19.9
Transmutacja nuklearna
Transmutacja jądrowa to konwersja jednego nuklidu w drugi. Może to nastąpić w wyniku rozpadu radioaktywnego jądra lub reakcji jądra z inną cząstką. Pi…
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.
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.