Transmutation är den handling där ett ämne, materiellt eller immateriellt, förändras från en form eller ett tillstånd till ett annat. För de gamla alkemisterna innebar detta omvandling av ett fysiskt ämne till ett annat, särskilt oädla metaller som bly till värdefullt silver och guld. För de moderna vetenskapsmännen innebär detta omvandling av ett grundämne till ett annat genom ett eller en serie av nukleära sönderfall eller reaktioner.
Även om människor arbetade med guld, silver, koppar, järn, tenn, bly, kol, svavel och kvicksilver under antiken hade de liten förståelse för kemi och kunde skriva lite om den. Vid denna tid var kemi en konst, inte en vetenskap. Egyptierna var de första som producerade omfattande skriftlig dokumentation av kemiska förfaranden, i början av den kristna eran, och Egypten brukar allmänt identifieras som kemins födelseplats. Dessa skrifter visar att utvecklingen av metoder för att omvandla ett ämne till ett annat var ett av de viktigaste tidiga målen för deras undersökningar. Under de flera hundra år som följde på dessa skrifter försökte alkemisterna utveckla metoder för att omvandla oädla metaller till guld och silver genom olika kemiska manipulationer av blandningar och destillationer. Alkemisterna sporrades av vad som tycktes vara en viss framgång – till exempel att de med hjälp av sina kemiska metoder lyckades framställa mycket små mängder guld ur blymalm. (Detta guld fanns otvivelaktigt i spårmängder i de ursprungliga malmerna och framställdes inte genom transmutation). Alkemisternas ultimata dårskap dök upp under medeltiden med sökandet efter de vises sten, ett ämne som kunde blandas med oädla metaller och genom rening omvandla dem till guld. Den hittades aldrig.
Eftersom varje grundämne har ett olika men fast antal protoner i atomkärnan, vilket är atomnumret, innebär transmutationen av ett kemiskt grundämne till ett annat att man ändrar detta antal. En sådan kärnreaktion kräver miljontals gånger mer energi än vad som var tillgängligt genom kemiska reaktioner. Alkemistens dröm om att omvandla bly till guld var således aldrig kemiskt möjlig att förverkliga.
Även om alkemisterna misslyckades med att hitta en metod för transmutation av oädla metaller till ädelmetaller, resulterade ett antal viktiga kemiska processer från deras ansträngningar. De utvann till exempel metaller ur malm, framställde ett antal oorganiska syror och baser som senare blev kommersiellt viktiga och utvecklade tekniker för fusion, bränning, lösning, filtrering, kristallisering, sublimering och, viktigast av allt, destillation. Under medeltiden började de försöka systematisera resultaten av sina primitiva experiment och sina informationsfragment för att förklara eller förutsäga kemiska reaktioner mellan ämnen. På så sätt uppstod idén om kemiska grundämnen och de första primitiva formerna av det kemiska periodiska systemet.
Ironiskt nog ägde kärntransmutationer rum praktiskt taget under alkemisternas näsor (eller under deras fötter), men de hade varken metoderna för att upptäcka eller kunskaperna för att utnyttja dessa händelser. Upptäckten av kärntransmutationsprocessen var nära kopplad till Henri Becquerels upptäckt av radioaktivitet 1896. Kärntransmutationer sker under det spontana radioaktiva sönderfallet av naturligt förekommande torium och uran (atomnummer 90 respektive 92) och det radioaktiva
dotterprodukter av deras sönderfall, nämligen den naturliga sönderfallsserien. Som exempel visas 232 Ths sönderfallsserie i figur 1. Den översatta siffran 232 representerar atommassan, vilket är det totala antalet protoner och neutroner i atomens kärna. I denna sönderfallsserie börjar en 232 Th-kärna processen genom att spontant avge en α -partikel (en He-kärna som innehåller två protoner och två neutroner). Denna reaktion omvandlar Th-kärnan till en kärna med två färre protoner och två färre neutroner, nämligen 228 Ra. Därefter avger 228 Ra-kärnan spontant en β -partikel (en elektron), som omvandlar en neutron i kärnan till en proton, vilket höjer atomnumret för den resulterande kärnan med ett utan att atommassan förändras, vilket ger 228 Ac. Denna sekvens av successiva α- och β-sönderfall fortsätter från ett grundämne till ett annat tills den stabila kärnan 208 Pb produceras (se figur 1). Det finns också två andra naturligt förekommande sönderfallskedjor, en som börjar med 235 U (aktiniumserien) och en som börjar med 238 U (uranserien). Utöver dessa tre sönderfallsserier finns fjorton andra radioaktiva isotoper i naturen, från 40 K till 190 Pt, som transmuteras genom sönderfall till stabila grundämnen.
Tanken på transmutation av grundämnen i de naturliga sönderfallskedjorna följde inte med Becquerels upptäckt av radioaktivitet. Marie och Pierre Curie utvidgade dock Becquerels undersökningar med hjälp av olika
U-mineraler och fann att de radioaktiva egenskaperna inte var en funktion av uranets fysiska eller kemiska former, utan egenskaper hos själva grundämnet. Med hjälp av kemiska separationsmetoder isolerade de 1898 två nya radioaktiva ämnen som var förknippade med U-mineralerna och gav dem namnen polonium och radium. År 1902 förklarade Ernest Rutherford och Frederick Soddy arten av den process som sker i de naturliga sönderfallskedjorna som de radioaktiva sönderfallen av U och Th för att producera nya ämnen genom transmutation.
Lord Rutherford och hans forskargrupp var de första som producerade och upptäckte konstgjorda kärntransmutationer 1919. Han bombarderade kväve i luften med de α -partiklar som avges vid sönderfallet av 214 Po. Transmutationsreaktionen innebar att en α -partikel absorberades av de 14 N-kärnorna för att producera 17 O och en proton (en vätekärna). Denna reaktion kan skrivas som
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford kunde upptäcka och identifiera de protoner som producerades i denna kärnreaktion och på så sätt demonstrera transmutationsprocessen.
Fram till 1934 fanns endast naturligt förekommande radioaktiva grundämnen att studera. I januari samma år rapporterade dock Irene Curie (dotter till Marie Curie) och Frederic Joliot att prover av bor och aluminium gjordes radioaktiva genom att bombardera dem med α -partiklar från polonium för att producera de två nya radioaktiva produkterna 13 N respektive 30 P. Denna upptäckt etablerade de nya områdena kärnkemi och radiokemi och utlöste deras snabba tillväxt.
Med utvecklingen av kärnreaktorer och acceleratorer för laddade partiklar (vanligen kallade ”atomkrossare”) under andra hälften av 1900-talet har transmutationen av ett grundämne till ett annat blivit vardagsmat. I själva verket har omkring två dussin syntetiska grundämnen med högre atomnummer än naturligt förekommande uran framställts genom kärntransmutationsreaktioner. Det är alltså i princip möjligt att förverkliga alkemistens dröm om att omvandla bly till guld, men produktionskostnaden för kärntransmutationsreaktioner skulle vida överstiga guldets värde.