Promieniotwórczość sztuczna - promieniotwórczość trwałych pierwiastków chemicznych wywoływana w sposób sztuczny poprzez napromieniowanie trwałych pierwiastków neutronami w reaktorze jądrowym lub poprzez "bombardowanie" tych pierwiastków ciężkimi cząstkami, takimi jak na przykład protony, cząstki alfa i inne. Ze względu na wielce zróżnicowane właściwości (rodzaj promieniowania, energia promieniowania, czas życia, masa emitowanych cząstek i inne) promieniotwórczość sztuczna znajduje znacznie szersze zastosowania w przeciwieństwie do naturalnych substancji promieniotwórczych.
Jądra atomów pierwiastków trwałych zawierają korzystną energetycznie liczbę protonów i neutronów. Pierwiastki takie albo nie ulegają przemianom jądrowym, albo proces ich rozpadu jest niezmiernie powolny. Takie jądra można wyprowadzić ze stanu stabilnego przez zmianę stosunku neutronów do protonów. Wzbudzone jądra dążą do uzyskania korzystniejszej konfiguracji, stają się więc promieniotwórcze.
Przemiana stabilnego jądra w promieniotwórcze może nastąpić nie tylko przez wprowadzenie protonu czy neutronu, ale również pod wpływem cięższych cząstek: deuteronu 21D(jądro deuteru), trytonu 13T (jądro trytu) lub cząstki α. Duże nadzieje co do możliwości otrzymania ciężkich pierwiastków ( o liczbach atomowych Z = 120 – 140) są związane z użyciem przyspieszonych jonów lub jąder dalej położonych w układzie okresowym pierwiastków. Pierwszą sztuczną przemianę jądra przeprowadził w 1919 roku Rutherford wykorzystując rad jako naturalny emiter cząstek α. Bombardując azot cząstkami α, Rutherford stwierdził powstanie tlenu oraz cząsteczek o znacznie większej przenikliwości przez materią niż cząstki α. Właściwości tych nowych cząstek okazały się identyczne z właściwościami protonu, co pozwoliło na ustalenie przebiegu reakcji jądrowej:
lub w krótszym zapisie:
W podobny sposób stwierdzono, że beryl poddany działaniu cząstek α (z radu) przechodzi w węgiel z wydzieleniem wolnych neutronów:
Ten typ reakcji jest wykorzystywany do otrzymywania neutronów w zbudowanych z berylu i radu tzw. radowo – berylowych źródłach neutronów.
Efektywność bombardowania neutronami jest szczególnie duża ze względu na brak sił odpychania między dodatnim jądrem, a pozbawionym ładunku neutronem, jednak zdolność przechwycenia neutronu przez jądro zależy w znacznym stopniu od energii kinetycznej neutronu. Wysoką efektywnością odznaczają się neutrony o małej szybkości, zwane neutronami termicznymi (powolnymi). Do spowalniania neutronów używa się moderatorów: grafitu, berylu lub ciężkiej wody (D2O). W celu wbudowania w jądro dodatnio naładowanych cząstek należy tym ostatnim nadać znaczną energię kinetyczną, niezbędną do przezwyciężenia
bariery potencjału jądra, tzn. kulombowskich sił odpychania pomiędzy dodatnio naładowanym jądrem i dodatnią cząstką bombardującą.
Z punktu widzenia mechaniki kwantowej można mówić jedynie o średniej energii kinetycznej cząstek i chociaż wartość ta jest niższa od bariery potencjału, pewna liczba cząstek może ją przekroczyć. Zjawisko to, zwane efektem tunelowym, odgrywa bardzo istotną rolę w fizyce i chemii i nie ma odpowiednika w fizyce klasycznej. Uwzględnienie efektu tunelowego pozwala na wyjaśnienie wielu zjawisk i problemów, jak np. emisji cząstek α przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, kinetycznej teorii stanów przejściowych i mechanizmu działania katalizatorów chemicznych.
Do nadawania dużych prędkości cząstkom dodatnim służą akceleratory liniowe (np. akcelerator van de Graaffa) oraz cykliczne (cyklotrony, fazotrony, synchrofazotrony).
Akcelerator von de Graaffa służy do jednorazowego przyspieszenia silnym polem elektromagnetycznym (rzędu milionów wolt) cząstek o dodatnim ładunku a także elektronów.
Na innej zasadzie są zbudowane cyklotrony,w których na przyspieszaną cząstkę działa wielokrotnie niższe napięcie. Przyspieszające zmienne pole elektryczne nakładane prostopadle na jednorodne pole magnetyczne rozpędza cząstkę wzdłuż spiralnego toru. Przejście cząstki z jednego duanta do drugiego jest zsynchronizowane ze zmianą znaków duantów. Duże cyklotrony zastępują źródła promieniowania równoważne setkom kilogramów radu. Ograniczeniem możliwości przyspieszania jonów w cyklotronie jest relatywistyczny wzrost masy jonu, gdy jego prędkość zbliża się do prędkości światła. Cyrkulacja cząstki między duantami musi być zsynchronizowana z prędkością zmiany znaków duantów.
Czynnikiem przyspieszającym w akceleratorach elektronów (betatronach) jest wirowe pole elektryczne wytwarzane przez zmienne pole magnetyczne. Wskutek wielokrotnego obiegu po orbicie kołowej elektrony uzyskują energię rzędu setek MeV. W specjalnego typu cyklotronach można również przyspieszać neutrony, których potężnym źródłem są reaktory atomowe. Średniej mocy reaktor atomowy wytwarza neutrony w ilości równoważnej użyciu kilkuset ton radu i berylu.
