19.9
核変換
核変換とは、ある核種を別の核種に変換することです。核変換は、原子核の放射性壊変や、原子核と他の粒子との反応によって起こることがあります。最初の人工核は、1919年にアーネスト・ラザフォードの実験室で、ある種の原子核に他の原子核や中性子を衝突させる核変換反応によって作られました。ラザフォードは、窒素1…
核変換とは、ある元素を別の元素に変換することであり、これは放射性崩壊、核融合、核分裂によって可能になります。
さらに、アーネスト・ラザフォードは、窒素14が高速で移動するアルファ粒子に当たると、別の核種とともに陽子を生成することを示しました。これは、数年後にパトリック・ブラケットによって酸素17として特定されました。
プロセスの凝縮された表記には、ターゲット核、衝撃粒子と放出粒子、および生成核が順番にリストされています。中性子とアルファ粒子は、核変換プロセスで一般的な衝撃粒子です。
原子番号が92より大きい元素は、超ウラン元素と呼ばれます。これらの元素は、ウラン崩壊鎖で自然に生成されるネプツニウムとプルトニウムを除いて完全に合成されているため、核変換実験の一般的な標的です。
例えば、ネプツニウム239は、ウラン238に核分裂性中性子を衝突させることにより、特殊な原子炉で生成されます。電気的に中性であるため、中性子は原子核からの静電反発を受けないため、核分裂速度はこの変換に十分です。放射性のネプツニウム239は、その後、プルトニウム239に崩壊する。
さらなる実験では、プルトニウム239に高速アルファ粒子をぶつけて、原子番号96のキュリウムを生成します。中性子とは異なり、アルファ粒子は正に帯電した標的核によって加えられる静電反発を克服する必要があるため、より大きな運動エネルギーを必要とします。
特に、静電反発力は、ラザフォード実験やブラケット実験で使用された窒素14のような小さな原子核よりも、プルトニウム239のような大きな原子核の方が大きくなります。
線形加速器やサイクロトロンなどの粒子加速器は、荷電核粒子に望ましい高速性を与えます。
多段線形加速器は、長さが長くなり、極性が交互になる一連のチューブを持っています。振動する電位により極性が急速に切り替わり、荷電粒子が各チューブによって交互に引きつけられたり反発されたりします。
粒子はチューブが長くなるにつれて加速し、最終的には光速の90%を超える速度に達します。サイクロトロンでは、交流電圧が代わりに粒子をらせん状の経路で加速します。
粒子加速器は、亜鉛-70のビームによる鉛-208の衝撃のように、他の比較的大きな原子核でも原子核を衝突させることができます。生成物の超ウラン元素であるコペルニシウム-277は、その主要な崩壊鎖を通じて13の超ウラン元素を生成し、最終的にビスマス-209につながります。
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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.