Transmutacja to czynność zmiany substancji, materialnej lub niematerialnej, z jednej formy lub stanu w inną. Dla dawnych alchemików oznaczało to przekształcenie jednej substancji fizycznej w inną, szczególnie metali nieszlachetnych, takich jak ołów, w cenne srebro i złoto. Dla współczesnych naukowców oznacza to przemianę jednego pierwiastka w inny poprzez jeden lub serię rozpadów jądrowych lub reakcji.
Chociaż ludzie pracowali ze złotem, srebrem, miedzią, żelazem, cyną, ołowiem, węglem, siarką i rtęcią w czasach starożytnych, mieli niewielkie pojęcie o chemii i niewiele mogli o niej napisać. W tym czasie chemia była sztuką, a nie nauką. Egipcjanie byli pierwszymi, którzy sporządzili obszerną dokumentację pisemną procedur chemicznych na początku ery chrześcijańskiej, a Egipt jest powszechnie uważany za miejsce narodzin chemii. Pisma te wskazują, że rozwój metod przekształcania jednej substancji w inną był jednym z głównych, wczesnych celów ich badań. W ciągu kilkuset lat, które nastąpiły po tych pismach, alchemicy próbowali opracować schematy przekształcania metali nieszlachetnych w złoto i srebro za pomocą różnych chemicznych manipulacji mieszaninami i destylacjami. Alchemicy byli zachęcani przez to, co wydawało się być pewnym sukcesem – na przykład, produkcja bardzo małych ilości złota z rudy ołowiu za pomocą ich procedur chemicznych. (To złoto było niewątpliwie obecne w śladowych ilościach w oryginalnych rudach i nie zostało wyprodukowane w wyniku transmutacji). Ostateczne szaleństwo alchemików objawiło się w średniowieczu wraz z poszukiwaniem kamienia filozoficznego, substancji, którą można by zmieszać z metalami nieszlachetnymi i poprzez oczyszczenie przekształcić je w złoto. Nigdy go nie znaleziono.
Ponieważ każdy pierwiastek ma inną, ale stałą liczbę protonów w jądrze atomu, która jest liczbą atomową, transmutacja jednego pierwiastka chemicznego w inny polega na zmianie tej liczby. Taka reakcja jądrowa wymaga miliony razy więcej energii niż ta, która była dostępna w reakcjach chemicznych. Dlatego też marzenie alchemika o przemianie ołowiu w złoto nigdy nie było chemicznie osiągalne.
Chociaż alchemikom nie udało się znaleźć metody transmutacji metali nieszlachetnych w metale szlachetne, w wyniku ich wysiłków powstało wiele ważnych procesów chemicznych. Na przykład wydobywali metale z rud, wyprodukowali szereg nieorganicznych kwasów i zasad, które później zyskały znaczenie handlowe, oraz opracowali techniki syntezy, kalcynacji, roztwarzania, filtracji, krystalizacji, sublimacji i, co najważniejsze, destylacji. W średniowieczu zaczęli próbować usystematyzować wyniki swoich prymitywnych eksperymentów i fragmenty informacji, aby wyjaśnić lub przewidzieć reakcje chemiczne zachodzące między substancjami. Tak powstała idea pierwiastków chemicznych i pierwsze prymitywne formy chemicznego Układu Okresowego.
Jak na ironię, transmutacje jądrowe odbywały się praktycznie pod nosem alchemików (lub pod ich stopami), ale nie mieli oni ani metod, by je wykryć, ani wiedzy, by wykorzystać te zdarzenia. Odkrycie procesu transmutacji jądrowej było ściśle związane z odkryciem radioaktywności przez Henri Becquerela w 1896 roku. Transmutacje jądrowe zachodzą podczas spontanicznego rozpadu promieniotwórczego naturalnie występujących toru i uranu (liczby atomowe odpowiednio 90 i 92) oraz promieniotwórczego
produkty uboczne ich rozpadu, czyli naturalne serie rozpadu. Jako przykład, seria rozpadu 232 Th jest przedstawiona na rysunku 1. Indeks górny 232 oznacza masę atomową, czyli całkowitą liczbę protonów i neutronów w jądrze atomu. W tej serii rozpadów jądro 232 Th rozpoczyna proces od spontanicznej emisji cząstki α (jądro He zawierające dwa protony i dwa neutrony). Reakcja ta przekształca jądro Th w jądro z dwoma mniejszymi protonami i dwoma mniejszymi neutronami, czyli w jądro 228 Ra. Następnie jądro 228 Ra spontanicznie emituje cząstkę β (elektron), która przekształca neutron w jądrze w proton, podnosząc liczbę atomową powstałego w ten sposób jądra o jeden bez zmiany masy atomowej, dając 228 Ac. Ta sekwencja kolejnych rozpadów α i β jest kontynuowana od jednego pierwiastka do drugiego, aż powstanie stabilne jądro 208 Pb (patrz rys. 1). Istnieją również dwa inne naturalnie występujące łańcuchy rozpadów, jeden zaczynający się od 235 U (szereg aktynowy) i jeden zaczynający się od 238 U (szereg uranowy). Oprócz tych trzech serii rozpadów w przyrodzie występuje czternaście innych izotopów promieniotwórczych w zakresie od 40 K do 190 Pt, które ulegają transmutacji poprzez rozpad w stabilne pierwiastki.
Idea transmutacji pierwiastków w naturalnych łańcuchach rozpadu nie towarzyszyła odkryciu radioaktywności przez Becquerela. Jednak Marie i Pierre Curie rozszerzyli badania Becquerela, stosując różne
Minerały U i odkryli, że właściwości radioaktywne nie są funkcją fizycznych lub chemicznych form uranu, ale właściwościami samego pierwiastka. Stosując metody separacji chemicznej, w 1898 roku wyizolowali dwie nowe substancje promieniotwórcze związane z minerałami U i nazwali je polonem i radem. W 1902 roku Ernest Rutherford i Frederick Soddy wyjaśnili naturę procesu zachodzącego w naturalnych łańcuchach rozpadu jako rozpadów promieniotwórczych U i Th w celu wytworzenia nowych substancji w drodze transmutacji.
Lord Rutherford i jego grupa naukowców byli pierwszymi osobami, które wyprodukowały i wykryły sztuczne transmutacje jądrowe w 1919 roku. Zbombardował on azot w powietrzu cząstkami α emitowanymi podczas rozpadu 214 Po. Reakcja transmutacji polegała na pochłonięciu cząstki α przez jądra 14 N, w wyniku czego powstawało 17 O i proton (jądro wodoru). Reakcję tę można zapisać jako
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford był w stanie wykryć i zidentyfikować protony powstałe w tej reakcji jądrowej i w ten sposób zademonstrować proces transmutacji.
Do roku 1934 można było badać tylko naturalnie występujące pierwiastki promieniotwórcze. Jednak w styczniu tego samego roku Irene Curie (córka Marii Curie) i Frederic Joliot donieśli, że próbki boru i aluminium stały się radioaktywne poprzez bombardowanie ich cząsteczkami α polonu, dzięki czemu powstały dwa nowe produkty radioaktywne, odpowiednio 13 N i 30 P. Odkrycie to ustanowiło nowe dziedziny chemii jądrowej i radiochemii oraz zapoczątkowało ich szybki rozwój.
W drugiej połowie XX wieku, wraz z rozwojem reaktorów jądrowych i akceleratorów cząstek naładowanych (zwanych potocznie „rozbijaczami atomów”), transmutacja jednego pierwiastka w drugi stała się powszechna. W rzeczywistości około dwóch tuzinów syntetycznych pierwiastków o liczbach atomowych wyższych niż naturalnie występujący uran zostało wytworzonych w wyniku reakcji transmutacji jądrowej. Tak więc w zasadzie możliwe jest spełnienie marzenia alchemika o przemianie ołowiu w złoto, ale koszt produkcji w reakcjach transmutacji jądrowej znacznie przekroczyłby wartość złota.