Transmutatie is de handeling van het veranderen van een stof, stoffelijk of ontastbaar, van de ene vorm of toestand in een andere. Voor de alchemisten van weleer betekende dit de omzetting van een fysieke stof in een andere, met name onedele metalen zoals lood in waardevol zilver en goud. Voor de moderne wetenschappers betekent dit de omzetting van het ene element in het andere door een of een reeks van nucleaire ontbindingen of reacties.
Hoewel de mensen in de oudheid met goud, zilver, koper, ijzer, tin, lood, koolstof, zwavel en kwik werkten, hadden zij weinig verstand van scheikunde en konden zij er weinig over schrijven. In die tijd was scheikunde een kunst, geen wetenschap. De Egyptenaren waren de eersten die uitgebreide schriftelijke documentatie van chemische procedures produceerden, aan het begin van de christelijke jaartelling, en Egypte wordt algemeen beschouwd als de geboorteplaats van de scheikunde. Uit deze geschriften blijkt dat de ontwikkeling van methoden voor de omzetting van de ene stof in de andere een van de belangrijkste vroege doelen van hun onderzoek was. Gedurende de honderden jaren die op deze geschriften volgden, trachtten de alchemisten plannen te ontwikkelen om onedele metalen in goud en zilver om te zetten door middel van verschillende chemische manipulaties van mengsels en distillaties. De alchemisten werden aangespoord door wat enig succes leek te hebben – bijvoorbeeld de produktie van zeer kleine hoeveelheden goud uit looderts door hun chemische procedures. (Dit goud was ongetwijfeld in sporen aanwezig in de oorspronkelijke ertsen en werd niet door transmutatie geproduceerd). De ultieme dwaasheid van de alchemisten dook in de Middeleeuwen op met de zoektocht naar de steen der wijzen, een stof die met onedele metalen kon worden vermengd en door zuivering in goud kon worden omgezet. Het werd nooit gevonden.
Omdat elk element een verschillend maar vast aantal protonen in de atoomkern heeft, het atoomnummer, moet bij de transmutatie van een chemisch element in een ander dat aantal worden veranderd. Voor een dergelijke kernreactie is miljoenen malen meer energie nodig dan beschikbaar was via chemische reacties. De droom van de alchemist, lood in goud om te zetten, was dus chemisch nooit haalbaar.
Hoewel de alchemisten er niet in slaagden een methode te vinden voor de transmutatie van onedele metalen in edele metalen, vloeiden uit hun inspanningen een aantal belangrijke chemische processen voort. Zo onttrokken zij metalen aan ertsen; produceerden een aantal anorganische zuren en basen die later commercieel belangrijk werden; en ontwikkelden de technieken van smelten, calcineren, oplossen, filtreren, kristalliseren, sublimeren, en, het belangrijkst, distilleren. In de Middeleeuwen begonnen zij te proberen de resultaten van hun primitieve experimenten en hun fragmenten van informatie te systematiseren om chemische reacties tussen stoffen te verklaren of te voorspellen. Zo ontstond het idee van chemische elementen en de eerste primitieve vormen van het chemisch Periodiek Systeem.
Ironisch genoeg vonden de nucleaire transmutaties vrijwel onder de neuzen (of onder hun voeten) van de alchemisten plaats, maar zij hadden noch de methoden om deze gebeurtenissen op te sporen, noch de kennis om ze te gebruiken. De ontdekking van het nucleaire transmutatieproces hing nauw samen met de ontdekking van radioactiviteit door Henri Becquerel in 1896. Nucleaire transmutaties vinden plaats tijdens het spontane radioactieve verval van in de natuur voorkomend thorium en uranium (atoomnummers 90 en 92, respectievelijk) en het radioactieve
dochterproducten van hun verval, namelijk de natuurlijke vervalreeks. Als voorbeeld is de vervalreeks van 232 Th afgebeeld in figuur 1. Het superscript 232 staat voor de atoommassa, dat wil zeggen het totale aantal protonen en neutronen in de kern van het atoom. In deze vervalreeks begint een 232 Th-kern het proces door spontaan een α-deeltje (een He-kern met twee protonen en twee neutronen) uit te zenden. Deze reactie zet de Th-kern om in een kern met twee protonen minder en twee neutronen minder, namelijk 228 Ra. Vervolgens zendt de kern 228 Ra spontaan een β-deeltje (een elektron) uit, dat een neutron in de kern omzet in een proton, waardoor het atoomnummer van de resulterende kern met één wordt verhoogd zonder verandering in atoommassa, wat 228 Ac oplevert. Deze opeenvolging van opeenvolgende α- en β-vervallen gaat van het ene element naar het andere door totdat de stabiele kern 208 Pb is gevormd (zie figuur 1). Er bestaan ook twee andere natuurlijk voorkomende vervalreeksen, één die begint met 235 U (de actiniumreeks) en één die begint met 238 U (de uraniumreeks). Naast deze drie vervalreeksen bestaan er in de natuur nog veertien andere radioactieve isotopen, variërend van 40 K tot 190 Pt, die door verval transmuteren in stabiele elementen.
Het idee van transmutatie van elementen in de natuurlijke vervalketens ging niet samen met de ontdekking van radioactiviteit door Becquerel. Marie en Pierre Curie breidden echter het onderzoek van Becquerel uit met behulp van een verscheidenheid van
U mineralen en ontdekten dat de radioactieve eigenschappen niet een functie waren van de fysische of chemische vormen van het uranium, maar eigenschappen van het element zelf. Met behulp van chemische scheidingsmethoden isoleerden zij in 1898 twee nieuwe radioactieve stoffen die met de U-mineralen geassocieerd waren en gaven ze de namen polonium en radium. In 1902 verklaarden Ernest Rutherford en Frederick Soddy de aard van het proces dat zich voordoet in de natuurlijke vervalketens als het radioactieve verval van U en Th om nieuwe stoffen te produceren door transmutatie.
Lord Rutherford en zijn groep wetenschappers waren de eersten die in 1919 kunstmatige nucleaire transmutaties produceerden en detecteerden. Hij bombardeerde stikstof in de lucht met de α-deeltjes die vrijkwamen bij het verval van 214 Po. De transmutatiereactie omvatte de absorptie van een α-deeltje door de 14 N-kernen om 17 O en een proton (een waterstofkern) te produceren. Deze reactie kan worden geschreven als
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford was in staat de protonen die bij deze kernreactie werden geproduceerd te detecteren en te identificeren en daarmee het transmutatieproces aan te tonen.
Tot 1934 konden alleen in de natuur voorkomende radioactieve elementen worden bestudeerd. In januari van dat jaar meldden Irene Curie (dochter van Marie Curie) en Frederic Joliot echter dat monsters van boor en aluminium radioactief konden worden gemaakt door ze te bombarderen met α-deeltjes van polonium, waarbij de twee nieuwe radioactieve producten, respectievelijk 13 N en 30 P, werden geproduceerd. Deze ontdekking vormde de basis voor de nieuwe gebieden van de nucleaire chemie en de radiochemie en gaf de aanzet tot hun snelle groei.
Met de ontwikkeling van kernreactoren en geladen deeltjesversnellers (gewoonlijk “atom smashers” genoemd) in de tweede helft van de twintigste eeuw, is de transmutatie van het ene element in het andere gemeengoed geworden. Zo’n twee dozijn synthetische elementen met een atoomnummer dat hoger is dan dat van natuurlijk uranium, zijn geproduceerd door middel van nucleaire transmutatiereacties. Het is dus in principe mogelijk om de droom van de alchemist te verwezenlijken, lood in goud te transmuteren, maar de produktiekosten van nucleaire transmutatiereacties zouden de waarde van het goud ver overschrijden.