatje laat dit zien voor quarks.
Voorbeelden van verval en annihilatie Een neutron vervalt in een elektron, een proton, en een antineutrino. Een elektron en positron annihileren tot de mesonen D + en D. Een top-quark kan geproduceerd worden als een proton en antiproton annihileren. In een èta-c meson kunnen het charm-quark en anti-charm quark annihileren tot een pion en twee kaonen.
Een bellenvat-foto toont de annihilatie van een proton en een antiproton die acht pionen produceert.