19.9: Nukleare Transmutation

Die nukleare Transmutation ist die Umwandlung eines Nuklids in ein anderes. Sie kann durch den radioaktiven Zerfall eines Kerns oder die Reaktion eines Kerns mit einem anderen Teilchen erfolgen. Der erste von Menschenhand geschaffene Kern wurde 1919 im Labor von Ernest Rutherford durch eine Transmutationsreaktion hergestellt, bei der eine Art von Kernen mit anderen Kernen oder mit Neutronen beschossen wurde. Rutherford beschoss Stickstoff-14-Atome mit Hochgeschwindigkeits-α-Teilchen aus einem natürlichen radioaktiven Isotop des Radiums und beobachtete, wie Protonen aus der Reaktion herausgeschleudert wurden. Der Produktkern wurde 1925 von Patrick Blackett als Sauerstoff-17 identifiziert.

Um die kinetischen Energien zu erreichen, die für die Erzeugung von Transmutationsreaktionen erforderlich sind, werden Geräte verwendet, die als Teilchenbeschleuniger bezeichnet werden. Diese Geräte nutzen magnetische und elektrische Felder, um die Geschwindigkeit von Kernteilchen zu erhöhen. In allen Beschleunigern bewegen sich die Teilchen im Vakuum, um Kollisionen mit Gasmolekülen zu vermeiden. Wenn Neutronen für Transmutationsreaktionen benötigt werden, werden sie in der Regel aus radioaktiven Zerfallsreaktionen oder aus verschiedenen Kernreaktionen gewonnen, die in Kernreaktoren ablaufen.

Viele künstliche Elemente wurden synthetisiert und isoliert, darunter mehrere in großem Maßstab durch Transmutationsreaktionen. Die Elemente jenseits des Elements 92 (Uran) werden als Transurane bezeichnet. Diese Elemente wurden alle durch Transmutationsreaktionen entdeckt, obwohl die Elemente 93 und 94, Neptunium und Plutonium, später in der Natur als Uranzerfallsprodukte gefunden wurden.

Neptunium-239 entstand durch den Beschuss von Uran-238 mit Neutronen. Bei der Reaktion entsteht instabiles Uran-239 mit einer Halbwertszeit von 23,5 Minuten, das dann in Neptunium-239 zerfällt. Neptunium-239 ist mit einer Halbwertszeit von 2,36 Tagen ebenfalls radioaktiv und zerfällt in Plutonium-239.

Plutonium entsteht heute vor allem in Kernreaktoren als Nebenprodukt beim Zerfall von Uran. Einige der Neutronen, die beim Zerfall von U-235 freigesetzt werden, verbinden sich mit U-238-Kernen zu Uran-239; Dieses zerfällt β zu Neptunium-239, das wiederum zu Plutonium-239 zerfällt, das wiederum β⁻ Zerfall zu Plutonium-239 durchläuft.

Die Nuklearmedizin hat sich aus der Fähigkeit entwickelt, Atome eines Typs in andere Arten von Atomen umzuwandeln. Radioaktive Isotope von mehreren Dutzend Elementen werden derzeit für medizinische Anwendungen verwendet. Die Strahlung, die bei ihrem Zerfall entsteht, wird unter anderem zur Abbildung oder Behandlung verschiedener Organe oder Körperteile verwendet.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 21.4: Transmutation und Kernenergie.