Trasmutazione nucleare

La trasmutazione nucleare è la conversione di un elemento in un altro, la quale è possibile tramite decadimento radioattivo, fusione nucleare, e fissione nucleare. Inoltre, Ernest Rutherford dimostrò che l'azoto-14, se colpito da una particella alfa in rapido movimento, produce un protone insieme a un nuclide diverso, che, pochi anni dopo, fu identificato come ossigeno-17 da Patrick Blackett. La notazione condensata del processo elenca, in ordine, il nucleo bersaglio, le particelle bombardate ed espulse, e il nucleo prodotto.

I neutroni e le particelle alfa sono particelle bombardanti comuni nei processi di trasmutazione. Gli elementi con numeri atomici maggiori di 92 sono detti elementi transuranio. Questi elementi sono obiettivi comuni degli esperimenti di trasmutazione, perché sono interamente sintetici tranne nettunio e plutonio, anch'essi prodotti naturalmente nelle catene di decadimento dell'uranio.

Per esempio, il nettunio-239 è generato in reattori nucleari specializzati, bombardando l'uranio-238 con neutroni di fissione. Essendo elettricamente neutri, i neutroni non incontrano repulsione elettrostatica dai nuclei, quindi le velocità di fissione sono sufficienti per questa trasmutazione. Successivamente, il nettunio radioattivo-239 decade in plutonio-239.

In ulteriori esperimenti, il plutonio-239 viene colpito con particelle alfa ad alta velocità per produrre curio, che ha un numero atomico di 96. A differenza dei neutroni, le particelle alfa devono superare la repulsione elettrostatica esercitata dai nuclei bersaglio caricati positivamente, e dunque richiedono una maggiore energia cinetica. In particolare, la repulsione elettrostatica è maggiore con nuclei più grandi, come il plutonio-239, che con nuclei più piccoli, come l'azoto-14, usato negli esperimenti di Rutherford e Blackett.

Gli acceleratori di particelle, che comprendono acceleratori lineari e ciclotroni, impartiscono le alte velocità desiderate alle particelle nucleari cariche. Un acceleratore lineare multistadio ha una serie di tubi di lunghezza crescente e polarità alternate. Un potenziale elettrico oscillante commuta rapidamente le polarità cosicché le particelle cariche siano alternativamente attratte e respinte da ciascun tubo.

La particella accelera a mano a mano che i tubi si allungano, raggiungendo infine velocità che possono superare il 90 percento della velocità della luce. In un ciclotrone, la tensione alternata invece accelera la particella in un percorso a spirale. Gli acceleratori di particelle possono bombardare i nuclei persino con altri nuclei relativamente grandi, come il bombardamento di piombo-208 con un raggio di zinco-70.

L'elemento prodotto transuranio, il copernicio-277, genera tredici elementi transuranio attraverso la sua catena di decadimento principale, che alla fine porta al bismuto-209.