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14原子に天然の放射性同位元素ラジウムの高速α粒子をぶつけ、反応によって陽子が放出されるのを観察しました。生成された原子核は、1925年にパトリック・ブラケットによって酸素-17と同定されました。

核変換反応に必要な運動エネルギーを得るためには、「加速器」と呼ばれる装置を利用します。これらの装置は、磁場や電場を利用して核粒子の速度を高めます。すべての加速器では、気体の分子との衝突を避けるために、粒子の移動経路を真空中に保ちます。核変換反応に中性子が必要な場合は、通常、放射性崩壊反応や原子炉内で起こるさまざまな核反応から得られます。

これまでに多くの人工元素が合成されて単離されたが、中には自然の核変換反応によって大規模に作られるものもあります。92番元素（ウラン）以降の元素を超ウラン元素と呼びます。これらの元素はすべて核変換反応によって発見されたが、93番元素のネプツニウムと94番元素のプルトニウムは、その後自然界でウランの崩壊生成物として発見されました。

ネプツニウム-239は、ウラン-238に中性子を照射して作られました。この反応により、半減期23.5分の不安定なウラン-239が生成され、ネプツニウム-239に崩壊します。ネプツニウム-239も半減期2.36日の放射性物質であり、プルトニウム-239に崩壊します。

プルトニウムは現在、ほとんどが原子炉内でウランが崩壊する際の副産物として生成されます。U-235が崩壊する際に放出される中性子の一部は、U-238の原子核と結合してウラン-239となり、これが β⁻ 崩壊してネプツニウム-239となり、さらに β⁻ 崩壊してプルトニウム-239となります。

核医学は、ある種類の原子が別の種類の原子に変換する能力を活用する医学の一分野です。現在、数十種類の元素の放射性同位体が医療用に使用されています。放射性同位元素の崩壊によって生じる放射線は、さまざまな臓器や体の一部を撮影したり、治療したりするために使用されます。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

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。