Heading

Een curiositeit van de natuur en een zeer lang levende bètastraler

Argon 40, een gas dat door lava gevangen wordt gehouden
De kalium-argon methode wordt vaak gebruikt om lavastromen te dateren waarvan de ouderdom tussen een miljoen en een miljard jaar ligt. Wanneer een atoom van kalium 40 vervalt in argon 40, wordt het geproduceerde argon-atoom gevangen gehouden door de kristallijne structuur van de lava. Het kan alleen ontsnappen wanneer het gesteente in gesmolten toestand is, en zo kunnen wetenschappers aan de hand van de hoeveelheid gefossiliseerd argon in lava de ouderdom van de stolling dateren.
DR

Potassium 40, een radio-isotoop die in sporenhoeveelheden in natuurlijk kalium voorkomt, ligt aan de basis van meer dan de helft van de activiteit van het menselijk lichaam: het ondergaat tussen de 4 en 5.000 vervalbewegingen per seconde voor een mens van 80 kg. Samen met uranium en thorium draagt kalium bij tot de natuurlijke radioactiviteit van gesteenten en dus tot de aardwarmte.
Deze isotoop maakt één tienduizendste uit van het kalium dat in de natuur voorkomt. Qua atoomgewicht bevindt het zich tussen twee stabielere en veel overvloedigere isotopen (kalium 39 en kalium 41), die respectievelijk 93,25% en 6,73% van de totale kaliumvoorraad op aarde uitmaken. Met een halfwaardetijd van 1,251 miljard jaar bestond kalium 40 in de overblijfselen van dode sterren waarvan de agglomeratie heeft geleid tot het zonnestelsel met zijn planeten.

De twee vervalkanalen van kalium 40
Het vervalschema van kalium-40 is ongewoon. De massa-energie van het atoom is hoger dan die van zijn twee buren in de familie van atomen met 40 nucleonen in hun kern: Argon-40 met één proton minder en calcium-40 met één proton meer. Kalium-40 heeft twee vervalkanalen open. Het beta-minus vervalkanaal dat leidt tot calcium_40 is veruit het meest frequent, maar verval dat leidt tot argon-40 door elektronische vangst komt voor met een snelheid van 11 %. Zeer opmerkelijk is ook de zeer lange halfwaardetijd van 1,251 miljard jaar, uitzonderlijk voor een bètaverval. Dit wordt verklaard door een grote sprong in de inwendige rotatie (of spin ) van de kern tijdens het verval, die de overgang bijna bijzonder moeilijk maakt en daardoor extreem traag.
IN2P3

Potassium 40 heeft de ongebruikelijke eigenschap in twee verschillende kernen te vervallen: in 89% van de gevallen zal bèta-negatief verval leiden tot calcium 40, terwijl 11% van de tijd argon 40 zal worden gevormd door elektronenvangst gevolgd door gamma-emissie bij een energie van 1.46 MeV

.
Deze gammastraal van 1,46 MeV is belangrijk, omdat we aan de hand daarvan kunnen vaststellen wanneer kalium 40 vervalt. De bèta-elektronen die tot calcium leiden, gaan echter niet vergezeld van gammastralen, hebben geen karakteristieke energieën en komen zelden uit de rotsen of lichamen die kalium 40 bevatten.
Bèta-minus verval wijst op een kern met te veel neutronen, elektronenvangst op een kern met te veel protonen. Hoe kan kalium 40 tegelijkertijd te veel van beide hebben? Het antwoord onthult een van de eigenaardigheden van de kernkrachten.

Van kalium 40 naar argon 40
De elektronenvangst waardoor kalium 40 in zijn grondtoestand in argon 40 verandert, vindt slechts in 0,04% van de gevallen plaats. Veel vaker (10,68% van de gevallen) leidt een indirecte vangst tot een geëxciteerd argonatoom dat naar zijn grondtoestand moet terugkeren door een gammastraal uit te zenden met een energie van 1,46 MeV. Zonder deze karakteristieke gammastraal zou het onmogelijk zijn het verval van kalium 40 te detecteren en te identificeren. De neutrino’s die bij deze vangst worden uitgezonden, zijn niet detecteerbaar. De bèta-elektronen van het verval naar kalium 40 (89,3% van de tijd) gaan niet vergezeld van gammastralen, en worden over het algemeen geabsorbeerd in het medium waarin ze terechtkomen.
IN2P3

Stabiele kernen bevinden zich op de bodem van een zogenaamde ‘stabiliteitsvallei’, een concept dat helpt bepalen of een kern radioactief is of niet. Kalium 40 zou zich op de bodem van deze vallei moeten bevinden en zou de meest stabiele van de kernen moeten zijn die 40 nucleonen bevatten. Zijn massa-energie (of interne energie) is echter in feite groter dan die van zijn buren – calcium 40 en argon 40. Dit verschil is voldoende om kalium 40 onstabiel te maken. De reden hiervoor is dat protonen, net als neutronen, graag paarsgewijs in een kern aanwezig zijn. Kalium 40 bevat een oneven aantal van beide – 19 protonen en 21 neutronen. Als gevolg daarvan heeft het één vrijgezel proton en één vrijgezel neutron. In zowel argon 40 als calcium 40 is het aantal protonen en neutronen echter even, waardoor ze die extra stabiliteit hebben.
Het zeer langzame verval van kalium 40 in argon is zeer nuttig voor het dateren van gesteenten, zoals lava, waarvan de ouderdom tussen een miljoen en een miljard jaar ligt. Het verval van kalium in argon produceert een gasvormig atoom dat gevangen zit op het moment dat lava kristalliseert. Het atoom kan ontsnappen wanneer de lava nog vloeibaar is, maar niet na de stolling. Op dat moment bevat het gesteente een zekere hoeveelheid kalium, maar geen argon. Na verloop van tijd en door het uiteenvallen van kalium 40, hopen de gasvormige argonatomen zich zeer langzaam op in de lava, waar zij opgesloten zitten. Door de hoeveelheid argon 40 te meten die sinds de stolling van de lava is gevormd, kan de leeftijd van het gesteente nauwkeurig worden bepaald.
Toegang tot pagina in frans