بررسی ساخت طلا از واکنش های هسته ای

کیمیاگران در گذشته می خواستند مس را به طلا تبدیل کنند اگرچه آنها موفق نشدند اما پایه گذار دانش شیمی شدند. اما واقعا از طریق واکنش های هسته ای چقدر ممکن است طلای تجاری و قابل استفاده بسازیم؟

خوب، اجازه دهید به سوال فرضی (و بسیار پیچیده) تبدیل یک فلز پایه به طلا از طریق واکنش های هسته ای بپردازیم. به خاطر داشته باشید:

• این کار بسیار دشوار و غیر عملی است: این یک راه عملی یا مقرون به صرفه برای به دست آوردن طلا نیست. انرژی مورد نیاز نجومی است، فرآیندها پیچیده هستند و هزینه ها بسیار بیشتر از ارزش طلای تولید شده است. این بیشتر یک آزمایش است همین قدر که بگوییم طلا را به صورت مصنوعی ساخته ایم.
• فیزیک هسته ای مورد نیاز: بحث شامل مفاهیم فیزیک هسته ای مانند مقطع هسته ای، فعال سازی، و واپاشی رادیواکتیو است.
• نگرانی های مربوط به رادیواکتیویته: هر گونه دگرگونی هسته ای احتمالاً محصولات جانبی رادیواکتیو تولید می کند که نیاز به رسیدگی و احتیاط های لازم را دارد.
• عنصر 82: سرب (Pb) و نزدیکی به طلا (Au): پایدارترین ایزوتوپ طلا (¹⁹⁷Au) (79 پروتون، 118 نوترون) است. “ساده ترین” راه شروع با عنصری نزدیک به طلا از نظر عدد اتمی است که سرب (82) یکی از بهترین گزینه ها است.
• سمیت و ایمنی: برخی از عناصر مانند سرب سمی هستند و برای سلامت انسان مضر است و باید از آن اجتناب کرد.

با تمام آن اخطارها، بیایید چند استراتژی و نامزدهای احتمالی فلزی را در نظر بگیریم:

استراتژی های کلی برای تبدیل به طلا(¹⁹⁷Au):

1. شروع با سرب (Pb, Z=82) یا بیسموت (Bi, Z=83): اینها از نظر عدد اتمی به طلا (Z=79) نزدیک‌ترین هستند و نسبتاً فراوان هستند. هدف کاهش عدد اتمی در حین تنظیم عدد نوترون برای رسیدن به (¹⁹⁷Au) است. این می تواند شامل موارد زیر باشد:
• حذف پروتون: القای واکنش هایی که پروتون ها را از هسته خارج می کند.
• تنظیم نوترون: افزودن یا حذف نوترون در صورت لزوم برای دستیابی به عدد جرمی مورد نظر (197).

2. شروع با پلاتین (Pt, Z=78) یا ایریدیوم (Ir, Z=77): مراحل مشابه شروع با سرب یا بیسموت است. اما باید پروتون را روی هسته اضافه کنید. این می تواند شامل موارد زیر باشد:
• تنظیم نوترون: افزودن یا حذف نوترون در صورت لزوم برای دستیابی به عدد جرمی مورد نظر (197).

عوامل موثر در انتخاب فلز برای شروع:

• مقطع هسته ای: احتمال وقوع یک واکنش هسته ای خاص (به عنوان مثال، (p,2n)، (n, α)) در یک انرژی معین. مقاطع بالاتر به معنای احتمال وقوع واکنش بیشتر است.
• پایداری ایزوتوپ های میانی: ایزوتوپ های میانی تشکیل شده در طی فرآیند تبدیل باید نسبتاً پایدار (نیمه عمر طولانی) باشند تا از تجزیه آنها به عناصر نامطلوب دیگر جلوگیری شود. این سختی را تا حد زیادی افزایش می دهد.
• انرژی مورد نیاز: انرژی مورد نیاز برای القای واکنش های هسته ای لازم باید به حداقل برسد. این امر تأثیر زیادی بر هزینه ها خواهد داشت.
• در دسترس بودن و هزینه: فلز اولیه باید نسبتاً فراوان و ارزان باشد (در مقایسه با طلا!).

ملاحظات واکنش خاص:

• واکنش (p, α) : بمباران ماده اولیه با پروتون و بیرون ریختن ذرات آلفا (هسته هلیوم، 2He4) عدد اتمی (Z) را 2 و عدد جرمی (A) را 4 کاهش می دهد. برای سرب یا بیسموت، این شما را به عدد اتمی طلا نزدیک می کند.

• واکنش (p, n) : بمباران با پروتون ها و پرتاب یک نوترون عدد جرمی را 1 کاهش می دهد، اما عدد اتمی را 1 افزایش می دهد. این می تواند برای تنظیم اعداد نوترون زمانی که عدد اتمی نزدیک به 79 باشد مفید باشد.

• واکنش (n, p): بمباران با نوترون و پرتاب پروتون، عدد اتمی را 1 کاهش می دهد در حالی که عدد جرمی را 1 افزایش می دهد.

• واکنش‌ (d, α): بمباران با دوترون (²H) و بیرون ریختن یک ذره آلفا عدد اتمی را 2 و عدد جرمی را 2 کاهش می‌دهد.

• واکنش (γ، n): بمباران با پرتوهای گامای پرانرژی و پرتاب نوترون ها، عدد جرمی را بدون تغییر عدد اتمی کاهش می دهد.

چالش ها و چرا غیرعملی بودن:

• مسیرهای واکنش پیچیده است: بسیار بعید است که یک واکنش ساده و منفرد فلز اولیه را مستقیماً به طلا تبدیل کند. این شامل یک سری واکنش خواهد بود که هر کدام احتمال و انرژی مورد نیاز خود را دارند.
• محصولات جانبی رادیواکتیو:
بسیاری از ایزوتوپ‌های میانی رادیواکتیو خواهند بود، که این فرآیند را برای محیط زیست خطرناک می‌کند و به تجهیزات تخصصی برای جابجایی و دفع نیاز دارد.
• هزینه های انرژی: انرژی مورد نیاز برای القای این واکنش های هسته ای بسیار زیاد است.
• جداسازی ایزوتوپ: حتی اگر موفق به تولید طلا شوید، ممکن است مخلوطی از ایزوتوپ های مختلف باشد. جداسازی ایزوتوپ پایدار ¹⁹⁷Au از ایزوتوپ های رادیواکتیو طلا بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود.
• رقابت با واکنش های دیگر: هنگام بمباران هسته ها با ذرات، واکنش های مختلف زیادی امکان پذیر است. کنترل واکنش به نفع مسیر مورد نظر بسیار چالش برانگیز است.
بازده پایین: بازده کلی طلا از این فرآیند احتمالاً بسیار پایین خواهد بود و از نظر اقتصادی غیر قابل دوام است.
محتمل ترین نامزدها و واکنش ها (نظری):

با در نظر گرفتن همه عوامل، شروع با سرب (Pb) یا بیسموت (Bi) ممکن است “بهترین” باشد (دوباره، به معنای بسیار نظری). در اینجا یک مثال ساده شده (و احتمالاً بیش از حد خوش بینانه) آورده شده است:

1. با بیسموت-209 (²⁰⁹Bi) شروع کنید: بیسموت یک ایزوتوپ طبیعی دارد که به جرم و عدد اتمی طلا نزدیک است.

2. واکنش (γ, n):

²⁰⁹Bi + γ → ²⁰8Bi + n

3. واکنش (n,p):

²⁰⁸Bi + n → ²⁰⁸Pb + p

4. واکنش (p, α) واکنش روی سرب-208:

²⁰⁸Pb + p → ²⁰⁵Tl + ⁴He

5. واکنش (p, 3n) روی تالیم-205:

²⁰⁵Tl + p → ¹⁹⁹Pb + 3n

6. واکنش (p, 2α) روی سرب-199:

¹⁹⁹Pb + p → ¹⁹²Hg + 2⁴He

7. واپاشی بتا مثبت در جیوه-192

¹⁹²Hg → ¹⁹²Au + e+

8. واکنش (n,3n) در طلا-192

¹⁹²Au + n → ¹⁹⁰Au + 3n

9. واکنش (2n، γ) روی طلا-190 و (p,2p) روی لیتیوم 7

¹⁹⁰Au + 2n + p → ¹⁹¹Au + n + p

10. واکنش (p، n) روی طلا-191، (n، γ) واکنش در طلا-191 و (n، p) واکنش در Gold-193

¹⁹¹Au + p + n + n → ¹⁹²Au + n + p

11. واپاشی بتا منفی و جذب الکترون در طلا-192

192Au → 192Au + e- +e+ → 192Au

به یاد داشته باشید:

• این یک مثال بسیار ساده و نظری است. مسیرهای واکنش واقعی بسیار پیچیده تر خواهد بود و شامل بسیاری از واکنش های نزدیک به هم است.
• این یک راه عملی یا مقرون به صرفه برای به دست آوردن طلا نیست. استخراج طلا از زمین بسیار ارزان تر خواهد بود.
• محصولات جانبی رادیواکتیو خطرات زیست محیطی قابل توجهی را به همراه خواهد داشت.
• پوسیدگی میانی ممکن است به شرایط شدیدی نیاز داشته باشد که پایدار نیستند.

ایده تبدیل فلزات پایه به طلا قرن ها مردم را مجذوب خود کرده است. با این حال، در واقعیت، این یک تلاش بسیار پیچیده، غیرعملی و از نظر اقتصادی غیرقابل دوام باقی می ماند. این به عنوان یک آزمایش فکری برای کاوش در اصول فیزیک هسته ای بهتر عمل می کند.

سرچشمه ها:

https://slideplayer.com/slide/10621819/