19.9
Transmutation nucléaire
La transmutation nucléaire est la conversion d'un nucléide en un autre. Elle peut se produire par la désintégration radioactive d'un noyau ou par la r…
La transmutation nucléaire est la conversion d'un élément en un autre, qui est possible par désintégration radioactive, fusion nucléaire, et la fission nucléaire. De plus, Ernest Rutherford a démontré que l'azote-14, lorsqu'il est frappé par une particule alpha en mouvement rapide, produit un proton avec un nucléide différent, qui, quelques années plus tard, a été identifié comme oxygène-17 par Patrick Blackett. La notation condensée du processus liste, dans l'ordre, le noyau cible, les bombardements et les particules éjectées, et le noyau du produit.
Les neutrons et les particules alpha sont des particules de bombardement courantes dans les processus de transmutation. Les éléments dont le numéro atomique est supérieur à 92 sont appelés éléments transuraniens. Ces éléments sont des cibles communes d'expériences de transmutation parce qu'elles sont entièrement synthétiques à l'exception du neptunium et du plutonium, qui sont également produits naturellement dans les chaînes de désintégration de l'uranium.
Par exemple, le neptunium-239 est généré dans des réacteurs nucléaires spécialisés en bombardant de l'uranium 238 avec des neutrons de fission. Étant électriquement neutres, les neutrons ne rencontrent aucune répulsion électrostatique des noyaux, de sorte que les vitesses de fission sont suffisantes pour cette transmutation. Le neptunium-239 radioactif par la suite se désintègre en plutonium-239.
Dans d'autres expériences, le plutonium-239 est frappé par des particules alpha à grande vitesse pour donner du curium, qui a un numéro atomique de 96. Contrairement aux neutrons, les particules alpha doivent surmonter la répulsion électrostatique exercée par les noyaux cibles chargés positivement et nécessitent donc une plus grande énergie cinétique. Notamment, la répulsion électrostatique est plus grand avec des noyaux plus gros comme le plutonium-239 qu'avec des noyaux plus petits comme l'azote-14 utilisé dans les expériences de Rutherford et Blackett.
Les accélérateurs de particules, qui incluent des accélérateurs linéaires et les cyclotrons, donnent les vitesses élevées souhaitées aux particules nucléaires chargées. Un accélérateur linéaire à plusieurs étages a une série de tubes de longueurs croissantes et polarités alternées. Un potentiel électrique oscillant commute rapidement les polarités de sorte que les particules chargées sont alternativement attirés et repoussés par chaque tube.
La particule accélère au fur et à mesure que les tubes s'allongent, et atteignant finalement des vitesses qui peuvent dépasser 90%de la vitesse de la lumière. Dans un cyclotron, une tension alternative accélère au contraire la particule dans une trajectoire en spirale. Les accélérateurs de particules peuvent bombarder les noyaux même avec d'autres noyaux relativement grands, comme un bombardement de plomb-208 avec un faisceau de zinc-70.
L'élément transuranium produit, copernicium-277, qui génère treize éléments transuraniens à travers sa chaîne de désintégration majeure, qui conduit au bismuth-209.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.