Umetna radioaktivnost

Z obstreljevanjem jeder z različnimi delci lahko spreminjajo atomska jedra drugega v drugo. V začetku so uporabljali za obstrelje­vanje jeder žarke a iz naravnih radioaktivnih snovi. Delci a so hitri in lahko vdrejo v jedra. Zdaj uporabljajo različne delce: delce a, protone, nevtrone, devterone in tudi druge. Ko delec zadene jedro Iahko: ostane v jedru, ostane v jedru in izbije kak delec iz jedra, ali pa tudi razbije jedro na manjša jedra. Pozitivno nabiti delci potrebujejo velike energije, da vdrejo v jedra. Pospešujejo jih v različnih napravah (van de Graafov generator, ciklotron, betatron, bevatron, kozmotron) in tako dobe za­dostne hitrosti za vdor v jedro. Nevtroni so brez naboja in laže vdrejo v jedro.

Prva jedrska pretvorba (transmutacija) je uspela leta 1919 Rutherfordu. Obstreljeval je z delci a (iz naravne radioaktivne snovi) dušik. Pri tem sta nastala kisik in vodik:  

Zelo pomembna je pretvorba, s katero dobijo nevtrone. Žarki a, ki jih oddaja radon, spremene ⁹Be v ¹²C in obenem sproste nevtron:

S transmutacijo pa nastanejo tudi jedra, ki nimajo pravega razmerja med številom protonov in nevtronov. Takšna jedra niso stabilna. Če je v jedru preveč nevtronov, se en nevtron spremeni v proton in iz­seva elektron (n® p + e-), če pa ima jedro premalo nevtronov, se en proton spremeni v nevtron, s tem da izseva pozitron (p ® n + e+ ). Pojav imenujemo umetna radioaktivnost.

Iz aluminija in žarkov a nastane na primer radioaktivni izotop (fosfor 30), ki odda pozitron in preide v silicij:

Radioaktivni izotop kobalta ⁶⁰Co, ki ga veliko uporabljajo pri zdrav­Ijenju rakastih tvorb, pridobivajo iz stabilnega izotopa ⁵⁹Co, ki ga obstreljujejo z nevtroni:

⁶⁰Co seva elektrone in prehaja v nikelj.

Transurani: s transmutacijo so dobili tudi elemente, ki imajo višja vrstna števila od urana. To so elementi z vrstnimi števili od 93 naprej. Znani so: neptunij, plutonij, americij, curij, berkelij, kalifornij, einsteinij, fermij, mendelevij, nobelij in lawrencij.

Neptunij nastane iz urana 238, ki ga obstreljujejo z nevtroni:  

Vmes nastane izotop urana 239, ki odda elektron in preide v neptunij. Neptunij odda elektron in se pretvori v plutonij:

Ostale transurane pridobivajo podobno. Lahko pa jih pridobe tudi z obstreljevanjem velikih jeder z jedri lahkih elementov:  

Cepitev težkih jeder(fizija) in zlivanje lahkih jeder(fuzija)

Vezavna energija: Masa vsakega jedra je manjša od vsote mas delcev, ki sestavljajo jedro. Helijevo jedro je na primer sestavljeno iz dveh nevtronov in dveh protonov:

masa 2p in 2n je : 2 · 1,0078 +  2 · 1,0087 = 4,0330.

Atomska masa helija pa je 4,0026. Masa jedra je torej za 0,0304 (4,0330-4,0026) manjša od mase sestavnih delov. To razliko v masi imenujemo masni defekt. Pri zgraditvi helijevega jedra iz 2 protonov in 2 nevtronov se je del mase spremenil v energijo po enačbi:

W = mc²     W = energija,  m = masa, c = svetlobna hitrost

Za vsak g-atom helija se sprosti 2,746 . 10⁹ J energije.

Energijo, ki se sprosti pri zgraditvi jedra in ki je mera za obstojnost jedra imenujemo vezavna energija jedra. Enako energijo potrebujemo, da jedro razbijemo v protone in nevtrone. Elementi z vrstnimi števili okoli 60 imajo največje vezavne energije, zato so tudi ta jedra najbolj stabilna in bi potrebovali ogromne energije za razbitje jeder teh elemen­tov v sestavne dele. Jedra elementov z nizkimi in visokimi vrstnimi števili imajo manjšo vezavno energijo in so v primerjavi s srednjimi elementi nestabilna, ter so primerna za jedrske reakcije.  

Cepitev težkih jeder(fizija)

Energijo dobijo s cepitvijo težkih jeder (fizijo) v dve srednji jedri. ²³⁵U in ²³⁹Pu se razcepita ob obstreljevanju s počasnimi (termičnimi) nevtroni. Pri tem jedro, ki je bilo manj stabilno, preide v bolj stabilna jedra in se sprosti energija. S cepitvijo uranovega jedra se sprosti energija, ki ustreza zmanjšanju mase za približno 0,1%. Ta energija je v primerjavi z ostalimi viri energije zelo velika in je osnova za atomsko bombo in reaktorje. Cepitev jedra lahko pripelje do verižne reakcije. ²³⁵U se z nevtronom spremeni v ²³⁶U, ki se razcepi v dve manjši jedri in pri tem nastane nekaj nevtronov

Nastali nevtroni povzročajo razcep nadaljnjih jeder. Pogoj, da pride do verižne reakcije je, da dovolj veliko število nevtronov zadene uranova jedra in da se nevtroni ne zgube v prostoru. Najbolj primerna oblika uranove mase za te namene je vsekakor krogla in sicer tako velika, da se sproži verižna reakcija (kritična velikost). Do verižne reakcije pride v atomski bombi(nekontrolirana reakcija) in v reaktorju  (kontrolirana reakcija).

Zlivanje lahkih jeder(fuzija)

Dvoje ali več lahkih jeder se lahko zlije v jedra, ki ima manjšo maso od vsote mas sestavnih delov. Razlika v masi pa se spremeni pri tem zlivanju v energijo. Zlivanje jeder poteče pri izredno visokih temperaturah. Kakor hitro pride do zlitja jeder na enem mestu se sprosti tolikšna energija, da se zlijejo tudi ostala jedra( termonuklear na verižna reakcija). Pri zlitju vodika v helij preide 0,7 % mase v energijo. Pri reak ciji devterona in tritona v helion in nevtron preide 0,4 mase v energijo:

²H + ³H ® ⁴He + ¹n

Zmes devterija in tritija reagira pri temperaturi nekaj milijonov stopinj. Za vžig je potrebna atomska bomba, energija pa, ki se pri tem sprosti je 1000-krat večja. (vodikova bomba).