Omdanning av et grunnstoff i et annet. Det er mulig i to radioaktive prosesser: fisjon og fusjon.

Studier av radioaktive prosesser har vist at grunnstoffene ikke er uforanderlige. Ved naturlige radioaktive prosesser, f.eks. i uran, foregår omdanningen av seg selv. Atomene til de radioaktive grunnstoffene spaltes under utsendelse av elektrisk ladede partikler. Disse skriver seg fra atomets kjerne og påvirker derfor kjernens ladning og masse. Siden det er antall protoner i kjernen, dvs. kjernens ladning, som er bestemmende for grunnstoffslaget, vil en forandring føre til at det blir dannet et nytt grunnstoff.

Partiklene som sendes ut fra naturlige radioaktive grunnstoffer, er α-partikler eller β-partikler.

En α-partikkel er heliumatomets kjerne. Den har følgelig ladningen +2 og nukleontall 4. Utsendelse av en α-partikkel vil derfor føre til at det opprinnelige atom får redusert sin kjerneladning med 2 og sitt massetall med 4 enheter. Det nye atomet vil dermed tilhøre grunnstoffet som står to plasser foran det opprinnelige i grunnstoffenes periodesystem. 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 β-partikkel har samme ladning og masse som et elektron, dvs. ladningen er –1 og massen er i sammenhengen her ubetydelig. Utsendelse av en β-partikkel påvirker 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 β-partikkel 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 α- eller β-partikler. 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.

På grunn av sin elektrisk nøytrale karakter trenger nøytronene særlig lett inn i atomkjernen. Nøytroner må fremstilles ved en eller annen kjernereaksjon, f.eks. ved å beskyte beryllium med α-partikler (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 o.l., redusere deres hastighet (energi). Gjennom bruk av slike langsomme nøytroner til grunnstoffomdannelse oppdaget man bl.a. transuranene, dvs. de grunnstoffer som kommer etter uran (atomnummer 92) i grunnstoffenes periodesystem.

Oppdagelsen av såkalt kunstig radioaktivitet er et resultat av forskning innen grunnstoffomdanning. Begrepet knyttes til isotoper som ikke er naturlig forekommende, men begrepsinnholdet er for øvrig av helt tilsvarende karakter som beskrevet over. Ekteparet Irène og Jean Frédéric Joliot-Curie fant i 1934 at aluminium som ble beskutt med α-partikler 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, dvs. 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. Viktige eksempler er: Bestråling av silisium-énkrystaller med nøytroner i reaktorer, f.eks. 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 bl.a. i bilkatalysatorer.

Alkymistene mente at det var mulig å omdanne metalliske og uedle grunnstoffer til edlere og mer verdifulle, f.eks. gull. Det lyktes de ikke med,og i dag vet vi hvorfor.

At α- og β-strålingen fra radioaktive grunnstoffer skyldes en spontan spalting av grunnstoffenes atomer, ble først antatt av de britiske fysikerne E. Rutherford og F. Soddy 1902. Forandringen i kjerneladning og nukleontall som oppstår ved utsendelse av en α- eller en β-partikkel, er uttrykt i de radioaktive forskyvningslover slik formulert av den tyske kjemiker Kasimir Fajans og den britiske  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 α-partikler fra den radioaktive vismutisotopen 212. Rutherford viste at dette medførte dannelse av protoner, noe som måtte skyldes at en α-partikkel i enkelte tilfeller ble tatt opp av et nitrogenatom mot at det til gjengjeld ble frigjort et proton. Nitrogenatomet blir dermed omdannet til et oksygenatom etter skjemaet: \[\ce{^14_7N + ^4_2He -> ^17_8O + ^1_1H}\]

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.