19.9: Ядерная трансмутация

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.