Transmutaatio

Transmutaatio tarkoittaa alkuaineen muuttumista toiseksi alkuaineeksi ydinreaktioiden tuloksena. Aineen muuttuminen voi olla luonnollista tai keinotekoista.
Luonnollista transmutaatiota tapahtuu maapallolla hyvin hitaasti luonnossa esiintyvien radioaktiivisten aineiden vähittäisessä hajoamisessa vakaammiksi isotoopeiksi. Laajassa mitassa transmutaatiota tapahtuu tähtien ydinprosesseissa, joissa rautaa ja sitä kevympiä alkuaineita muodostuu vielä kevyemmistä aineista nukleosynteesissä, jossa vapautuu energiaa. Rautaa raskaampien alkuaineiden muodostuminen puolestaan kuluttaa energiaa, mutta tähtien olosuhteissa näitäkin transmutaatioita tapahtuu vahvan ydinvoiman aikaansaamien neutronisieppauksien välityksellä. Alkuaine muuttuu lopulta neutronien beetahajoamisen ansiosta, jolloin järjestysluku kasvaa. Raskaimpia alkuaineita muodostuu erityisesti supernovissa.
Keinotekoinen transmutaatio tarkoittaa aineen muuttamista toiseksi ihmisen aikaan saamien ydinreaktioiden avulla. Transmutaatio voidaan saada aikaan laitteistoilla, joissa on riittävän voimakas energia- ja teholähde aineen ydinrakenteen muuttamiseksi. Keinotekoisia transmutaatioita on saatu aikaan muun muassa hiukkaskiihdyttimillä, tokamak-reaktoreissa ja tavanomaisissa ydinreaktoreissa.
Transmutaatio onnistuu parhaiten sellaisten aineiden välillä, joiden atomiytimien sidosenergia kasvaa transmutaation seurauksena. Tuoteaineen potentiaalienergia ja massa on tällöin lähtöainetta pienempi, joten prosessissa vapautuu ytimien energiaa. Atomiytimien keinotekoinen fuusio energian tuottamiseksi perustuu juuri ytimien sidosenergian kasvattamiseen ja vastaavan potentiaalienergian vapauttamiseen muuhun käyttöön, esimerkiksi sähkön tuotantoon.
Biologiseksi transmutaatioksi kutsutaan hypoteettista ilmiötä, jossa aine muuttuu toiseksi elävän organismin biologisissa prosesseissa. Vahvaa tieteellistä näyttöä biologisesta transmutaatiosta ei ainakaan toistaiseksi ole. Vuonna 2003 venäläiset tutkijat kuitenkin väittivät muuntaneensa ydinjätettä ei-radioaktiivisiksi alkuaineiksi mikrobiologisten viljelmien avulla.

Keinotekoisen transmutaation historia

Transmutaatio on käsitteenä hyvin vanhaa perua, ja se liittyy alkemistien ns. viisasten kiven etsintään. Viisasten kiven avulla uskottiin kyettävän muuttamaan muita metalleja kullaksi.
Moderni transmutaation käsite syntyi 1900-luvun alussa Frederick Soddyn ja Ernest Rutherfordin kokeissa, joissa he havaitsivat radioaktiivisen thoriumin muuttuvan radiumiksi, ja kutsuivat ilmiötä transmutaatioksi vanhojen alkemistien tapaan. Ensimmäinen täysin tarkoituksellisesti synnytetty alkuaineiden välinen transmutaatio tehtiin vuonna 1919, kun Rutherford muutti suurienergiaisten alfa-hiukkasten avulla typpeä hapeksi.
Myöhemmin on voitu kokeilla osoittaa, että esimerkiksi lyijyn muuttaminen kullaksi on transmutaation avulla täysin mahdollista, ja ikivanhat alkemistien unelmat on siten voitu modernin tieteen avulla vihdoin näyttää toteen.

Sovelluskohteet

Transmutaation lupaavimpia sovelluskohteita on korkea-aktiivisen radioaktiivisen jätteen hajottaminen vaarattomimmiksi aineiksi. Esimerkiksi kullan valmistaminen transmutaatiolla muista, halvemmista aineista ei ole nykytekniikalla lähelläkään taloudellista kannattavuutta.