19.9
Kerntransmutation
Unter Kerntransmutation versteht man die Umwandlung eines Nuklids in ein anderes. Es kann durch den radioaktiven Zerfall eines Kerns oder durch die Re…
Nukleare Transmutation ist die Umwandlung eines Elements in ein anderes, die durch radioaktiven Zerfall, Kernfusion und Kernspaltung möglich ist.
Darüber hinaus zeigte Ernest Rutherford, dass Stickstoff-14, wenn es auf ein sich schnell bewegendes Alpha-Teilchen trifft, ein Proton zusammen mit einem anderen Nuklid erzeugt, das einige Jahre später von Patrick Blackett als Sauerstoff-17 identifiziert wurde.
Die kondensierte Notation des Prozesses listet in der Reihenfolge den Zielkern, die bombardierenden und ausgestoßenen Teilchen und den Produktkern auf. Neutronen und Alpha-Teilchen sind häufige Bombardements bei Transmutationsprozessen.
Die Elemente mit Ordnungszahlen größer als 92 werden als Transurane bezeichnet. Diese Elemente sind häufige Ziele von Transmutationsexperimenten, da sie vollständig synthetisch sind, mit Ausnahme von Neptunium und Plutonium, die ebenfalls auf natürliche Weise in Uranzerfallsketten entstehen.
Zum Beispiel wird Neptunium-239 in spezialisierten Kernreaktoren erzeugt, indem Uran-238 mit Spaltneutronen beschossen wird. Da Neutronen elektrisch neutral sind, werden sie von den Kernen nicht abgestoßen, so dass die Spaltgeschwindigkeiten für diese Transmutation ausreichend sind. Das radioaktive Neptunium-239 zerfällt anschließend zu Plutonium-239.
In weiteren Experimenten wird Plutonium-239 mit Hochgeschwindigkeits-Alpha-Teilchen beschossen, um Curium zu erhalten, das eine Ordnungszahl von 96 hat. Im Gegensatz zu Neutronen müssen Alpha-Teilchen die elektrostatische Abstoßung der positiv geladenen Zielkerne überwinden und benötigen daher eine höhere kinetische Energie.
Bemerkenswert ist, dass die elektrostatische Abstoßung bei größeren Kernen wie Plutonium-239 größer ist als bei kleineren Kernen wie dem Stickstoff-14, der in den Rutherford- und Blackett-Experimenten verwendet wurde.
Teilchenbeschleuniger, zu denen auch Linearbeschleuniger und Zyklotrone gehören, verleihen geladenen Kernteilchen die gewünschten hohen Geschwindigkeiten.
Ein mehrstufiger Linearbeschleuniger besteht aus einer Reihe von Röhren mit zunehmender Länge und wechselnder Polarität. Ein oszillierendes elektrisches Potential schaltet schnell die Polaritäten, so dass die geladenen Teilchen abwechselnd von jeder Röhre angezogen und abgestoßen werden.
Das Teilchen beschleunigt sich, wenn die Röhren länger werden, und erreicht schließlich Geschwindigkeiten, die 90 % der Lichtgeschwindigkeit überschreiten können. In einem Zyklotron beschleunigt die Wechselspannung das Teilchen stattdessen auf einer spiralförmigen Bahn.
Teilchenbeschleuniger können Kerne sogar mit anderen relativ großen Kernen beschießen, wie z.B. der Beschuss von Blei-208 mit einem Zink-70-Strahl. Das Produkt Transuranelement, Copernicium-277, erzeugt durch seine Hauptzerfallskette dreizehn Transuranelemente, die schließlich zu Wismut-209 führen.
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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.