19.9
טרנסמוטציה גרעינית היא המרה של גרעין אחד לאחר. זה יכול להתרחש על ידי דעיכה רדיואקטיבית של גרעין, או תגובה של גרעין עם חלקיק אחר. הגרעין הראשון מעשה יד…
התמרה גרעינית היא ההמרה של יסוד אחד לאחר, המתאפשרת באמצעות פירוק רדיואקטיבי, היתוך גרעיני וביקוע גרעיני. בנוסף לכך, ארנסט רתרפורד הראה שכשחנקן-14 התנגש בחלקיק אלפא הנע במהירות, הוא ייצר פרוטון יחד עם נוקליד אחר, שזוהה כמה שנים לאחר מכן כחמצן-17 על ידי פטריק בלקט. הסימון הדחוס של התהליך מתעד, לפי הסדר, את גרעין היעד, את ההפצצות ואת פליטות החלקיקים, וכן את גרעין התוצר.
ניטרונים וחלקיקי אלפא הם חלקיקים מפציצים נפוצים בתהליכי התמרה. היסודות עם מספרי האטום הגדולים מ-92 נקראים יסודות טרנס-אורניום. היסודות הללו הם יעדים נפוצים של ניסויי התמרה מפני שהם סינתטיים לחלוטין, למעט נפטוניום ופלוטוניום, שמיוצרים גם באופן טבעי בשרשראות פירוק של אורניום.
לדוגמה, נפטוניום-239 נוצר בכורים גרעיניים מתמחים על ידי הפצצת אורניום-238 בניוטרונים מבקעים. כיוון שניוטרונים הם ניטרליים מבחינה חשמלית, הם אינם חווים כל דחייה אלקטרוסטטית מהגרעינים, לכן מהירויות הביקוע מספיקות להתמרה זו. נפטוניום-239 הרדיואקטיבי לאחר מכן מתפרק והופך לפלוטוניום-239.
בניסויים נוספים, פלוטוניום-239 מתנגש במהירות גבוהה עם חלקיקי אלפא, מה שיוצר קוריום, בעל מספר אטומי של 96. בניגוד לניטרונים, חלקיקי אלפא חייבים להתגבר על דחייה אלקטרוסטטית שמופעלת על ידי גרעינים בעלי מטען חיובי ולכן דורשים אנרגיה קינטית גדולה יותר. יש לציין כי הדחייה האלקטרוסטטית רבה יותר במקרה של גרעינים גדולים יותר כמו פלוטוניום-239 מאשר במקרה של גרעינים קטנים יותר כמו חנקן-14, המשמשים בניסויי רותרפורד ובלקט.
מאיצי חלקיקים, הכוללים מאיצים לינאריים וציקלוטרונים, מקנים את המהירויות הגבוהות הרצויות לחלקיקים גרעיניים טעונים. מאיץ רב-שלבי לינארי מכיל סדרת צינורות ההולכים ומתארכים, בעלי קוטביות משתנה. זרם חשמלי משתנה מחליף במהירות את הקוטביות, כך שהחלקיקים הטעונים נמשכים ונדחים לסירוגין על ידי כל צינור.
החלקיק מואץ ככל שהצינורות מתארכים, ובסופו של דבר מגיע למהירויות שיכולות לעלות על 90 אחוז ממהירות האור. בציקלוטרון, מתח מתחלף מאיץ את החלקיק במסלול ספירלי. מאיצי חלקיקים יכולים להפציץ גרעינים אפילו בגרעינים אחרים, גרעינים גדולים יחסית, כמו הפצצה של עופרת-208 בקרן אבץ-70.
התוצר קופרניום-277, יסוד טרנסאורניום, מייצר 13 יסודות טרנסאורניום באמצעות שרשרת הפירוק הגדולה שלו, שבסופו של דבר מובילה לביסמוט-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.