Boundless Chemistry

Partikelaccelerator

En partikelaccelerator är en anordning som använder elektromagnetiska fält för att driva laddade partiklar till höga hastigheter i väldefinierade strålar.

En partikelaccelerator är en anordning som använder elektromagnetiska fält för att driva laddade partiklar till höga hastigheter och för att innesluta dem i väldefinierade strålar. Medan dagens partikelacceleratorer är inriktade på att slå samman subatomära partiklar, skulle tidiga partikelacceleratorer slå samman hela atomer och framkalla kärnfusion och därmed kärntransmutation.

Kärntransmutation är omvandlingen av ett kemiskt grundämne eller en isotop till ett annat. Med andra ord kan atomer av ett grundämne omvandlas till atomer av ett annat grundämne genom transmutation. Detta sker antingen genom kärnreaktioner där en yttre partikel reagerar med en kärna, vilket kan tillföras av en partikelaccelerator, eller genom radioaktivt sönderfall, där ingen yttre partikel behövs.

Kärntransmutationens historia

Tecknet transmutation går tillbaka till alkemin. Alkemisterna sökte efter de vises sten, som kunde förvandla oädla metaller till guld. Omöjligheten av den metalliska transmutationen hade debatterats bland alkemister, filosofer och vetenskapsmän sedan medeltiden. På 1700-talet ersatte Antoine Lavoisier den alkemiska teorin om grundämnen med den moderna teorin om kemiska grundämnen, och senare utvecklade John Dalton begreppet atomer vidare för att förklara olika kemiska processer. Atomernas sönderdelning är en distinkt process som inbegriper mycket större energier än vad alkemisterna kunde åstadkomma.

Nukleär transmutation tillämpades först medvetet i den moderna fysiken av Frederick Soddy när han tillsammans med Ernest Rutherford upptäckte att radioaktivt torium omvandlade sig självt till radium år 1901. I det ögonblick då han insåg detta, minns Soddy senare, ropade han ut: ”Rutherford, detta är transmutation!” Rutherford svarade: ”För Guds skull, Soddy, kalla det inte transmutation. De kommer att skära huvudet av oss som alkemister.”

Partikelacceleratorer

Det finns två grundläggande klasser av acceleratorer: elektrostatiska acceleratorer och oscillerande fältacceleratorer. Elektrostatiska acceleratorer använder statiska elektriska fält för att accelerera partiklar. Ett småskaligt exempel på denna klass är katodstråleröret i en vanlig, gammal tv-apparat. Andra exempel är Cockcroft-Walton-generatorn och Van de Graaf-generatorn. Den uppnåeliga kinetiska energin för partiklar i dessa anordningar begränsas av den elektriska nedbrytningen. Oscillerande fältacceleratorer använder å andra sidan radiofrekventa elektromagnetiska fält för att kringgå problemet med nedbrytning. Denna klass, vars utveckling inleddes på 1920-talet, ligger till grund för alla moderna acceleratorkoncept och storskaliga anläggningar. Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leó Szilárd, Donald Kerst och Ernest Lawrence anses vara pionjärer på området, eftersom de tänkte ut och byggde den första operativa linjära partikelacceleratorn, betatronen och cyklotronen.

Då kollisionsmaskiner kan ge bevis för strukturen i den subatomära världen, kallades acceleratorer vanligen för atombombsbrytare på 1900-talet. Trots att de flesta acceleratorer (med undantag för jonanläggningar) faktiskt driver fram subatomära partiklar, kvarstår termen i allmänt bruk när man hänvisar till partikelacceleratorer i allmänhet.

Fermi National Accelerator Laboratory: Flygfoto av Tevatron vid Fermilab, som liknar en åtta. Huvudacceleratorn är ringen ovanför; ringen nedanför (ungefär halva diametern, trots skenet) är till för preliminär acceleration, kylning och lagring av strålen etc.

Att förutsäga transmutationsprodukterna är som att förutsäga produkterna av radioaktivt sönderfall. Det är viktigt att se till att den totala atommassan och atomnumren på båda sidor av ekvationen förblir lika.