19.9
핵변환은 하나의 핵종을 다른 핵종으로 변환하는 것입니다. 이는 핵의 방사성 붕괴 또는 핵과 다른 입자의 반응에 의해 발생할 수 있습니다. 최초의 인공 핵은 1919년 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)의 실험실에서 한 유형의 핵이 다른 핵 또는 중성자와…
핵변환은 방사성 붕괴, 핵융합, 핵분열을 통해 가능한 한 원소를 다른 원소로 변환하는 것입니다. 또한 어니스트 러더포드는 질소-14가 빠르게 움직이는 알파 입자와 부딪히면 다른 핵종과 함께 양성자를 생성한다는 것을 증명했습니다. 몇 년 후 패트릭 블랙켓은 그것이 산소-17이라는 것을 확인했습니다.
공정의 축약 표기법은 대상 핵, 충격 및 방출 입자, 생성물 핵을 순서대로 나열합니다. 중성자와 알파 입자는 변환 과정에서 흔히 발생하는 충격 입자입니다. 원자 번호가 92보다 큰 원소를 초우라늄 원소라고 부릅니다.
이 원소들은 우라늄 붕괴 사슬에서 자연적으로 생성되는 넵투늄과 플루토늄을 제외하고 완전히 합성되기 때문에 변환 실험의 일반적인 표적이 됩니다. 예를 들어 넵투늄-239는 핵분열 중성자로 우라늄-238에 충격을 가하여 특수한 원자로에서 생성됩니다. 중성자는 전기적으로 중성이므로 핵으로부터 정전기 척력을 받지 않기 때문에 핵분열 속도는 이 변환에 충분합니다.
방사성 넵투늄-239는 이후 플루토늄-239로 붕괴됩니다. 추가 실험에서 플루토늄-239는 고속 알파 입자와 충돌하여 원자 번호가 96인 큐륨을 생성합니다. 중성자와는 달리 알파 입자는 양전하를 띤 과녁핵에 의해 가해지는 정전기 척력을 극복해야 하므로 더 큰 운동 에너지가 필요합니다.
특히, 정전기 척력은 러더포드 및 블랙켓 실험에 사용된 질소-14와 같은 작은 핵보다 플루토늄-239와 같은 큰 핵에서 더 큽니다. 선형 가속기와 사이클로트론을 포함하는 입자 가속기는 전하를 가진 핵 입자에 원하는 속도를 제공합니다. 다단계 선형 가속기에는 길이가 증가하고 극성이 번갈아 나타나는 일련의 튜브가 있습니다.
진동하는 전위는 극성을 빠르게 바꾸어 각 튜브가 하전된 입자를 번갈아 당기고 밀도록 합니다. 입자는 튜브가 길어질수록 가속되며 궁극적으로 빛의 속도의 90%이상에 도달합니다. 사이클로트론에서는 교류 전압이 나선 경로에서 입자를 가속합니다.
입자 가속기는 아연-70 광선을 이용하여 납-208에 충격을 가하는 것처럼 상대적으로 큰 다른 핵으로도 핵에 충격을 줄 수 있습니다. 생성물 초우라늄 원소인 코페르니슘-277은 주요 붕괴 사슬을 통해 13개의 초우라늄 원소를 생성하며 최종적으로 비스무트-209로 이어집니다.
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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.