19.9: Nükleer Dönüşüm

Nükleer dönüşüm, bir nüklidin diğerine dönüştürülmesidir. Bir çekirdeğin radyoaktif bozunması veya bir çekirdeğin başka bir parçacık ile reaksiyonu ile ortaya çıkabilir. İlk insan yapımı çekirdek, 1919'da Ernest Rutherford'un laboratuvarında, bir tür çekirdeğin diğer çekirdeklerle veya nötronlarla bombardımanı olan bir transmutasyon reaksiyonu ile üretilmiştir. Rutherford, doğal bir radyoaktif radyum izotopundan yüksek hızlı α parçacıkları ile azot-14 atomlarını bombalamış ve reaksiyondan fırlatılan protonları gözlemlemiştir. Ürün çekirdeği, 1925 yılında Patrick Blackett tarafından oxygen-17 olarak tanımlanmıştır.

Transmutasyon reaksiyonları üretecek gerekli kinetik enerjilere ulaşmak için parçacık hızlandırıcıları adı verilen cihazlar kullanılır. Bu cihazlar nükleer parçacıkların hızını arttırmak için manyetik ve elektrik alanları kullanır. Tüm hızlandırıcılarda, parçacıklar gaz molekülleri ile çarpışmaları önlemek için bir vakumda hareket eder. Transmutasyon reaksiyonları için nötronlar gerektiğinde, genellikle radyoaktif bozunma reaksiyonlarından veya nükleer reaktörlerde meydana gelen çeşitli nükleer reaksiyonlardan elde edilirler.

Transmutasyon reaksiyonları yoluyla büyük ölçekte birkaç tane de dahil olmak üzere birçok yapay element sentezlenmiş ve izole edilmiştir. Element 92'nin (uranyum) ötesindeki elementlere transuranyum elementleri denir. Bu elementlerin hepsi transmutasyon reaksiyonları ile keşfedilmiştir, ancak 93 ve 94 elementleri, neptünyum ve plütonyum, daha sonra doğada uranyum bozunma ürünleri olarak bulunmuştur.

Neptunium-239, uranyum-238'i nötronlarla bombalayarak yaratılmıştır. Reaksiyon, 23,5 dakikalık bir yarı ömre sahip kararsız uranyum-239’u oluşturur ve daha sonra neptünyum-239'a ayrışır. Neptünyum-239 da radyoaktiftir, yarı ömrü 2,36 gündür ve plütonyum-239'a ayrışır.

Plütonyum çoğunlukla uranyumun bozunması sırasında bir yan ürün olarak nükleer reaktörlerde oluşur. U-235 bozunması sırasında salınan nötronların bazıları, uranyum-239 oluşturmak için U-238 çekirdekleriyle birleşir; bu, neptünyum− 239 oluşturmak için β⁻ bozunmasına uğrar ve bu da plütonyum− 239 oluşturmak için β⁻ bozunmasına uğrar.

Nükleer tıp, bir atom türünü diğer atom türlerine dönüştürme yeteneğinden gelişmiştir. Birkaç düzine elementin radyoaktif izotopları şu anda tıbbi uygulamalar için kullanılmaktadır. Bozunmaları tarafından üretilen radyasyon, diğer kullanımların yanı sıra vücudun çeşitli organlarını veya bölümlerini görüntülemek veya tedavi etmek için de kullanılır.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.

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.