19.9
Transmutación Nuclear
La transmutación nuclear es la conversión de un nucleido en otro. Puede ocurrir por la desintegración radiactiva de un núcleo, o por la reacción de un…
La transmutación nuclear es la conversión de un elemento en otro, siendo esto posible a través de la desintegración radiactiva, la fusión nuclear y la fisión nuclear. Además, Ernest Rutherford demostró que el nitrógeno-14, cuando colisiona con una partícula alfa de movimiento rápido, produce un protón junto con un nucleído diferente, que, unos años más tarde, fue identificado como oxígeno-17 por Patrick Blackett. La notación condensada del proceso enumera, en orden, el núcleo objetivo, las partículas bombardeadas y expulsadas y el núcleo del producto.
Los neutrones y las partículas alfa son partículas de bombardeo habituales en los procesos de transmutación. Los elementos con números atómicos superiores a 92 se denominan elementos transuránicos. Estos elementos son objetivos comunes de los experimentos de transmutación porque son completamente sintéticos, excepto el neptunio y el plutonio, que también se producen naturalmente en las cadenas de desintegración del uranio.
Por ejemplo, el neptunio-239 se genera en reactores nucleares especializados bombardeando uranio-238 con neutrones de fisión. Al ser eléctricamente neutros, los neutrones no encuentran repulsión electrostática de los núcleos, por lo que las velocidades de fisión son suficientes para esta transmutación. El neptunio-239 radiactivo posteriormente se desintegra en plutonio-239.
En experimentos adicionales, el plutonio-239 es golpeado con partículas alfa de alta velocidad para producir curio, que tiene un número atómico de 96. A diferencia de los neutrones, las partículas alfa deben superar la repulsión electrostática ejercida por los núcleos objetivo cargados positivamente y, por lo tanto, requieren una mayor energía cinética. En particular, la repulsión electrostática es mayor con núcleos más grandes como el plutonio-239 que con núcleos más pequeños como el nitrógeno-14 que se utiliza en los experimentos de Rutherford y Blackett.
Los aceleradores de partículas, que incluyen aceleradores lineales y ciclotrones, imparten las altas velocidades deseadas a las partículas nucleares cargadas. Un acelerador lineal de etapas múltiples tiene una serie de tubos de longitudes crecientes y polaridades alternas. Un potencial eléctrico oscilante cambia rápidamente las polaridades para que las partículas cargadas sean atraídas y repelidas alternativamente por cada tubo.
La partícula se acelera a medida que los tubos se alargan, alcanzando finalmente velocidades que pueden superar el 90 de la velocidad de la luz. En un ciclotrón, el voltaje alterno acelera la partícula en una trayectoria en espiral. Los aceleradores de partículas pueden bombardear núcleos incluso con otros núcleos relativamente grandes, como el bombardeo de plomo-208 con un haz de zinc-70.
El elemento transuránico producto, copernicio-277, genera trece elementos transuránicos a través de su principal cadena de desintegración, que finalmente conduce al bismuto-209.
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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.