We hebben de ontdekking van radioactiviteit te danken aan slecht weer. De Franse natuurkundige Henri Becquerel probeerde fluorescentie te bestuderen, een verschijnsel waarbij bepaalde materialen oplichten wanneer ze aan zonlicht worden blootgesteld, maar bewolkte dagen dwarsboomden zijn experimenten en dus wikkelde hij zijn fluorescerende uraniumzouten in een doek en liet ze achter in een lade, samen met een fotografische plaat en een koperen kruis. Dit eenvoudige toeval, in 1896, onthulde het bestaan van radioactiviteit, een fenomeen dat een venster op de subatomaire wereld opende en het begin van de nucleaire revolutie vormde.
Inzicht in radioactiviteit
Toen hij eindelijk de zouten ophaalde, ontdekte Becquerel dat een afbeelding van het kruis op de fotografische plaat was verschenen – ook al waren de zouten niet aan licht blootgesteld.
“Ik ben er nu van overtuigd dat uraniumzouten onzichtbare straling produceren, zelfs als ze in het donker zijn bewaard,” schreef hij na het uitvoeren van verdere experimenten.
De doctoraalstudente van Beckquerel, Marie Curie, onderzocht de zaak samen met haar man Pierre en zij realiseerden zich dat het effect niets te maken had met fluorescentie, maar ontdekten dat bepaalde materialen van nature een constante stroom energie uitzenden. Zij bedachten de term “radioactiviteit” en vonden ook twee nieuwe radioactieve elementen: polonium en radium. Voor dit diepgaande en opwindende werk ontvingen Becquerel en de Curies in 1903 de Nobelprijs voor natuurkunde.
Fysici Ernest Rutherford en Frederick Soddy gingen nog dieper en ontdekten dat minuscule hoeveelheden materie enorme energiereserves bevatten. Zij realiseerden zich ook dat in het proces van radioactief verval het ene element in het andere kan veranderen – een atoom uranium kan (via een paar tussenstappen) veranderen in een atoom lood.
Overal ter wereld ging men ervan uit dat deze wonderbaarlijk energetische materialen nuttig konden worden gebruikt. Tot in de jaren 1920 verrijkten vele fabrikanten van laxeermiddelen en tandpasta hun producten trots met radioactief thorium, en pas in 1938 werden radioactieve stoffen in de VS in consumentenproducten verboden.
Hoe werkt radioactiviteit?
Heden ten dage begrijpen we veel beter wat radioactiviteit is, hoe het gevaarlijk kan zijn, en hoe we het kunnen gebruiken.
Hier volgt een basisoverzicht: stel je een atoom voor, bestaande uit een wolk elektronen rond een centrale kern waarin deeltjes, neutronen en protonen genaamd, opeengepakt zitten. Sommige opstellingen van protonen en neutronen zijn stabieler dan andere; als er te veel neutronen zijn in verhouding tot protonen, wordt de kern onstabiel en valt uit elkaar. Bij dit verval komt nucleaire straling vrij in de vorm van alfadeeltjes, betadeeltjes en gammastraling.
Een alfadeeltje neemt twee protonen en twee neutronen mee, en aangezien een element wordt gedefinieerd door het aantal protonen, wordt het moederatoom een geheel nieuw element wanneer een alfadeeltje wordt uitgezonden. Bij bètaverval wordt een neutron omgezet in één proton en één elektron, en het elektron versnelt, een extra proton achterlatend en opnieuw resulterend in een atoom van een ander element. Naast een van de bovengenoemde deeltjes kunnen vervalende kernen ook gammastralen produceren: elektromagnetische straling met een hoge energie.
Wat zijn de gevolgen voor de gezondheid?
Zoals Becquerel en de Curies ontdekten, is radioactiviteit een in de natuur voorkomend verschijnsel. Veel mineralen in de aarde zenden een langzame en gestage stroom straling uit, de lucht die we inademen bevat radioactieve gassen, en zelfs voedsel en ons lichaam bevatten een klein percentage radioactieve atomen zoals kalium-40 en koolstof-14. De aarde ontvangt ook straling van de zon en van hoogenergetische kosmische straling. Deze bronnen creëren een natuurlijk maar onvermijdelijk niveau van achtergrondstraling. Veel kunstmatige bronnen voegen daar nog aan toe, waaronder medische procedures zoals röntgenstralen, rookmelders, bouwmaterialen en brandstoffen.
We ondervinden over het algemeen geen schade van lage achtergrondbronnen van straling, omdat de mate van schade afhangt van de duur en het niveau van de blootstelling. Straling kan de interne chemie van het lichaam beschadigen, chemische bindingen in ons weefsel verbreken, cellen doden en het DNA beschadigen, wat tot kanker kan leiden. In zeer hoge doses kan straling binnen enkele uren ziekte en de dood veroorzaken.
Het benutten van kernenergie
De gevolgen van radioactiviteit zijn in de loop van de geschiedenis op nog grotere schaal merkbaar geweest door het smelten van kerncentrales. Het radioactieve proces van kernsplijting wordt al tientallen jaren toegepast om elektriciteit te produceren: de kern van een atoom wordt gesplitst, waarbij ten minste twee “dochter”-kernen ontstaan en energie in de vorm van warmte vrijkomt. De warmte wordt gebruikt om water te koken en stoom te produceren, waardoor een turbine gaat draaien en elektriciteit wordt opgewekt. Helaas is dit geen schoon proces – het produceert radioactief afval dat moeilijk veilig te verwijderen is, en in extreme gevallen kunnen reacties uit de hand lopen, zoals de ramp die werd veroorzaakt door een aardbeving in de kerncentrale van Fukushima Daiichi in 2011.
Een ander radioactief proces zou een veilige manier kunnen bieden om schone energie op te wekken: kernfusie. In tegenstelling tot kernsplijting worden bij kernfusie twee atoomkernen samengevoegd. Bij dit proces komt ook energie vrij – het is het exacte proces dat in de zon en andere sterren plaatsvindt – maar fusie vereist extreem hoge temperaturen en drukken, die duur en moeilijk na te bootsen zijn op aarde.
Een lange weg te gaan
Becquerel stierf 12 jaar na zijn eerste ontdekking op 54-jarige leeftijd, met brandwonden en littekens waarschijnlijk van het omgaan met radioactieve materialen, en Marie Curie stierf enkele decennia later aan leukemie. Waarschijnlijk werd Pierre Curie ook langzaam gedood door straling, hoewel dat moeilijk te zeggen is omdat hij in 1906 dodelijk werd aangereden door een koets.
Heden ten dage kunnen we radioactiviteit veel veiliger gebruiken dankzij onze grotere kennis van radioactiviteit. Ongevallen met radioactieve stoffen komen minder vaak voor en leiden tot minder dodelijke slachtoffers, dankzij strenge veiligheidsmaatregelen en grondige reacties op noodsituaties. Bij de meest recente kernramp in Fukushima vielen geen doden als gevolg van blootstelling aan straling – maar er is nog een lange weg te gaan voordat we veilig gebruik kunnen maken van de immense ruwe kracht van radioactiviteit.