19.9
Nucleaire transmutatie
Kerntransmutatie is de omzetting van de ene nuclide in de andere. Het kan optreden door het radioactieve verval van een atoomkern, of door de reactie…
Nucleaire transmutatie is de omzetting van het ene element in het andere, wat mogelijk is via radioactief verval, kernfusie en kernsplijting. Bovendien toonde Ernest Rutherford aan dat stikstof-14, wanneer het wordt geraakt door een snel bewegend alfadeeltje, een proton produceert samen met een andere nuclide, die een paar jaar later door Patrick Blackett werd geïdentificeerd als zuurstof-17. De gecondenseerde notatie van het proces vermeldt, in volgorde, de doelkern, de bombarderende en uitgestoten deeltjes en de productkern.
Neutronen en alfadeeltjes zijn veel voorkomende bombarderende deeltjes in transmutatieprocessen. De elementen met atoomnummers groter dan 92 worden transuraniumelementen genoemd. Deze elementen zijn gemeenschappelijke doelwitten van transmutatie-experimenten omdat ze volledig synthetisch zijn, behalve neptunium en plutonium, die ook van nature in uraniumvervalketens worden geproduceerd.
Neptunium-239 wordt bijvoorbeeld gegenereerd in gespecialiseerde kernreactoren door uranium-238 te bombarderen met splijtingsneutronen. Omdat neutronen elektrisch neutraal zijn, ondervinden ze geen elektrostatische afstoting van de kernen, dus splijtingssnelheden zijn voldoende voor deze transmutatie. Het radioactieve neptunium-239 vervalt vervolgens tot plutonium-239.
Bij verdere experimenten wordt plutonium-239 geraakt met snelle alfadeeltjes om curium op te leveren, dat een atoomnummer heeft van 96. In tegenstelling tot neutronen moeten alfadeeltjes de elektrostatische afstoting overwinnen die wordt uitgeoefend door de positief geladen doelkernen en hebben ze dus meer kinetische energie nodig. Met name is de elektrostatische afstoting groter bij grotere kernen zoals plutonium-239 dan bij kleinere kernen zoals de stikstof-14 die wordt gebruikt in de Rutherford-en Blackett-experimenten.
Deeltjesversnellers, waaronder lineaire versnellers en cyclotrons, verlenen de gewenste hoge snelheden aan geladen kerndeeltjes. Een meertraps lineaire versneller heeft een reeks buizen met toenemende lengtes en wisselende polariteiten. Een oscillerend elektrisch potentiaal verandert snel de polariteit zodat de geladen deeltjes afwisselend worden aangetrokken en afgestoten door elke buis.
Het deeltje versnelt naarmate de buizen langer worden, en bereikt uiteindelijk snelheden die 90%van de lichtsnelheid kunnen overschrijden. In een cyclotron versnelt wisselspanning in plaats daarvan het deeltje in een spiraalvormig pad. Deeltjesversnellers kunnen kernen bombarderen, zelfs met andere relatief grote kernen, zoals het bombarderen van lood-208 met een bundel zink-70.
Het product transuraniumelement, copernicium-277, genereert dertien transuraniumelementen via zijn belangrijkste vervalketen, wat uiteindelijk leidt tot bismut-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.