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.