Transmutația este actul de schimbare a unei substanțe, tangibile sau intangibile, dintr-o formă sau stare în alta. Pentru alchimiștii din vechime, acest lucru însemna transformarea unei substanțe fizice în alta, în special a metalelor de bază, cum ar fi plumbul, în argint și aur valoroase. Pentru oamenii de știință moderni, aceasta înseamnă transformarea unui element în altul prin una sau o serie de dezintegrări sau reacții nucleare.
Deși oamenii lucrau cu aur, argint, cupru, fier, fier, staniu, plumb, carbon, sulf și mercur în antichitate, ei înțelegeau foarte puțin chimia și puteau scrie foarte puțin despre ea. În această perioadă, chimia era o artă, nu o știință. Egiptenii au fost primii care au produs o documentație scrisă extinsă a procedurilor chimice, la începutul erei creștine, iar Egiptul este în general identificat ca fiind locul de naștere al chimiei. Aceste scrieri indică faptul că dezvoltarea unor metode de transformare a unei substanțe în alta a fost unul dintre principalele obiective timpurii ale cercetărilor lor. Pe parcursul celor câteva sute de ani care au urmat acestor scrieri, alchimiștii au încercat să dezvolte scheme de transformare a metalelor de bază în aur și argint prin diverse manipulări chimice ale amestecurilor și distilațiilor. Alchimiștii au fost stimulați de ceea ce părea a fi un oarecare succes – de exemplu, producerea unor cantități foarte mici de aur din minereu de plumb prin procedeele lor chimice. (Acest aur era, fără îndoială, prezent în cantități infime în minereurile originale și nu a fost produs prin transmutare). Nebunia supremă a alchimiștilor a apărut în timpul Evului Mediu, odată cu căutarea pietrei filozofale, o substanță care putea fi amestecată cu metale comune și, prin purificare, să le transforme în aur. Aceasta nu a fost găsită niciodată.
Deoarece fiecare element are un număr diferit, dar fix, de protoni în nucleul atomului, ceea ce reprezintă numărul atomic, transmutarea unui element chimic în altul presupune modificarea acestui număr. O astfel de reacție nucleară necesită o energie de milioane de ori mai mare decât cea care era disponibilă prin reacții chimice. Astfel, visul alchimistului de a transmuta plumbul în aur nu a fost niciodată realizabil din punct de vedere chimic.
Deși alchimiștii nu au reușit să găsească o metodă de transmutare a metalelor de bază în metale prețioase, o serie de procese chimice importante au rezultat în urma eforturilor lor. De exemplu, ei au extras metale din minereuri; au produs o serie de acizi și baze anorganice care au devenit mai târziu importante din punct de vedere comercial; și au dezvoltat tehnicile de fuziune, calcinare, dizolvare, filtrare, cristalizare, sublimare și, cel mai important, distilare. În timpul Evului Mediu, au început să încerce să sistematizeze rezultatele experimentelor lor primitive și fragmentele de informații pentru a explica sau a prezice reacțiile chimice dintre substanțe. Astfel au apărut ideea de elemente chimice și primele forme primitive ale Tabelului periodic chimic.
În mod ironic, transmutațiile nucleare aveau loc practic sub nasul alchimiștilor (sau sub picioarele lor), dar aceștia nu aveau nici metodele de a detecta, nici cunoștințele necesare pentru a folosi aceste întâmplări. Descoperirea procesului de transmutare nucleară a fost strâns legată de descoperirea radioactivității de către Henri Becquerel în 1896. Transmutația nucleară are loc în timpul dezintegrării radioactive spontane a toriului și uraniului din natură (numere atomice 90 și, respectiv, 92) și în timpul radioactivității
produsele fiice ale descompunerii lor, și anume seria descompunerii naturale. Ca un exemplu, seria de dezintegrare a 232 Th este prezentată în figura 1. Super-scriptul 232 reprezintă masa atomică, care este numărul total de protoni și neutroni din nucleul atomului. În această serie de dezintegrare, un nucleu de 232 Th începe procesul prin emiterea spontană a unei particule α (un nucleu de He care conține doi protoni și doi neutroni). Această reacție transformă nucleul Th într-un nucleu cu doi protoni și doi neutroni mai puțin, și anume 228 Ra. Apoi, nucleul 228 Ra emite în mod spontan o particulă β (un electron), care transformă un neutron din nucleu într-un proton, mărind numărul atomic al nucleului rezultat cu unu, fără nicio modificare a masei atomice, ceea ce dă 228 Ac. Această secvență de dezintegrări α și β succesive continuă de la un element la altul până când se produce nucleul stabil 208 Pb (a se vedea figura 1). Există, de asemenea, alte două lanțuri de dezintegrare care apar în mod natural, unul care începe cu 235 U (seria actiniului) și unul care începe cu 238 U (seria uraniului). În plus față de aceste trei serii de dezintegrare, în natură există alți paisprezece izotopi radioactivi, variind de la 40 K la 190 Pt, care se transmută prin dezintegrare în elemente stabile.
Ideea transmutării elementelor în lanțurile naturale de dezintegrare nu a însoțit descoperirea radioactivității de către Becquerel. Cu toate acestea, Marie și Pierre Curie au extins investigațiile lui Becquerel folosind o varietate de
minerale de U și au descoperit că proprietățile radioactive nu sunt o funcție a formelor fizice sau chimice ale uraniului, ci proprietăți ale elementului în sine. Folosind metode de separare chimică, ei au izolat în 1898 două noi substanțe radioactive asociate cu mineralele U și le-au numit poloniu și radiu. În 1902, Ernest Rutherford și Frederick Soddy au explicat natura procesului care are loc în lanțurile de dezintegrare naturală ca dezintegrare radioactivă a U și Th pentru a produce noi substanțe prin transmutare.
Lordul Rutherford și grupul său de oameni de știință au fost primele persoane care au produs și detectat transmutații nucleare artificiale în 1919. El a bombardat azotul din aer cu particulele α -emise în dezintegrarea lui 214 Po. Reacția de transmutare a implicat absorbția unei particule α de către nucleele de 14 N pentru a produce 17 O și un proton (un nucleu de hidrogen). Această reacție poate fi scrisă ca
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford a reușit să detecteze și să identifice protonii produși în această reacție nucleară și să demonstreze astfel procesul de transmutare.
Până în 1934, doar elementele radioactive naturale erau disponibile pentru studiu. Cu toate acestea, în luna ianuarie a aceluiași an, Irene Curie (fiica lui Marie Curie) și Frederic Joliot au raportat că eșantioane de bor și aluminiu au fost făcute radioactive prin bombardarea lor cu particule α din poloniu pentru a produce cei doi noi produși radioactivi, 13 N și, respectiv, 30 P. Această descoperire a pus bazele noilor domenii ale chimiei nucleare și radiochimiei și a declanșat dezvoltarea rapidă a acestora.
Odată cu dezvoltarea reactoarelor nucleare și a acceleratoarelor de particule încărcate (denumite în mod obișnuit „spărgătoare de atomi”) în a doua jumătate a secolului XX, transmutarea unui element în altul a devenit un lucru obișnuit. De fapt, aproximativ două duzini de elemente sintetice cu numere atomice mai mari decât uraniul natural au fost produse prin reacții de transmutare nucleară. Astfel, în principiu, este posibil să se realizeze visul alchimistului de a transmuta plumbul în aur, dar costul de producție prin reacții de transmutare nucleară ar depăși cu mult valoarea aurului.