grunnstoffomdanning

En alfapartikkel har ladningen +2 og massetall 4, altså det samme som en heliumkjerne. Utsendelse av en alfapartikkel fra et atoms kjerne vil derfor føre til at atomet får redusert sin kjerneladning med 2 og sitt massetall med 4 enheter. Det nye atomet vil derved tilhøre grunnstoffet som står to plasser før det opprinnelige i periodesystemet.

Av et uranatom med kjerneladning 92 og massetall 238 oppstår på den måten et thoriumatom med kjerneladning 90 og massetall 234 \[\ce{^238_92U -> ^234_90Th + ^4_2He}\]

En betapartikkel har samme ladning og masse som et elektron, det vil si ladningen er –1 og massen er i sammenhengen her ubetydelig. Utsendelse av en betapartikkel påvirker derfor ikke massetallet. Kjerneladningen vil derimot øke med +1 som følge av at et nøytron blir erstattet av et proton. Det nydannede atomet vil følgelig høre til et grunnstoff som står én plass etter det opprinnelige i periodesystemet.

Ved utsendelse av en betapartikkel fra et thoriumatom med massetall 234 dannes et protactiniumatom med kjerneladning 91 og massetall 234: \[\ce{^234_90Th -> ^234_91Pa + ^0_{-1}e}\]

De atomene som dannes ved radioaktive prosesser, er ofte selv radioaktive, og vil i så fall spaltes videre under utsendelse av enten alfa- eller betapartikler. Dette fortsetter helt til det dannes et stabilt, ikke-radioaktivt atom. På denne måten kan man beskrive serier av radioaktive atomer som tilhører forskjellige grunnstoffer der de enkelte ledd er genetisk forbundet med hverandre. Se radioaktivitet.

Da nøytronene er nøytrale trenger de lett inn i atomkjernen. Nøytroner må fremstilles ved en eller annen kjernereaksjon, for eksempel ved å beskyte beryllium med alfapartikler (fra radium): \[\ce{^9_4Be + ^4_2He -> ^12_6C + ^1_0n}\] eller ved å beskyte deuterium med syklotronakselererte deuteroner: \[\ce{^2_1H + ^2_1H -> ^3_2He + ^1_0n}\] De beste nøytronkilder er imidlertid reaktorer hvor nøytronene dannes ved spaltning av uranatomer.

Nøytronene som dannes ved slike kjernereaksjoner har ofte for stor energi og dermed også for stor hastighet til å bli innfanget av de beskutte atomer. Imidlertid kan man ved å la nøytronene passere gjennom grafitt, tungtvann, blokker av fast parafin og lignende redusere deres hastighet (energi). Gjennom bruk av slike langsomme nøytroner til grunnstoffomdannelse oppdaget man blant annet transuranene, det vil si de grunnstoffene som kommer etter uran (atomnummer 92) i grunnstoffenes periodesystem.

Oppdagelsen av såkalt kunstig radioaktivitet er et resultat av forskning innen grunnstoffomdanning. Begrepet knyttes til som ikke er naturlig forekommende, men begrepsinnholdet er for øvrig av helt tilsvarende karakter som beskrevet over.

Ekteparet Irène Curie og Jean Frédéric Joliot fant i 1934 ut at aluminium som ble beskutt med alfapartikler fra polonium, sendte ut nøytroner i tillegg til protoner. Utsendelsen av protoner ble forklart ved (α, p)-reaksjonen: \[\ce{^27_13Al + ^4_2He -> ^30_14Si + ^1_1H}\] der det dannes en stabil silisiumisotop.

Som grunn for nøytronutsendelsen antok Joliot-Curie at det i tillegg fant sted en (α, n)-reaksjon \[\ce{^27_13Al + ^4_2He -> ^30_15P + ^1_0n}\] Ved denne reaksjonen dannes fosforisotopen \(\ce{^30_15P}\) som ikke forekommer i naturen. Den er radioaktiv og sender ut positroner : \[\ce{^30_15P -> ^0_1e + ^30_14Si}\] hvorved den omdannes til samme stabile silisiumisotop som dannet ved (α, p)-reaksjonen.

Ved fisjon, kjernespalting, blir atomkjernen spaltet i to, omtrent like tunge deler. Ustabile, tunge atomkjerner fisjonerer allerede ved bestråling med langsomme nøytroner, det vil si nøytroner med energi mindre enn 0,5 eV. Hos de tyngste grunnstoffene, som fermium og mendelevium, foregår fisjonen spontant. Mer stabile, lette atomkjerner fisjonerer bare etter beskytning med meget energirike partikler. Se fisjon og spallasjon.

Fusjonsprosesser fører til dannelse av tyngre atomer ut fra lette atomer. Se fusjon.

Grunnstoffomdanning har i dag flere praktiske anvendelser. For eksempel bestråles silisium-énkrystaller med nøytroner i reaktorer, for eksempel ved JEEP II-reaktoren på Institutt for energiteknikk, Kjeller, slik at noe silisium omdannes til fosfor. Dette brukes til å styre mengden av donornivåer i materialet, og derigjennom essensielle bruksegenskaper for silisium som halvledermateriale.

Tilsvarende dannes radioaktive technetium-isotoper for bruk til medisinske formål. I Japan ekstraheres betydelige mengder av de teknologisk viktige platinametallene fra fisjonsavfall ved kjernereaktorer. Platinametallene benyttes blant annet i bilkatalysatorer.

Alkymistene mente at det var mulig å omdanne metalliske og uedle grunnstoffer til edlere og mer verdifulle, for eksempel gull. Det lyktes de ikke med. Det skyldes at energi frigjort i kjemiske reaksjoner er for liten.

At alfa- og betastrålingen fra radioaktive grunnstoffer skyldes en spontan spalting av grunnstoffenes atomer, ble oppdaget av Ernest Rutherford og Frederick Soddy 1902. Forandringen i atomnummer og massetall som oppstår ved utsendelse av en alfa- eller en betapartikkel, er uttrykt i de radioaktive forskyvningslover slik formulert av Kasimir Fajans og Frederick Soddy 1913.

Et nytt avsnitt i grunnstoffomdanningens historie begynte 1919. Da lyktes det Ernest Rutherford å utføre en kunstig fremkalt grunnstoffomdanning ved å bestråle nitrogengass med alfapartikler fra den radioaktive vismutisotopen 212. Rutherford viste at dette førte til dannelse av protoner, noe som måtte skyldes at en alfapartikkel i enkelte tilfeller blir tatt opp av et nitrogenatom mot at det til gjengjeld blir frigjort et proton. Nitrogenatomet blir dermed omdannet til et oksygenatom etter skjemaet: \[\ce{^14_7N + ^4_2He -> ^17_8O + ^1_1H}\]

• grunnstoff
• periodesystemet
• radioaktivitet