19.9
Transmutação Nuclear
A transmutação nuclear é a conversão de um nuclídeo em outro. Pode ocorrer pelo decaimento radioativo de um núcleo, ou pela reação de um núcleo com ou…
A transmutação nuclear é a conversão de um elemento noutro, que é possível através da desintegração da radioatividade, fusão nuclear, e fissão nuclear. Além disso, Ernest Rutherford demonstrou que o nitrogénio-14, quando atingido com uma partícula alfa de movimento rápido, produz um protão juntamente com um nuclídeo diferente, o qual, alguns anos mais tarde, foi identificado como oxigénio-17 por Patrick Blackett. A notação condensada das listas do processo, em ordem, o núcleo alvo, o bombardeamento e partículas ejetadas, e o núcleo do produto.
Os nêutrons e as partículas alfa são partículas comuns do bombardeamento em processos de transmutação. Os elementos com números atómicos superiores a 92 são chamados de elementos transuranianos. Estes elementos são alvos comuns de experiências de transmutação porque eles são inteiramente sintéticos, exceto para o neptúnio e plutónio, que são também produzidos naturalmente em cadeias de desintegração do urânio.
Por exemplo, é gerado o neptúnio-239 em reatores nucleares especializados por bombardeamento de urânio-238 com nêutrons de fissão. Ao serem eletricamente neutros, os nêutrons não encontram repulsão eletrostática a partir dos núcleos, por isso, as velocidades de fissão são suficientes para esta transmutação. O radioativo neptúnio-239 posteriormente decompõe-se em plutónio-239.
Em mais experiências, o plutónio-239 é atingido por partículas alfa em alta velocidade para produzir cúrio, que tem um número atómico de 96. Ao contrário dos nêutrons, as partículas alfa devem superar a repulsão eletrostática exercida pelos núcleos alvo com carga positiva e assim exigir maior energia cinética. Nomeadamente, a repulsão eletrostática é maior com núcleos maiores como o plutónio-239 do que com núcleos mais pequenos como o azoto-14 utilizado nas experiências Rutherford e Blackett.
Os aceleradores de partículas, que incluem aceleradores lineares e cíclotrons, transmitem as altas velocidades desejadas para carregar partículas nucleares. Um acelerador linear em várias fases tem tubos de comprimento crescente e polaridades alternadas. Um potencial elétrico oscilante muda rapidamente as polaridades para que as partículas carregadas sejam alternadamente atraídas e repelidas por cada tubo.
A partícula acelera à medida que os tubos se tornam mais compridos, acabando por atingir velocidades que podem exceder 90%da velocidade da luz. Num cíclotron, em vez disto a tensão alternada acelera a partícula num caminho em espiral. Os aceleradores de partículas podem bombardear os núcleos mesmo com outros núcleos relativamente grandes, como o bombardeamento de chumbo-208 com um feixe de zinco-70.
O produto do elemento transuraniano, copernício-277, gera treze elementos transuranianos através da sua grande cadeia de desintegração, que eventualmente leva ao bismuto-209.
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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.