Kerntransmutation

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.