19.9: Ядерная трансмутация

Ядерная трансмутация – это преобразование одного нуклида в другой. Это может произойти из-за радиоактивного распада ядра или реакции ядра с другой частицей. Первое ядро, изготовлено из манекена, было произведено в лаборатории Эрнеста Резерфорда в 1919 году в результате реакции перестановки, бомбардировки одного типа ядер с другими ядрами или нейтронами. Резерфорд бомбардировала атомы азота-14 высокоскоростными частицами α из природного радиоактивного изотопа радия и наблюдала, как протоны выбрасываются из реакции. Ядро продукта было определено как кислород-17 в 1925 Патриком Блэкеттом.

Для достижения кинетических энергий, необходимых для получения реакций на перестановку, используются устройства, называемые ускорителями частиц. Эти устройства используют магнитные и электрические поля для увеличения скорости ядерных частиц. Во всех ускорителях частицы перемещаются в вакууме, чтобы избежать столкновений с молекулами газа. Когда нейтроны необходимы для реакций на перестановку, они обычно получаются от реакций радиоактивного распада или от различных ядерных реакций, происходящих в ядерных реакторах.

Многие искусственные элементы были синтезированы и изолированы, в том числе несколько в больших масштабах благодаря реакциям на перестановку. Элементы, выходящие за пределы элемента 92 (уран), называются трансуранными элементами. Все эти элементы были обнаружены в результате реакций на перестановку, хотя элементы 93 и 94, нептуний и плутоний, впоследствии были обнаружены в природе как продукты распада урана.

Нептуний-239 был создан бомбардировкой урана-238 нейтронами. Реакция создаёт нестабильный уран-239, с периодом полураспада 23.5 минут, который затем распадается на нептуний-239. Нептуний-239 также радиоактивный, с периодом полураспада 2.36 дней, и он распадается на плутоний-239.

Плутоний сейчас в основном образуется в ядерных реакторах как побочный продукт во время распада урана. Некоторые нейтроны, высвобождающиеся во время распада U-235, объединяются с ядрами U-238, образующими уран-239; это претерпевает β^- распад, образуя нептуний-239, который, в свою очередь, претерпевает распад β- для образования плутония-239.

Ядерная медицина развилась из способности преобразовывать атомы одного типа в другие типы атомов. Радиоактивные изотопы из нескольких десятков элементов в настоящее время используются для медицинских целей. Излучение, производемое их распадом, используется, в частности, для визуализации или лечения различных органов или частей тела.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.4: Трансмутация и ядерная энергия.

Ядерная трансмутация это преобразование одного элемента в другой, что возможно в результате радиоактивного распада, ядерного синтеза и деления ядер. Кроме того, Эрнест Резерфорд продемонстрировал, что азот-14 при попадании в него быстро движущейся альфа-частицы производит протон вместе с другим нуклидом, который несколько лет спустя Патрик Блэкетт идентифицировал как кислород-17. В сокращенной форме этого процесса перечисляются по порядку ядро-мишень, бомбардирующие и выбрасываемые частицы, а также ядро-продукт.

В процессах трансмутации нейтроны и альфа-частицы являются обычными бомбардирующими частицами. Элементы с атомными номерами более 92 называются трансурановыми элементами. Эти элементы являются типичными мишенями экспериментов по трансмутации, поскольку они полностью синтетические, за исключением нептуния и плутония, которые также образуются естественным образом в цепочках распада урана.

Например, нептуний-239 образуется в специализированных ядерных реакторах путем бомбардировки урана-238 расщепляющимися нейтронами. Будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают электростатического отталкивания от ядер, поэтому скорости деления достаточны для этой трансмутации. Радиоактивный нептуний-239 впоследствии распадается на плутоний-239.

В дальнейших экспериментах плутоний-239 поражается высокоскоростными альфа-частицами, для получения кюрия с атомным номером 96. В отличие от нейтронов, альфа-частицы должны преодолевать электростатическое отталкивание, создаваемое положительно заряженными ядрами-мишенями, что требует большего количества кинетической энергии. Примечательно, что электростатическое отталкивание больше у больших ядер, таких как плутоний-239, по сравнению с меньшими вроде азота-14, использовавшегося в экспериментах Резерфорда и Блэкета.

Ускорители частиц, включающие в себя линейные ускорители и циклотроны, наделяют заряженные ядерные частицы желаемыми высокими скоростями. Многоступенчатый линейный ускоритель имеет ряд трубок увеличенной длины и переменных полярностей. Осциллирующий электрический потенциал быстро меняет полярность, таким образом заряженные частицы попеременно притягиваются и отталкиваются каждой трубкой.

Частица ускоряется по мере увеличения длины трубок, достигая в итоге скорости, которая может превышать 90%скорости света. В циклотроне переменное напряжение вместо этого ускоряет частицу по спирали. Ускорители элементарных частиц могут даже бомбардировать ядра другими относительно большими ядрами, как, например, бомбардировка свинца-208 пучком цинка-70.

Продукт трансуранового элемента коперниций-277 генерирует тринадцать трансурановых элементов через свою основную цепь, что в итоге приводит к образованию висмута-209.