19.9
التحويل النووي هو تحويل نويدة إلى أخرى. ويمكن أن يحدث عن طريق التحلل الإشعاعي للنواة، أو تفاعل نواة مع جسيم آخر. تم إنتاج أول نواة من صنع الإنسان في م…
التحول النووي هو تحول أحد العناصر إلى عنصر آخر،وهذا ممكن بواسطة اضمحلال النشاط الإشعاعي،أو الاندماج النووي،أو الانشطار النووي. كما أثبت إرنست رذرفورد،بأن النيتروجين-14،عندما يصطدم بشعاع ألفا المتحرك بسرعة،ينتج عنه بروتون ونوكليدة مختلفة،وهو ما عرّفه باتريك بلاكيت،بعد بضع سنين،على أنه أكسجين-17. الرمز المختصر للعملية يضع بالترتيب النواة المستهدفة،والجسيمات القاصفة و الطاردة،والنواة الناتجة.
النيوترونات وأشعة ألفا من الجسيمات القاصفة الشائعة في عمليات التحول النووي. العغناصر التي يزيد عددها الذري على 92 تُسمى عناصر ما بعد اليورانيوم. هذه العناصر أهداف شائعة في تجارب التحول،لأنها صناعية كليًا ما عدا النبتونيوم أو البلوتونيوم،التي تنتج بشكل طبيعي خلال سلسلة اضمحلال اليورانيوم.
على سبيل المثال،يتم تكوين نبتونيوم-239 في مُفاعلات نووية متخصصة بواسطة ضرب يورانيوم-238 بنيوترونات انشطار. كونها ذات شحنة كهربائية محايدة،فإنّهذه النيوترونات،لا تواجه أي تنافر كهروستاتيكي من النويات،لذا تكون سرعة الانشطارات كافية لهذا التحول. وبعد ذلك يضمحل النبتونيوم-239 المشع إلى بلوتونيوم-239.
وفي تجارب أخرى،يتم ضرب البلوتونيوم-239 بأشعة ألفا فائقة السرعة لإنتاج الكوريوم الذي عدده الذري 96. خلافًا للنيوترونات،لا بد لأشعة ألفا أن تتغلب على التنافر الكهروستاتيكي،الذي تمارسه النواة المستهدفة ذات الشحنة الموجبة،وبالتالي،يتطلب طاقة حركية أكبر. من الملفت أن التنافر الكهروستاتيكي يكون أكبر في النويات الكبيرة كنواة بلوتونيوم-239 منه في النويات الصغيرة كنواة النيتروجين-14 المستخدمة في تجارب رذرفورد وبلاكيت.
مسرّعات الجسيم،ومنها المسرّعات الخطية والمسرعات الدائرية،تنقل السرعة الفائقة المرغوب بها إلى الجسيمات النووية المشحونة. في المسرّع الخطي متعدد المراحل،سلسلة أنابيب متزايدة الأطوال وذات قطبية متناوبة. وجود كمون كهربائي متذبذب،يغير القطبيات بسرعة مما يجعل الجسيمات المشحونة تتجاذب وتتنافر بالتناوب مع كل أنبوب.
تتسارع الجسيمات كلما زاد طول الأنبوب،إلى أن تصل في النهاية إلى سرعات قد تزيد على 90%من سرعة الضوء. أما في المسرّع الدائري،فتتسارع الجسيمات في مسار دائري نتيجة التناوب في الجهد الكهربائي. مسرّعات الجسيم تستطيع أن تضرب النويات حتى بنويات أخرى كبيرة نسبيًا،كضرب الرصاص-208 بشعاع الزنك-70.
الناتج أحد عناصر ما بعد اليورانيوم وهو كوبرنيسيوم-277،يولّد 13 عنصرًا من عناصر ما بعد اليورانيوم عبر سلسلة اضمحلاله الكبيرة،التي تؤدي في النهاية إلى بيزموث-209.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is nuclear transmutation and how does it occur?
Nuclear transmutation is the conversion of one element into another through radioactive decay, nuclear fusion, or nuclear fission. Ernest Rutherford first demonstrated this in 1919 by bombarding nitrogen-14 with alpha particles, producing a proton and oxygen-17. Transmutation can occur naturally through radioactive decay or artificially when nuclei are bombarded with particles like neutrons or alpha particles.
Q2: Why do neutrons require less energy than alpha particles for transmutation?
Neutrons are electrically neutral and encounter no electrostatic repulsion from positively charged target nuclei, so fission speeds are sufficient for transmutation. Alpha particles, being positively charged, must overcome electrostatic repulsion and thus require greater kinetic energy. This repulsion is even stronger with larger nuclei like plutonium-239 than with smaller nuclei like nitrogen-14.
Q3: What are transuranium elements and how are they created?
Transuranium elements are synthetic elements with atomic numbers greater than 92 (uranium), except neptunium and plutonium, which also occur naturally in uranium decay chains. These elements are created through transmutation reactions in specialized nuclear reactors. For example, neptunium-239 is generated by bombarding uranium-238 with fission neutrons, which then decays into plutonium-239.
Q4: How do particle accelerators enable nuclear transmutation reactions?
Particle accelerators use magnetic and electric fields to increase the speeds of nuclear particles to levels necessary for transmutation. Linear accelerators use alternating electrical potential to accelerate particles through tubes of increasing length, reaching speeds exceeding 90% of light speed. Cyclotrons accelerate particles in a spiral path using alternating voltage, allowing bombardment of nuclei with high-energy particles.
Q5: What is the condensed notation used to represent transmutation reactions?
Condensed notation for transmutation lists, in order, the target nucleus, the bombarding particle, the ejected particle, and the product nucleus. This format provides a concise way to represent the entire reaction. For example, Rutherford's experiment with nitrogen-14 bombarded by alpha particles producing a proton and oxygen-17 follows this systematic notation.
Q6: How is plutonium-239 produced from uranium-238 in nuclear reactors?
Uranium-238 is bombarded with neutrons released during uranium-235 decay in nuclear reactors. This creates unstable uranium-239, which undergoes beta decay to form neptunium-239. Neptunium-239 subsequently undergoes radioactive decay and radiometric dating processes to form plutonium-239, which is now mostly formed as a byproduct during uranium decay.
Q7: What medical applications have resulted from nuclear transmutation?
Nuclear medicine has developed from the ability to convert atoms of one type into other types through transmutation. Radioactive isotopes of several dozen elements are now used for medical applications, with radiation from their decay used to image or treat various organs and body portions. This advancement demonstrates the practical benefits of transmutation technology beyond fundamental nuclear research.