Transmutation nucléaire

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.