11.4: Штучна трансмутація
- Page ID
- 20128
- Охарактеризуйте синтез трансуранових нуклідів.
Після відкриття радіоактивності область ядерної хімії була створена і стрімко розвивалася протягом початку ХХ століття. Безліч нових відкриттів у 1930-х і 1940-х роках, поряд з Другою світовою війною, об'єднані, щоб вступити в ядерну епоху в середині двадцятого століття. Наука навчилася створювати нові речовини, і виявлено, що певні ізотопи певних елементів мають здатність виробляти безпрецедентну кількість енергії, з потенціалом завдати величезної шкоди під час війни, а також виробляти величезну кількість енергії для потреб суспільства під час миру.
Синтез нуклідів
Ядерна трансмутація - це перетворення одного нукліду в інший. Він може відбуватися радіоактивним розпадом ядра, або реакцією ядра з іншою частинкою. Перше рукотворне ядро було вироблено в лабораторії Ернеста Резерфорда в 1919 році шляхом реакції трансмутації, бомбардування одного типу ядер іншими ядрами або нейтронами. Резерфорд бомбардував атоми азоту високошвидкісними частинками α з природного радіоактивного ізотопу радію і спостерігав протони, отримані в результаті реакції:
\[\ce{^{14}_7N + ^4_2He ⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]
\(\ce{^1_1H}\)Ядра\(\ce{^{17}_8O}\) і, які виробляються, стабільні, тому подальших (ядерних) змін не відбувається.
Для досягнення кінетичних енергій, необхідних для вироблення реакцій трансмутації, використовуються пристрої, звані прискорювачами частинок. Ці пристрої використовують магнітне і електричне поля для збільшення швидкостей ядерних частинок. У всіх прискорювачах частинки рухаються у вакуумі, щоб уникнути зіткнень з молекулами газу. Коли нейтрони потрібні для реакцій трансмутації, їх зазвичай отримують в результаті реакцій радіоактивного розпаду або з різних ядерних реакцій, що відбуваються в ядерних реакторах. Функція хімії в повсякденному житті, яка слідує, обговорює відомий прискорювач частинок, який зробив новини у всьому світі.
Розташована поблизу Женеви, лабораторія CERN («Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire» або Європейська рада з ядерних досліджень) є головним у світі центром досліджень фундаментальних частинок, що входять до складу речовини. Він містить 27-кілометровий (17 миль) довгий круглий Великий адронний коллайдер (ВАК), найбільший прискорювач частинок у світі (рис.\(\PageIndex{1}\)). У LHC частинки підвищуються до високих енергій, а потім змушені стикатися один з одним або з нерухомими цілями майже зі швидкістю світла. Надпровідні електромагніти використовуються для отримання сильного магнітного поля, яке направляє частинки навколо кільця. Спеціалізовані, спеціально побудовані детектори спостерігають і фіксують результати цих зіткнень, які потім аналізуються вченими ЦЕРН за допомогою потужних комп'ютерів.
У 2012 році CERN оголосив, що експерименти на ВАК показали перші спостереження бозона Хіггса, елементарної частинки, яка допомагає пояснити походження маси в фундаментальних частинках. Це довгоочікуване відкриття зробило новини у всьому світі і призвело до присудження Нобелівської премії з фізики 2103 року Франсуа Енглерту та Пітеру Хіггсу, які передбачили існування цієї частинки майже 50 років тому.
До 1940 року найважчим відомим елементом був уран, атомний номер якого дорівнює 92. Зараз синтезовано і виділено багато штучних елементів, в тому числі кілька в такому великому масштабі, що вони зробили глибокий вплив на суспільство. Один з них - елемент 93, нептуній (Np) - вперше був зроблений у 1940 році Макмілланом та Абельсоном шляхом бомбардування урану-238 нейтронами. Реакція створює нестійкий уран-239, з періодом напіврозпаду 23,5 хв, який потім розпадається на нептуній-239. Нептуній-239 також радіоактивний, з періодом напіврозпаду 2,36 дня, і він розпадається на плутоній-239. Ядерними реакціями є:
&\ ce {^ {238} _ {92} U + ^1_0n⟶ ^ {239} _ {92} U}
&&\ ce {^ {239} _ {92} U⟶ {239} _ {93} Нп + ^0_ {−1} е\,\,\ матіт {t} _ {1/2}} &&\ текст m {період напіврозпаду} =\ матрм {23,5\: хв}\\
&\ ce {^ {239} _ {93} Np⟶ ^ {239} _ {94} Пу + ^0_ {−1} е\,\,\,\ матіт {t} _ {1/2}} &\ textrm {період напіврозпаду} =\ mathrm {2.36\: дні}
\ кінець {вирівнювання}\ number\]
Плутоній в даний час в основному утворюється в ядерних реакторах як побічний продукт під час розпаду урану. Деякі нейтрони, які виділяються під час розпаду U-235, поєднуються з ядрами U-238, утворюючи урану-239; це зазнає β розпаду з утворенням нептунію-239, який, в свою чергу, зазнає β розпаду з утворенням плутонію-239, як показано в попередніх трьох рівняннях. Можна узагальнити такі рівняння як:
\[\mathrm{\ce{^{238}_{92}U} + {^1_0n}⟶ \ce{^{239}_{92}U} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{93}Np} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{94}Pu}} \nonumber \]
Більш важкі ізотопи плутонію - PU-240, Pu-241 та PU-242 - також утворюються, коли легші ядра плутонію захоплюють нейтрони. Частина цього високорадіоактивного плутонію використовується для виробництва військової зброї, а решта представляє серйозну проблему зберігання, оскільки вони мають період напіврозпаду від тисяч до сотень тисяч тисяч років.
Хоча вони не були підготовлені в тій же кількості, що і плутоній, було вироблено багато інших синтетичних ядер. Ядерна медицина розвинулася зі здатності перетворювати атоми одного типу в інші типи атомів. Радіоактивні ізотопи з декількох десятків елементів в даний час використовуються для медичних застосувань. Випромінювання, вироблене їх розпадом, використовується для зображення або лікування різних органів або частин тіла, серед інших застосувань.
Елементи поза елементом 92 (уран) називаються трансурановими елементами. На момент написання статті 22 трансуранових елементів були виготовлені та офіційно визнані IUPAC; кілька інших елементів мають претензії щодо формування, які очікують затвердження. Деякі з цих елементів наведені в табл\(\PageIndex{1}\).
| Ім'я | Символ | Атомний номер | Реакція |
|---|---|---|---|
| америцій | Ам | 95 | \(\ce{^{239}_{94}Pu + ^1_0n ⟶ ^{240}_{95}Am + ^0_{−1}e}\) |
| курій | См | 96 | \(\ce{^{239}_{94}Pu + ^4_2He ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\) |
| каліфорнію | Cf | 98 | \(\ce{^{242}_{96}Cm + ^4_2He⟶ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n}\) |
| ейнштейній | Es | 99 | \(\ce{^{238}_{92}U + 15^1_0n⟶ ^{253}_{99}Es + 7^0_{−1}e}\) |
| менделевіум | Мд | 101 | \(\ce{^{253}_{99}Es + ^4_2He ⟶ ^{256}_{101}Md + ^1_0n}\) |
| нобеліум | Ні | 102 | \(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_6C ⟶ ^{254}_{102}No + 4 ^1_0n}\) |
| Резерфордіум | Rf | 104 | \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_6C⟶ ^{257}_{104}Rf + 4 ^1_0n}\) |
| морський боргіум | Sg | 106 |
\(\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr ⟶ ^{257}_{106}Sg + 3 ^1_0n}\) \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_8O ⟶ ^{263}_{106}Sg + 4 ^1_0n}\) |
| метнерій | гора | 107 | \(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe ⟶ ^{266}_{109}Mt + ^1_0n}\) |
Резюме
- Можна виробляти нові атоми, бомбардуючи інші атоми ядрами або високошвидкісними частинками.
- Продукти реакцій трансмутації можуть бути стабільними або радіоактивними.
- Таким чином було вироблено ряд штучних елементів, включаючи технецій, астатин та трансуранові елементи.