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 час…
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.
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.