Back to chapter

9.9:

המרה גרעינית

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Nuclear Transmutation

Languages

Share

התמרה גרעינית היא ההמרה של יסוד אחד לאחר, המתאפשרת באמצעות פירוק רדיואקטיבי, היתוך גרעיני וביקוע גרעיני. בנוסף לכך, ארנסט רתרפורד הראה שכשחנקן-14 התנגש בחלקיק אלפא הנע במהירות, הוא ייצר פרוטון יחד עם נוקליד אחר, שזוהה כמה שנים לאחר מכן כחמצן-17 על ידי פטריק בלקט. הסימון הדחוס של התהליך מתעד, לפי הסדר, את גרעין היעד, את ההפצצות ואת פליטות החלקיקים, וכן את גרעין התוצר.ניטרונים וחלקיקי אלפא הם חלקיקים מפציצים נפוצים בתהליכי התמרה. היסודות עם מספרי האטום הגדולים מ-92 נקראים יסודות טרנס-אורניום. היסודות הללו הם יעדים נפוצים של ניסויי התמרה מפני שהם סינתטיים לחלוטין, למעט נפטוניום ופלוטוניום, שמיוצרים גם באופן טבעי בשרשראות פירוק של אורניום.לדוגמה, נפטוניום-239 נוצר בכורים גרעיניים מתמחים על ידי הפצצת אורניום-238 בניוטרונים מבקעים. כיוון שניוטרונים הם ניטרליים מבחינה חשמלית, הם אינם חווים כל דחייה אלקטרוסטטית מהגרעינים, לכן מהירויות הביקוע מספיקות להתמרה זו. נפטוניום-239 הרדיואקטיבי לאחר מכן מתפרק והופך לפלוטוניום-239.בניסויים נוספים, פלוטוניום-239 מתנגש במהירות גבוהה עם חלקיקי אלפא, מה שיוצר קוריום, בעל מספר אטומי של 96. בניגוד לניטרונים, חלקיקי אלפא חייבים להתגבר על דחייה אלקטרוסטטית שמופעלת על ידי גרעינים בעלי מטען חיובי ולכן דורשים אנרגיה קינטית גדולה יותר. יש לציין כי הדחייה האלקטרוסטטית רבה יותר במקרה של גרעינים גדולים יותר כמו פלוטוניום-239 מאשר במקרה של גרעינים קטנים יותר כמו חנקן-14, המשמשים בניסויי רותרפורד ובלקט.מאיצי חלקיקים, הכוללים מאיצים לינאריים וציקלוטרונים, מקנים את המהירויות הגבוהות הרצויות לחלקיקים גרעיניים טעונים. מאיץ רב-שלבי לינארי מכיל סדרת צינורות ההולכים ומתארכים, בעלי קוטביות משתנה. זרם חשמלי משתנה מחליף במהירות את הקוטביות, כך שהחלקיקים הטעונים נמשכים ונדחים לסירוגין על ידי כל צינור.החלקיק מואץ ככל שהצינורות מתארכים, ובסופו של דבר מגיע למהירויות שיכולות לעלות על 90 אחוז ממהירות האור. בציקלוטרון, מתח מתחלף מאיץ את החלקיק במסלול ספירלי. מאיצי חלקיקים יכולים להפציץ גרעינים אפילו בגרעינים אחרים, גרעינים גדולים יחסית, כמו הפצצה של עופרת-208 בקרן אבץ-70.התוצר קופרניום-277, יסוד טרנסאורניום, מייצר 13 יסודות טרנסאורניום באמצעות שרשרת הפירוק הגדולה שלו, שבסופו של דבר מובילה לביסמוט-209.

9.9:

המרה גרעינית

Nuclear transmutation is the conversion of one nuclide into another. It can occur by the radioactive decay of a nucleus, or the reaction of a nucleus with another particle. The first manmade nucleus was produced in Ernest Rutherford’s laboratory in 1919 by a transmutation reaction, the bombardment of one type of nuclei with other nuclei or with neutrons. Rutherford bombarded nitrogen-14 atoms with high-speed α particles from a natural radioactive isotope of radium and observed protons being ejected from the reaction. The product nucleus was identified as oxygen-17 in 1925 by Patrick Blackett.

To reach the kinetic energies necessary to produce transmutation reactions, devices called particle accelerators are used. These devices use magnetic and electric fields to increase the speeds of nuclear particles. In all accelerators, the particles move in a vacuum to avoid collisions with gas molecules. When neutrons are required for transmutation reactions, they are usually obtained from radioactive decay reactions or from various nuclear reactions occurring in nuclear reactors.

Many artificial elements have been synthesized and isolated, including several on a large scale via transmutation reactions. The elements beyond element 92 (uranium) are called transuranium elements. These elements were all discovered via transmutation reactions, although elements 93 and 94, neptunium and plutonium, were subsequently found in nature as uranium decay products.

Neptunium-239 was created by bombarding uranium-238 with neutrons. The reaction creates unstable uranium-239, with a half-life of 23.5 minutes, which then decays into neptunium-239. Neptunium-239 is also radioactive, with a half-life of 2.36 days, and it decays into plutonium-239.

Plutonium is now mostly formed in nuclear reactors as a byproduct during the decay of uranium. Some of the neutrons that are released during U-235 decay combine with U-238 nuclei to form uranium-239; this undergoes β decay to form neptunium-239, which in turn undergoes β decay to form plutonium-239.

Nuclear medicine has developed from the ability to convert atoms of one type into other types of atoms. Radioactive isotopes of several dozen elements are currently used for medical applications. The radiation produced by their decay is used to image or treat various organs or portions of the body, among other uses.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.