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9.9:

핵변환

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Chemistry
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Nuclear Transmutation

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핵변환은 방사성 붕괴, 핵융합, 핵분열을 통해 가능한 한 원소를 다른 원소로 변환하는 것입니다. 또한 어니스트 러더포드는 질소-14가 빠르게 움직이는 알파 입자와 부딪히면 다른 핵종과 함께 양성자를 생성한다는 것을 증명했습니다. 몇 년 후 패트릭 블랙켓은 그것이 산소-17이라는 것을 확인했습니다.공정의 축약 표기법은 대상 핵, 충격 및 방출 입자, 생성물 핵을 순서대로 나열합니다. 중성자와 알파 입자는 변환 과정에서 흔히 발생하는 충격 입자입니다. 원자 번호가 92보다 큰 원소를 초우라늄 원소라고 부릅니다.이 원소들은 우라늄 붕괴 사슬에서 자연적으로 생성되는 넵투늄과 플루토늄을 제외하고 완전히 합성되기 때문에 변환 실험의 일반적인 표적이 됩니다. 예를 들어 넵투늄-239는 핵분열 중성자로 우라늄-238에 충격을 가하여 특수한 원자로에서 생성됩니다. 중성자는 전기적으로 중성이므로 핵으로부터 정전기 척력을 받지 않기 때문에 핵분열 속도는 이 변환에 충분합니다.방사성 넵투늄-239는 이후 플루토늄-239로 붕괴됩니다. 추가 실험에서 플루토늄-239는 고속 알파 입자와 충돌하여 원자 번호가 96인 큐륨을 생성합니다. 중성자와는 달리 알파 입자는 양전하를 띤 과녁핵에 의해 가해지는 정전기 척력을 극복해야 하므로 더 큰 운동 에너지가 필요합니다.특히, 정전기 척력은 러더포드 및 블랙켓 실험에 사용된 질소-14와 같은 작은 핵보다 플루토늄-239와 같은 큰 핵에서 더 큽니다. 선형 가속기와 사이클로트론을 포함하는 입자 가속기는 전하를 가진 핵 입자에 원하는 속도를 제공합니다. 다단계 선형 가속기에는 길이가 증가하고 극성이 번갈아 나타나는 일련의 튜브가 있습니다.진동하는 전위는 극성을 빠르게 바꾸어 각 튜브가 하전된 입자를 번갈아 당기고 밀도록 합니다. 입자는 튜브가 길어질수록 가속되며 궁극적으로 빛의 속도의 90%이상에 도달합니다. 사이클로트론에서는 교류 전압이 나선 경로에서 입자를 가속합니다.입자 가속기는 아연-70 광선을 이용하여 납-208에 충격을 가하는 것처럼 상대적으로 큰 다른 핵으로도 핵에 충격을 줄 수 있습니다. 생성물 초우라늄 원소인 코페르니슘-277은 주요 붕괴 사슬을 통해 13개의 초우라늄 원소를 생성하며 최종적으로 비스무트-209로 이어집니다.

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핵변환

핵 전환은 한 핵종을 다른 핵종으로 변환하는 것입니다. 그것은 핵의 방사성 붕괴, 또는 다른 입자와 핵의 반응에 의해 발생할 수 있습니다. 최초의 인공 핵은 1919년 어니스트 러더포드의 실험실에서 다른 핵또는 중성자와 함께 한 종류의 핵의 폭격에 의해 생산되었다. 러더포드는 라듐의 천연 방사성 동위원소에서 초고속 α 입자로 질소-14 원자를 포격하고 반응에서 배출되는 양성자를 관찰했다. 제품 핵은 패트릭 Blackett에 의해 1925년에 산소-17로 확인되었습니다.

변기 반응을 생성하는 데 필요한 운동 에너지에 도달하기 위해 입자 가속기라는 장치가 사용됩니다. 이 장치는 자기 및 전기장을 사용하여 핵 입자의 속도를 높입니다. 모든 가속기에서 입자는 진공 상태에서 이동하여 가스 분자와의 충돌을 방지합니다. 중성자는 변기 반응에 필요한 경우, 그들은 일반적으로 방사성 붕괴 반응또는 원자로에서 발생하는 다양한 핵 반응에서 얻을 수 있습니다.

많은 인공 원소는 변환 반응을 통해 대규모로 여러 가지를 포함하여 합성되고 격리되었습니다. 원소 92(우라늄)를 넘어서는 원소는 트랜스우라늄 원소라고 합니다. 이 원소들은 모두 변전 반응을 통해 발견되었지만, 원소 93과 94, neptunium 및 플루토늄은 이후 자연에서 우라늄 부패 제품으로 발견되었습니다.

Neptunium-239는 중성자와 우라늄-238을 포격하여 만들어졌습니다. 반응은 불안정한 우라늄-239를 생성하고, 반감기는 23.5분, 그 후 neptunium-239로 부패합니다. Neptunium-239는 또한 방사성, 2.36 일의 반감기와 함께, 그것은 플루토늄-239로 부패.

플루토늄은 이제 주로 우라늄의 붕괴 동안 부산물로 원자로에서 형성된다. U-235 붕괴 중에 방출되는 중성자 중 일부는 U-238 핵과 결합하여 우라늄-239를 형성한다. 이것은 β 차례로 β 겪은 neptunium-239를 형성하는부패를 겪습니다 – 플루토늄-239를 형성하기 위해 부패.

핵 의학은 원자의 다른 유형으로 한 종류의 원자를 변환 하는 능력에서 개발 했다. 수십 개의 원소의 방사성 동위원소는 현재 의료 응용 분야에 사용됩니다. 그들의 부패에 의해 생성된 방사선은 다른 용도 중에서도 신체의 다양한 장기 또는 일부를 이미지하거나 치료하는 데 사용됩니다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 21.4: 변환 및 원자력 에너지에서 채택됩니다.