19.9: Transmutacja jądrowa

Transmutacja jądrowa to przemiana jednego pierwiastka w drugi, która jest możliwa poprzez rozpad promieniotwórczy, fuzję jądrową i rozszczepienie jądra atomowego.

Ponadto Ernest Rutherford wykazał, że azot-14 po uderzeniu w szybko poruszającą się cząstkę alfa wytwarza proton wraz z innym nuklidem, który kilka lat później został zidentyfikowany jako tlen-17 przez Patricka Blacketta.

Skondensowany zapis procesu wymienia, w kolejności, jądro docelowe, cząstki bombardujące i wyrzucane oraz jądro produktu. Neutrony i cząstki alfa są powszechnymi cząstkami bombardującymi w procesach transmutacji.

Pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 92 nazywane są pierwiastkami transuranowymi. Pierwiastki te są częstymi celami eksperymentów transmutacji, ponieważ są całkowicie syntetyczne, z wyjątkiem neptunu i plutonu, które są również wytwarzane naturalnie w łańcuchach rozpadu uranu.

Na przykład neptun-239 jest wytwarzany w wyspecjalizowanych reaktorach jądrowych poprzez bombardowanie uranu-238 neutronami rozszczepienia. Będąc elektrycznie obojętnymi, neutrony nie napotykają odpychania elektrostatycznego od jąder, więc prędkości rozszczepienia są wystarczające do tej transmutacji. Radioaktywny neptun-239 następnie rozpada się na pluton-239.

W dalszych eksperymentach pluton-239 jest uderzany szybkimi cząstkami alfa, aby uzyskać kiur, który ma liczbę atomową 96. W przeciwieństwie do neutronów, cząstki alfa muszą przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne wywierane przez dodatnio naładowane jądra docelowe, a tym samym wymagają większej energii kinetycznej.

Warto zauważyć, że odpychanie elektrostatyczne jest większe w przypadku większych jąder, takich jak pluton-239, niż w przypadku mniejszych jąder, takich jak azot-14 użyty w eksperymentach Rutherforda i Blacketta.

Akceleratory cząstek, do których należą akceleratory liniowe i cyklotrony, nadają pożądane wysokie prędkości naładowanym cząstkom jądrowym.

Wielostopniowy akcelerator liniowy składa się z szeregu rurek o rosnących długościach i naprzemiennej polaryzacji. Oscylujący potencjał elektryczny szybko zmienia polaryzację tak, że naładowane cząstki są na przemian przyciągane i odpychane przez każdą rurkę.

Cząstka przyspiesza wraz z wydłużaniem się rur, ostatecznie osiągając prędkości, które mogą przekroczyć 90% prędkości światła. W cyklotronie napięcie przemienne przyspiesza cząstkę po spiralnej ścieżce

Akceleratory cząstek mogą bombardować jądra nawet innymi stosunkowo dużymi jądrami, jak na przykład bombardowanie ołowiu-208 wiązką-70. Produktowy pierwiastek transuranowy, kopernik-277, generuje trzynaście pierwiastków transuranowych poprzez swój główny łańcuch rozpadu, który ostatecznie prowadzi do bizmutu-209.