» » » » » » Transmutarea elementelor (Transmutarea nuclearã)

Transmutarea elementelor (Transmutarea nuclearã)

Soarele (Soarele este un reactor de fuziune naturală și transmutează elementele ușoare în elemente mai grele prin nucleosinteză stelară, o formă de fuziune nucleară).

Transmutarea nucleară este transformarea unui element chimic sau a unui izotop într-un alt element chimic. Deoarece orice element (sau izotop al unuia) este definit prin numărul de protoni (și neutroni) din atomii săi, adică în nucleul atomic, transmutarea nucleară are loc în orice proces în care numărul de protoni sau neutroni din nucleu este schimbat.

O transmutare poate fi realizată fie prin reacții nucleare (în care o particulă exterioară reacționează cu un nucleu), fie prin dezintegrare radioactivă, în care nu este necesară o cauză exterioară.

Transmutarea naturală prin nucleosinteza stelară a creat în trecut cele mai multe dintre elementele chimice mai grele din universul cunoscut deja și continuă să aibă loc și în prezent, creând marea majoritate a celor mai comune elemente din univers, inclusiv heliul, oxigenul și carbonul. Majoritatea stelelor efectuează transmutarea prin reacții de fuziune care implică hidrogen și heliu, în timp ce stelele mai mari sunt, de asemenea, capabile să fuzioneze elemente mai grele până la fier târziu în evoluția lor.

Elementele mai grele decât fierul, cum ar fi aurul și plumbul, sunt create prin transmutări elementare care pot avea loc doar în supernove – deoarece stelele încep să fuzioneze elementele mai grele, se eliberează substanele mai puțină energetice din fiecare reacție de fuziune, și fiecare reacție de fuziune care produce elemente mai grele decât fierul are o natură endotermică, iar stelele sunt incapabile să le îndeplinească.

Un tip de transmutație naturală observabilă în prezent apare când anumite elemente radioactive prezente în natură se descompun spontan printr-un proces care provoacă transmutarea, cum ar fi dezintegrarea alfa sau beta. Un exemplu este dezintegrarea naturală a potasiului-40 până la argon-40, care formează cea mai mare parte a argonului în aer. De asemenea, pe Pământ se produc transmutări naturale provenite de la mecanismele diferite ale reacțiilor nucleare naturale, datorită bombardării cu raze cosmice a elementelor (de exemplu, formarea carbonului-14) și ocazional din bombardarea cu neutroni naturali.

Transmutarea artificială poate apărea în mașinile care au suficientă energie pentru a provoca schimbări în structura nucleară a elementelor. Astfel de mașini includ acceleratoarele de particule și reactoarele tokamak. Reactorii de putere de fisiune convenționali, de asemenea, provoacă transmutație artificială, nu din puterea mașinii, ci prin expunerea elementelor la neutronii produsi prin fisiune dintr-o reacție nucleară produsă artificial. De exemplu, atunci când un atom de uraniu este bombardat cu neutroni lenți, are loc fisiunea. Aceasta eliberează, în medie, 3 neutroni și o cantitate mare de energie. Neutronii eliberați provoacă apoi fisiunea altor atomi de uraniu, până când tot uraniul disponibil este epuizat. Aceasta se numește o reacție în lanț.

Transmutarea nucleară artificială a fost considerată un posibil mecanism de reducere a volumului și pericolului de deșeuri radioactive.

Istorie

Alchimie

Termenul de transmutare datează din alchimie. Alchimiștii au cãutat piatra filozofală, capabilă de criopoeie – transformarea metalelor de bază în aur. În timp ce alchimistii înțelegeau de multe ori criopoeia ca o metaforă pentru un proces mistic sau religios, unii practicanți au adoptat o interpretare literală și au încercat să obținã aur prin experiment fizic. Imposibilitatea transmutației metalice a fost dezbătută între alchimiști, filozofi și oameni de știință încă din Evul Mediu. Transmutarea pseudo-alchimică a fost scoasă în afara legii și batjocoritã public începând cu secolul al XIV-lea. Alchimiștii precum Michael Maier și Heinrich Khunrath au scris cărți care expun pretenții frauduloase de obținere a aurului. Până în anii 1720, nu mai existau persoane respectabile care să urmărească transmutarea fizică a substanțelor în aur. Antoine Lavoisier, în secolul al XVIII-lea, a înlocuit teoria alchimică a elementelor cu teoria modernă a elementelor chimice, iar John Dalton a dezvoltat în continuare noțiunea de atomi (din teoria alchimică a corpusculilor) pentru a explica diverse procese chimice. Dezintegrarea atomilor este un proces distinct care implică energii mult mai mari decât ar putea fi obținute de alchimiști.

Fizica modernã

La început a fost aplicată în mod conștient fizicii moderne de Frederick Soddy când, împreună cu Ernest Rutherford, a descoperit că toriul radioactiv se transformă în radiu în 1901. La momentul realizării, Soddy a reamintit mai târziu, a strigat: Rutherford, asta este transmutaţie!” Rutherford a strigat și el: ”Pentru numele lui Dumnezeu, Soddy, nu-l numi transmutație, ne vor lua capul ca alchimiști.”

Rutherford și Soddy au observat transmutarea naturală ca parte a dezintegrării radioactive a tipului de dezintegrare alfa. În 1919, Rutherford a reușit să realizeze transmutarea azotului în oxigen, folosind particule alfa direcționate spre azot 14N + α → 17O + p. Aceasta a fost prima observație a unei reacții nucleare, adică o reacție în care particulele dintr-o singură dezintegrare sunt folosite pentru a transforma un nucleu atomic. În 1932, o reacție nucleară complet artificială și transmutarea nucleară au fost realizate de colegii lui Rutherford, John Cockcroft și Ernest Walton, care au folosit protoni accelerați artificial ciocnind litiul-7 pentru a împărți nucleul în două particule alfa. Faptul a fost popular cunoscut sub numele de „divizarea atomului”, deși nu a fost reacția de fisiune nucleară modernă descoperită în 1938 de către Otto Hahn, Lise Meitner și asistentul lor Fritz Strassmann în elemente grele.

Mai târziu în secolul al XX-lea a fost explicatã transmutarea elementelor din stele, car determinã abundența relativă a elementelor mai grele din univers. Luând în considerare primele cinci elemente, care au fost produse în Big Bang și alte procese cu raze cosmice, nucleosinteza stelară a explicat abundența tuturor elementelor mai grele decât borul. În studiul lor din 1957, Sinteza elementelor în stele, William Alfred Fowler, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge și Fred Hoyle au explicat cum abundența elementelor chimice esențiale, în afară de cele mai ușoare, poate fi explicată prin procesul nucleosintezei în stele.

S-a constatat că, într-o transmutare nucleară adevărată, este mult mai ușor să transformi aurul în plumb decât reacția inversă, care era cea pe care alchimiștii o urmăriseră cu ardoare. Experimentele nucleare au transformat cu succes plumbul în aur, dar cheltuielile depășesc cu mult orice câștig. Ar fi mai ușor să transformi plumbul în aur prin captarea neutronilor și dezintegrarea beta, lăsând plumbul într-un reactor nuclear pentru o perioadă lungă de timp.

Glenn Seaborg a produs câteva mii de atomi de aur din bismut, dar cu o pierdere netă.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *