Nucleaire transmutatie

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.