19.9
Nükleer Dönüşüm
Nükleer dönüşüm, bir nüklidin diğerine dönüştürülmesidir. Bir çekirdeğin radyoaktif bozunması veya bir çekirdeğin başka bir parçacık ile reaksiyonu il…
Nükleer dönüşüm, radyoaktif bozunma, nükleer füzyon ve nükleer fisyon yoluyla mümkün olan bir elementin diğerine dönüştürülmesidir. Ek olarak Ernest Rutherford, nitrojen-14'ün hızlı hareket eden bir alfa parçacığı ile vurulduğunda, birkaç yıl sonra Patrick Blackett tarafından oksijen-17 olarak tanımlanan farklı bir çekirdekle birlikte bir proton ürettiğini gösterdi. İşlemin sırayla yoğunlaştırılmış gösterimi;hedef çekirdek, bombardıman, çıkarılan parçacıklar ve ürün çekirdeğidir.
Nötronlar ve alfa parçacıkları, dönüşüm süreçlerinde yaygın olarak bombardıman yapan parçacıklardır. 92'den büyük atom numaralarına sahip elementler, transuranyum elementler olarak adlandırılır. Bu elementler, aynı zamanda uranyum bozunma zincirlerinde de doğal olarak üretilen neptunyum ve plütonyum dışında tamamen sentetik oldukları için dönüşüm deneylerinin ortak hedefleridir.
Örneğin, neptunium-239, uranyum-238'i fisyon nötronları ile bombardıman ederek özel nükleer reaktörlerde üretilir. Elektriksel olarak nötr olan nötronlar, çekirdeklerden elektrostatik itme ile karşılaşmazlar, bu nedenle fisyon hızları bu dönüşüm için yeterlidir. Radyoaktif neptunyum-239 daha sonra plütonyum-239'a bozunur.
Diğer deneylerde, plütonyum-239, atom numarası 96 olan küriyum elde etmek için yüksek hızlı alfa parçacıklarıyla vurulur. Nötronlardan farklı olarak, alfa parçacıkları, pozitif yüklü hedef çekirdekler tarafından uygulanan elektrostatik itmenin üstesinden gelmelidir ve bu nedenle daha fazla kinetik enerji gerektirir. Özellikle, elektrostatik itme, plütonyum-239 gibi daha büyük çekirdeklerde Rutherford ve Blackett deneylerinde kullanılan nitrojen-14 gibi daha küçük çekirdeklerden daha büyüktür.
Doğrusal hızlandırıcılar ve siklotronlar içeren parçacık hızlandırıcılar, yüklü nükleer parçacıklara istenen yüksek hızları verir. Çok aşamalı bir doğrusal hızlandırıcı, artan uzunluklara ve değişen kutuplara sahip bir dizi tüpe sahiptir. Salınan bir elektrik potansiyeli, kutupları hızla değiştirir, böylece yüklü parçacıklar dönüşümlü olarak her bir tüp tarafından çekilir ve itilir.
Parçacık, tüpler uzadıkça hızlanır ve sonuçta ışık hızının 90'ını aşabilen hızlara ulaşır. Bir siklotronda, alternatif voltaj, parçacığı spiral bir yolda hızlandırır. Parçacık hızlandırıcılar, kurşun-208'in bir çinko-70 ışınıyla bombardımanı gibi diğer nispeten büyük çekirdeklerle bile çekirdekleri bombardıman edebilir.
Ürünün transuranyum elementi olan copernicium-277, en sonunda bizmut-209'a yol açan ana bozunma zinciri boyunca on üç transuranyum element üretir.
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.