Boundless Chemistry

Particle Accelerator

Een deeltjesversneller is een apparaat dat elektromagnetische velden gebruikt om geladen deeltjes tot hoge snelheden voort te stuwen binnen goed gedefinieerde bundels.

Een deeltjesversneller is een apparaat dat elektromagnetische velden gebruikt om geladen deeltjes tot hoge snelheden voort te stuwen en ze in goed gedefinieerde bundels te bevatten. Terwijl de huidige deeltjesversnellers erop gericht zijn subatomaire deeltjes tegen elkaar te laten botsen, zouden vroegere deeltjesversnellers hele atomen tegen elkaar laten botsen, waardoor kernfusie en dus kerntransmutatie werd opgewekt.

Nucleaire transmutatie is de omzetting van een chemisch element of isotoop in een ander. Met andere woorden, atomen van een element kunnen door transmutatie worden veranderd in atomen van een ander element. Dit gebeurt ofwel door kernreacties waarbij een deeltje van buitenaf reageert met een kern, die door een deeltjesversneller kan worden geleverd, ofwel door radioactief verval, waarbij geen deeltje van buitenaf nodig is.

Geschiedenis van nucleaire transmutatie

De term transmutatie gaat terug tot de alchemie. Alchemisten streefden naar de steen der wijzen, die in staat was onedele metalen in goud om te zetten. Over de onmogelijkheid van metaaltransmutatie werd sinds de Middeleeuwen gedebatteerd door alchemisten, filosofen en wetenschappers. In de 18e eeuw verving Antoine Lavoisier de alchemistische theorie van de elementen door de moderne theorie van de chemische elementen, en later ontwikkelde John Dalton het begrip atomen verder om verschillende chemische processen te verklaren. Het uiteenvallen van atomen is een apart proces dat veel grotere energieën vergt dan door alchemisten konden worden bereikt.

Nucleaire transmutatie werd voor het eerst bewust toegepast in de moderne natuurkunde door Frederick Soddy toen hij, samen met Ernest Rutherford, in 1901 ontdekte dat radioactief thorium zichzelf omzette in radium. Op het moment van het besef, zo herinnerde Soddy zich later, riep hij uit: “Rutherford, dit is transmutatie!” Rutherford snauwde terug: “In ’s hemelsnaam, Soddy, noem het geen transmutatie. Ze zullen ons voor alchemisten uitmaken.

Deeltjesversnellers

Er zijn twee basisklassen versnellers: elektrostatische en oscillerende veldversnellers. Elektrostatische versnellers gebruiken statische elektrische velden om deeltjes te versnellen. Een kleinschalig voorbeeld van deze klasse is de kathodestraalbuis in een gewoon, oud televisietoestel. Andere voorbeelden zijn de Cockcroft-Walton generator en de Van de Graaf generator. De haalbare kinetische energie voor deeltjes in deze apparaten wordt beperkt door elektrische afbraak. Oscillerende veldversnellers daarentegen maken gebruik van radiofrequente elektromagnetische velden om het afbraakprobleem te omzeilen. Deze klasse, waarvan de ontwikkeling in de jaren twintig van de vorige eeuw is begonnen, vormt de basis voor alle moderne versnellerconcepten en grootschalige installaties. Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Donald Kerst en Ernest Lawrence worden beschouwd als pioniers op dit gebied, die de eerste operationele lineaire deeltjesversneller, de betatron en de cyclotron bedachten en bouwden.

Omdat botsingsversnellers bewijs kunnen leveren over de structuur van de subatomaire wereld, werden versnellers in de 20e eeuw algemeen aangeduid als atoomsplijters. Ondanks het feit dat de meeste versnellers (met uitzondering van ionenfaciliteiten) eigenlijk subatomaire deeltjes voortstuwen, blijft de term in de volksmond in gebruik wanneer naar deeltjesversnellers in het algemeen wordt verwezen.

Fermi National Accelerator Laboratory: Luchtfoto van het Tevatron bij Fermilab, dat op een acht lijkt. De hoofdversneller is de ring boven; de ring eronder (ongeveer de helft van de diameter, ondanks de schijn) is voor voorbereidende versnelling, koeling en opslag van de bundels, enz.

Voorspellen van de producten van transmutatie is hetzelfde als voorspellen van de producten van radioactief verval. Het is belangrijk ervoor te zorgen dat de totale atoommassa en het atoomnummer van beide zijden van de vergelijking gelijk blijven.