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 núcleo con otra partícula. El primer núcleo artificial fue producido en el laboratorio de Ernest Rutherford en 1919 por una reacción de transmutación, el bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o con neutrones. Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno-14 con partículas α de alta velocidad de un isótopo radiactivo natural de radio y observó protones que eran expulsados de la reacción. El núcleo del producto fue identificado como oxígeno-17 en 1925 por Patrick Blackett.

Para alcanzar las energías cinéticas necesarias para producir reacciones de transmutación, se utilizan dispositivos llamados aceleradores de partículas. Estos dispositivos utilizan campos magnéticos y eléctricos para aumentar la velocidad de las partículas nucleares. En todos los aceleradores, las partículas se mueven en un vacío para evitar colisiones con moléculas de gas. Cuando los neutrones son necesarios para las reacciones de transmutación, generalmente se obtienen de reacciones de desintegración radiactiva o de varias reacciones nucleares que ocurren en reactores nucleares.

Muchos elementos artificiales han sido sintetizados y aislados, incluyendo varios a gran escala a través de reacciones de transmutación. Los elementos más allá del elemento 92 (uranio) se denominan elementos transuranio. Todos estos elementos se descubrieron mediante reacciones de transmutación, aunque los elementos 93 y 94, el neptunio y el plutonio, se encontraron posteriormente en la naturaleza como productos de descomposición del uranio.

El neptunio-239 fue creado bombardeando uranio-238 con neutrones. La reacción crea uranio-239 inestable, con una vida media de 23,5 minutos, que luego se desintegra en neptunio-239. El neptunio-239 también es radioactivo, con una vida media de 2,36 días, y se desintegra en plutonio-239.

Actualmente, el plutonio se forma principalmente en reactores nucleares como subproducto durante la desintegración del uranio. Algunos de los neutrones que se liberan durante la desintegración de U-235 se combinan con los núcleos U-238 para formar uranio-239; este sufre una desintegración β⁻ para formar neptunio-239, que a su vez sufre una desintegración β⁻ para formar plutonio-239.

La medicina nuclear se ha desarrollado a partir de la capacidad de convertir átomos de un tipo en átomos de otros tipos. Los isótopos radiactivos de varias docenas de elementos se utilizan actualmente para aplicaciones médicas. La radiación producida por su desintegración se utiliza para obtener imágenes o tratar varios órganos o partes del cuerpo, entre otros usos.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 21.4: Transmutación y Energía Nuclear.

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.