Chapter 9: Radioactivity and Nuclear Chemistry

Back to chapter

9.9:

Nucleaire Transmutatie

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

Previous Video
9.6: Nuclear Fission

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

Nucleaire transmutatie is de omzetting van het ene element in het andere, wat mogelijk is via radioactief verval, kernfusie en kernsplijting. Bovendien toonde Ernest Rutherford aan dat stikstof-14, wanneer het wordt geraakt door een snel bewegend alfadeeltje, een proton produceert samen met een andere nuclide, die een paar jaar later door Patrick Blackett werd geïdentificeerd als zuurstof-17. De gecondenseerde notatie van het proces vermeldt, in volgorde, de doelkern, de bombarderende en uitgestoten deeltjes en de productkern.Neutronen en alfadeeltjes zijn veel voorkomende bombarderende deeltjes in transmutatieprocessen. De elementen met atoomnummers groter dan 92 worden transuraniumelementen genoemd. Deze elementen zijn gemeenschappelijke doelwitten van transmutatie-experimenten omdat ze volledig synthetisch zijn, behalve neptunium en plutonium, die ook van nature in uraniumvervalketens worden geproduceerd.Neptunium-239 wordt bijvoorbeeld gegenereerd in gespecialiseerde kernreactoren door uranium-238 te bombarderen met splijtingsneutronen. Omdat neutronen elektrisch neutraal zijn, ondervinden ze geen elektrostatische afstoting van de kernen, dus splijtingssnelheden zijn voldoende voor deze transmutatie. Het radioactieve neptunium-239 vervalt vervolgens tot plutonium-239.Bij verdere experimenten wordt plutonium-239 geraakt met snelle alfadeeltjes om curium op te leveren, dat een atoomnummer heeft van 96. In tegenstelling tot neutronen moeten alfadeeltjes de elektrostatische afstoting overwinnen die wordt uitgeoefend door de positief geladen doelkernen en hebben ze dus meer kinetische energie nodig. Met name is de elektrostatische afstoting groter bij grotere kernen zoals plutonium-239 dan bij kleinere kernen zoals de stikstof-14 die wordt gebruikt in de Rutherford-en Blackett-experimenten.Deeltjesversnellers, waaronder lineaire versnellers en cyclotrons, verlenen de gewenste hoge snelheden aan geladen kerndeeltjes. Een meertraps lineaire versneller heeft een reeks buizen met toenemende lengtes en wisselende polariteiten. Een oscillerend elektrisch potentiaal verandert snel de polariteit zodat de geladen deeltjes afwisselend worden aangetrokken en afgestoten door elke buis.Het deeltje versnelt naarmate de buizen langer worden, en bereikt uiteindelijk snelheden die 90%van de lichtsnelheid kunnen overschrijden. In een cyclotron versnelt wisselspanning in plaats daarvan het deeltje in een spiraalvormig pad. Deeltjesversnellers kunnen kernen bombarderen, zelfs met andere relatief grote kernen, zoals het bombarderen van lood-208 met een bundel zink-70.Het product transuraniumelement, copernicium-277, genereert dertien transuraniumelementen via zijn belangrijkste vervalketen, wat uiteindelijk leidt tot bismut-209.

9.9:

Nucleaire Transmutatie

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.