Transmutação é o acto de mudar uma substância, tangível ou intangível, de uma forma ou estado para outro. Para os alquimistas de antigamente, isto significava a conversão de uma substância física em outra, particularmente metais de base como o chumbo em prata e ouro valiosos. Para os cientistas modernos, isto significa a transformação de um elemento em outro por uma ou uma série de decadências ou reações nucleares.
Embora as pessoas trabalhassem com ouro, prata, cobre, ferro, estanho, chumbo, carbono, enxofre e mercúrio nos tempos antigos, elas tinham pouca compreensão da química e podiam escrever pouco sobre ela. Nessa época, a química era uma arte, não uma ciência. Os egípcios foram os primeiros a produzir extensa documentação escrita de procedimentos químicos, no início da era cristã, e o Egito é geralmente identificado como o local de nascimento da química. Estes escritos indicam que o desenvolvimento de métodos para transmutar uma substância em outra era um dos principais objetivos iniciais de suas investigações. Durante as várias centenas de anos que se seguiram a estes escritos, os alquimistas tentaram desenvolver esquemas para transmutar metais de base em ouro e prata através de várias manipulações químicas de misturas e destilações. Os alquimistas foram estimulados pelo que parecia ser algum sucesso – por exemplo, a produção de quantidades muito pequenas de ouro a partir de minério de chumbo pelos seus procedimentos químicos. (Este ouro estava sem dúvida presente em quantidades vestigiais nos minérios originais e não foi produzido por transmutação). A última loucura dos alquimistas surgiu durante a Idade Média com a busca da pedra filosofal, uma substância que podia ser misturada com metais base e, através da purificação, convertê-los em ouro. Nunca foi encontrada.
Como cada elemento tem um número diferente mas fixo de prótons no núcleo do átomo, que é o número atômico, a transmutação de um elemento químico em outro envolve a mudança desse número. Tal reação nuclear requer milhões de vezes mais energia do que a disponível através de reações químicas. Assim, o sonho do alquimista de transmutar chumbo em ouro nunca foi quimicamente realizável.
Embora os alquimistas não tenham encontrado um método para a transmutação de metais de base em metais preciosos, uma série de processos químicos importantes resultou de seus esforços. Por exemplo, eles extraíram metais de minérios; produziram uma série de ácidos e bases inorgânicas que mais tarde se tornaram comercialmente importantes; e desenvolveram as técnicas de fusão, calcinação, solução, filtração, cristalização, sublimação e, o mais importante, destilação. Durante a Idade Média, eles começaram a tentar sistematizar os resultados de suas experiências primitivas e seus fragmentos de informação a fim de explicar ou prever reações químicas entre substâncias. Assim surgiu a ideia dos elementos químicos e das primeiras formas primitivas da Tabela Periódica Química.
Ironicamente, as transmutações nucleares estavam ocorrendo praticamente sob os narizes dos alquimistas (ou sob seus pés), mas eles não tinham nem os métodos para detectar nem o conhecimento para usar esses acontecimentos. A descoberta do processo de transmutação nuclear estava intimamente ligada à descoberta da radioatividade por Henri Becquerel em 1896. As transmutações nucleares ocorrem durante a decomposição radioativa espontânea do tório e urânio naturais (números atômicos 90 e 92, respectivamente) e a radioatividade
produtos-filhas da sua decomposição, nomeadamente as séries de decomposição natural. Como exemplo, a série 232 da decadência é mostrada na Figura 1. O superescrito 232 representa a massa atômica, que é o número total de prótons e nêutrons no núcleo do átomo. Nesta série de decaimento, um núcleo 232 Th inicia o processo emitindo espontaneamente uma partícula α (um núcleo de He contendo dois prótons e dois nêutrons). Esta reacção transmuta o Th nucleus num núcleo com menos dois prótons e menos dois neutrões, nomeadamente 228 Ra. Então o núcleo 228 Ra emite espontaneamente uma partícula β (um elétron), que converte um nêutron no núcleo em um próton, elevando o número atômico do núcleo resultante por um, sem alteração na massa atômica, produzindo 228 Ac. Esta seqüência de sucessivos α e β decai de um elemento para outro até que o núcleo estável de 208 Pb seja produzido (ver Figura 1). Existem também duas outras cadeias de decaimento naturais, uma começando com 235 U (a série actínio) e outra começando com 238 U (a série urânio). Além destas três séries de decaimento, existem outros catorze isótopos radioativos na natureza, que variam de 40 K a 190 Pt, que se transmutam por decaimento em elementos estáveis.
A idéia de transmutação de elementos nas cadeias de decaimento natural não acompanhou a descoberta da radioatividade por Becquerel. Entretanto, Marie e Pierre Curie estenderam as investigações de Becquerel usando uma variedade de
U minerais e encontrou as propriedades radioativas não em função das formas físicas ou químicas do urânio, mas sim das propriedades do próprio elemento. Utilizando métodos de separação química, isolaram duas novas substâncias radioativas associadas ao U mineral em 1898 e denominaram-nas de polônio e rádio. Em 1902 Ernest Rutherford e Frederick Soddy explicaram a natureza do processo que ocorre nas cadeias de decaimento natural como as decadências radioativas de U e Th para produzir novas substâncias por transmutação.
Lord Rutherford e seu grupo de cientistas foram as primeiras pessoas a produzir e detectar transmutações nucleares artificiais em 1919. Ele bombardeou nitrogênio no ar com o α – partículas emitidas na decadência de 214 Po. A reação de transmutação envolveu a absorção de uma partícula de α pelos 14 N núcleos para produzir 17 O e um próton (um núcleo de hidrogênio). Esta reação pode ser escrita como
14 N + 4 He → 17 O + 1 H
Lord Rutherford foi capaz de detectar e identificar os prótons produzidos nesta reação nuclear e assim demonstrar o processo de transmutação.
Até 1934, somente elementos radioativos naturais estavam disponíveis para estudo. Entretanto, em janeiro daquele ano, Irene Curie (filha de Marie Curie) e Frederic Joliot relataram que as amostras de boro e alumínio foram tornadas radioativas por bombardeamento com α – partículas de polônio para produzir os dois novos produtos radioativos, 13 N e 30 P respectivamente. Esta descoberta estabeleceu os novos campos da química nuclear e da radioquímica e desencadeou o seu rápido crescimento.
Com o desenvolvimento de reatores nucleares e aceleradores de partículas carregadas (comumente chamados de “esmagadores de átomos”) durante a segunda metade do século XX, a transmutação de um elemento em outro se tornou comum. De fato, cerca de duas dúzias de elementos sintéticos com números atômicos superiores ao urânio natural têm sido produzidos por reações de transmutação nuclear. Assim, em princípio, é possível realizar o sonho do alquimista de transmutar chumbo em ouro, mas o custo de produção através de reações de transmutação nuclear excederia em muito o valor do ouro.