CHEMIA JĄDROWA: HISTORIA, KIERUNEK, OBSZARY, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Chemia jądrowa jest badanie zmian właściwości wyrobu z zjawisk niezależnie wystąpiły w jądrach węgla; nie bada sposobu, w jaki jego elektrony oddziałują na siebie ani ich wiązań z innymi atomami tego samego lub innego pierwiastka.

Ta gałąź chemii koncentruje się następnie na jądrach i energiach uwalnianych, gdy dodają lub stracą część swoich cząstek; które nazywane są nukleonami i które ze względów chemicznych zasadniczo składają się z protonów i neutronów.

Koniczyna radioaktywna. Źródło: Pixabay.

Wiele reakcji jądrowych polega na zmianie liczby protonów i / lub neutronów, co w konsekwencji prowadzi do przemiany jednego pierwiastka w inny; starożytne marzenie alchemików, którzy na próżno próbowali zamienić metal ołowiu w złoto.

To chyba najbardziej zaskakująca cecha reakcji jądrowych. Jednak takie przemiany uwalniają ogromne ilości energii, a także przyspieszone cząsteczki, które w zależności od związanej z nimi energii potrafią przeniknąć i zniszczyć otaczającą je materię (taką jak DNA naszych komórek).

Oznacza to, że w reakcji jądrowej uwalniane są różne rodzaje promieniowania, a kiedy atom lub izotop wyzwala promieniowanie, mówi się, że jest radioaktywne (radionuklidy). Niektóre rodzaje promieniowania mogą być nieszkodliwe, a nawet łagodne, używane do zwalczania komórek rakowych lub badania farmakologicznego działania niektórych leków poprzez znakowanie radioaktywne.

Z drugiej strony inne promieniowanie przy minimalnym kontakcie jest destrukcyjne i zabójcze. Niestety kilka z najgorszych katastrof w historii nosi symbol radioaktywności (radioaktywna koniczyna, górne zdjęcie).

Od broni jądrowej po epizody w Czarnobylu i nieszczęścia związane z odpadami radioaktywnymi i ich wpływem na dziką przyrodę - istnieje wiele katastrof spowodowanych energią jądrową. Ale z drugiej strony energia jądrowa gwarantowałaby niezależność od innych źródeł energii i powodowanych przez nie problemów związanych z zanieczyszczeniem.

Byłaby to (prawdopodobnie) czysta energia, zdolna do zasilania miast na wieczność, a technologia przekroczyłaby swoje ziemskie ograniczenia.

Aby to wszystko osiągnąć najniższym kosztem ludzkim (i planetarnym), potrzebne są programy i wysiłki naukowe, technologiczne, ekologiczne i polityczne w celu „ujarzmienia” i „naśladowania” energii jądrowej w sposób bezpieczny i korzystny dla ludzkości i jej wzrostu. energetyczny.

Historia chemii jądrowej

Świt

Pozostawiając alchemików i ich kamień filozoficzny w przeszłości (chociaż ich wysiłki przyniosły owoce o żywotnym znaczeniu dla zrozumienia chemii), chemia jądrowa narodziła się, gdy po raz pierwszy wykryto to, co jest znane jako radioaktywność.

Wszystko zaczęło się od odkrycia promieni rentgenowskich przez Wilhelma Conrada Röntgena (1895) na Uniwersytecie w Wurzburgu. Badał promienie katodowe, kiedy zauważył, że wytwarzają one dziwną fluorescencję, nawet przy wyłączonym urządzeniu, zdolną do penetracji nieprzezroczystego czarnego papieru pokrywającego rurki, w których przeprowadzano eksperymenty.

Henri Becquerel, zmotywowany odkryciami promieni rentgenowskich, zaprojektował własne eksperymenty, aby zbadać je przy użyciu soli fluorescencyjnych, które zaciemniły klisze fotograficzne, chronione czarnym papierem, gdy były pod wpływem światła słonecznego.

Okazało się przypadkowo (ponieważ pogoda w Paryżu była wtedy pochmurna), że sole uranu zasłaniały płyty fotograficzne, niezależnie od padającego na nie źródła światła. Następnie doszedł do wniosku, że znalazł nowy rodzaj promieniowania: radioaktywność.

Praca małżonków Curie

Prace Becquerela posłużyły jako źródło inspiracji dla Marii Curie i Piotra Curie do zgłębienia zjawiska radioaktywności (termin ukuty przez Marie Curie).

W związku z tym poszukiwali innych minerałów (oprócz uranu), które również wykazywały tę właściwość, stwierdzając, że minerał blendy smołowej jest jeszcze bardziej radioaktywny i dlatego musi zawierać inne substancje radioaktywne. W jaki sposób? Porównując prądy elektryczne generowane przez jonizację cząsteczek gazu wokół próbek.

Po latach żmudnych prac wydobywczych i pomiarów radiometrycznych wydobył radioaktywne pierwiastki rad (100 mg z próbki 2000 kg) i polon z mineralnej blendy smołowej. Curie określił również radioaktywność pierwiastka toru.

Niestety, do tego czasu zaczęto odkrywać szkodliwe skutki takiego promieniowania.

Pomiary radioaktywności zostały ułatwione dzięki opracowaniu licznika Geigera (mając Hansa Geigera jako współtwórcę artefaktu).

Frakcjonowanie jądra komórkowego

Ernest Rutherford zauważył, że każdy radioizotop miał swój własny czas rozpadu, niezależny od temperatury i zmieniał się wraz ze stężeniem i właściwościami jąder.

Wykazał również, że te rozpady radioaktywne są zgodne z kinetyką pierwszego rzędu, których okresy półtrwania (t _1/2 ) są nadal bardzo przydatne. Zatem każda substancja emitująca radioaktywność ma różne t _1/2 , które wahają się od sekund, dni do milionów lat.

Oprócz powyższego zaproponował model atomowy w wyniku wyników swoich eksperymentów naświetlających bardzo cienką warstwę złota cząstkami alfa (jądra helu). Pracując ponownie z cząstkami alfa, osiągnął transmutację atomów azotu w atomy tlenu; innymi słowy, udało mu się przekształcić jeden element w inny.

W ten sposób od razu wykazano, że atom nie jest niepodzielny, a tym bardziej, gdy był bombardowany przez przyspieszone cząstki i „wolne” neutrony.

Kierunek studiów

Praktyka i teoria

Osoby, które zdecydują się zostać specjalistami z zakresu chemii jądrowej, mogą wybierać spośród kilku kierunków studiów lub badań, a także różnych dziedzin pracy. Podobnie jak wiele gałęzi nauki, mogą oni poświęcić się praktyce lub teorii (lub obu jednocześnie) w odpowiadających im dziedzinach.

Filmowy przykład można zobaczyć w filmach o superbohaterach, w których naukowcy nakłaniają osobę do nabycia super mocy (takich jak Hulk, fantastyczna czwórka, Spiderman i Doctor Manhattan).

W prawdziwym życiu (przynajmniej powierzchownie) chemicy jądrowi starają się zamiast tego zaprojektować nowe materiały zdolne wytrzymać olbrzymią odporność jądrową.

Materiały te, podobnie jak oprzyrządowanie, muszą być wystarczająco niezniszczalne i specjalne, aby odizolować emisję promieniowania i olbrzymie temperatury wyzwalane podczas inicjowania reakcji jądrowych; zwłaszcza te związane z syntezą jądrową.

W teorii mogą zaprojektować symulacje, aby najpierw oszacować wykonalność niektórych projektów i jak je ulepszyć przy najniższych kosztach i negatywnym wpływie; lub modele matematyczne, które pozwalają rozwikłać nierozwiązane tajemnice jądra.

Podobnie badają i proponują sposoby przechowywania i / lub przetwarzania odpadów radioaktywnych, ponieważ rozkładanie trwa miliardy lat i powoduje duże zanieczyszczenie.

Typowe prace

Oto krótka lista typowych prac, które może wykonywać chemik nuklearny:

-Bezpośrednie badania w laboratoriach rządowych, przemysłowych lub akademickich.

-Przetwarzaj setki danych za pomocą pakietów statystycznych i analizy wielowymiarowej.

- Prowadzą zajęcia na uniwersytetach.

-Rozwój bezpiecznych źródeł radioaktywności do różnych zastosowań z udziałem ogółu społeczeństwa lub do użytku w urządzeniach lotniczych.

-Projektowanie technik i urządzeń wykrywających i monitorujących promieniotwórczość w środowisku.

-Gwarancja, że ​​warunki laboratoryjne są optymalne do obchodzenia się z materiałami radioaktywnymi; którymi nawet manipulują za pomocą robotycznych ramion.

-Jako technicy konserwują dozymetry i zbierają próbki radioaktywne.

Obszary

W poprzedniej części opisano ogólnie, jakie są zadania chemika jądrowego w jego miejscu pracy. Teraz trochę więcej jest sprecyzowanych na temat różnych obszarów, w których obecne jest wykorzystanie lub badanie reakcji jądrowych.

Radiochemia

W radiochemii bada się sam proces promieniowania. Oznacza to, że analizuje dogłębnie wszystkie radioizotopy, a także ich czas rozpadu, uwalniane przez nie promieniowanie (alfa, beta lub gamma), ich zachowanie w różnych środowiskach i możliwe zastosowania.

Jest to prawdopodobnie dziedzina chemii jądrowej, która obecnie najbardziej się rozwinęła w porównaniu z innymi. Zajmował się inteligentnym i przyjaznym wykorzystaniem radioizotopów i umiarkowanych dawek promieniowania.

Energia nuklearna

W tej dziedzinie chemicy jądrowi wraz z badaczami z innych specjalności badają i projektują bezpieczne i dające się kontrolować metody wykorzystania energii jądrowej wytwarzanej przez rozszczepienie jąder atomowych; to znaczy jego frakcjonowania.

Podobnie proponuje się zrobić to samo z reakcjami fuzji jądrowej, na przykład w przypadku tych, którzy chcieliby oswoić małe gwiazdy, które dostarczają im energii; z przeszkodą, że warunki są przytłaczające i nie ma fizycznego materiału, który byłby w stanie im się oprzeć (wyobraź sobie zamknięcie słońca w klatce, która nie topi się z powodu intensywnego ciepła).

Energia jądrowa może być z powodzeniem wykorzystana do celów charytatywnych lub wojennych, przy opracowywaniu większej ilości broni.

Przechowywanie i odpady

Problem, który stanowią odpady jądrowe, jest bardzo poważny i groźny. Z tego powodu na tym obszarze są oddani opracowywaniu strategii „uwięzienia ich” w taki sposób, aby promieniowanie, które emitują, nie przenikało do ich skorupy zabezpieczającej; powłoka, która musi być w stanie wytrzymać trzęsienia ziemi, powodzie, wysokie ciśnienie i temperaturę itp.

Sztuczna radioaktywność

Wszystkie pierwiastki transuranowe są radioaktywne. Zostały zsyntetyzowane różnymi technikami, w tym: bombardowaniem jąder neutronami lub innymi przyspieszonymi cząstkami.

W tym celu wykorzystano akceleratory liniowe lub cyklotrony (które mają kształt litery D). Wewnątrz nich cząsteczki są przyspieszane do prędkości bliskich prędkości światła (300 000 km / s), a następnie zderzają się z celem.

W ten sposób narodziło się kilka sztucznych, radioaktywnych pierwiastków, a ich obfitość na Ziemi jest zerowa (chociaż mogą naturalnie występować w regionach Kosmosu).

W niektórych akceleratorach siła zderzeń jest taka, że ​​następuje rozpad materii. Analizując fragmenty, które są trudne do wykrycia ze względu na ich krótką żywotność, można było dowiedzieć się więcej o kompendium cząstek atomowych.

Aplikacje

Wieże chłodnicze elektrowni jądrowej. Źródło: Pixabay.

Powyższy obrazek przedstawia dwie wieże chłodnicze charakterystyczne dla elektrowni jądrowych, których elektrownia może zaopatrywać całe miasto w energię elektryczną; na przykład fabryka Springfield, w której pracuje Homer Simpson, należąca do pana Burnsa.

Następnie elektrownie jądrowe wykorzystują energię uwolnioną z reaktorów jądrowych do zaspokojenia potrzeb energetycznych. To idealne i obiecujące zastosowanie chemii jądrowej: nieograniczona energia.

W całym artykule wspominano w sposób dorozumiany o licznych zastosowaniach chemii jądrowej. Poniżej przedstawiono inne aplikacje, które nie są tak oczywiste, ale są obecne w życiu codziennym.

Medycyna

Jedną z technik sterylizacji materiału chirurgicznego jest naświetlanie go promieniowaniem gamma. To całkowicie niszczy mikroorganizmy, które mogą być siedliskiem. Proces jest zimny, więc niektóre materiały biologiczne, wrażliwe na wysokie temperatury, również mogą być poddawane takim dawkom promieniowania.

Działanie farmakologiczne, dystrybucję i eliminację nowych leków ocenia się za pomocą radioizotopów. Dzięki detektorowi emitowanego promieniowania można uzyskać rzeczywisty obraz rozkładu leku w organizmie.

Ten obraz pozwala określić, jak długo lek działa na określoną tkankę; jeśli nie wchłania się prawidłowo lub jeśli pozostaje w pomieszczeniu dłużej niż jest to wystarczające.

Konserwacja żywności

Podobnie przechowywana żywność może być napromieniowana umiarkowaną dawką promieniowania gamma. Odpowiada za eliminację i niszczenie bakterii, dzięki czemu żywność pozostaje jadalna przez dłuższy czas.

Na przykład opakowanie truskawek można zachować świeżość nawet po 15 dniach przechowywania przy użyciu tej techniki. Promieniowanie jest tak słabe, że nie przenika przez powierzchnię truskawek; dlatego nie są skażone ani nie stają się „radioaktywnymi truskawkami”.

Wykrywacze dymu

W czujnikach dymu jest tylko kilka miligramów ameryku ( ²⁴¹ Am). Ten radioaktywny metal w tych ilościach wykazuje promieniowanie nieszkodliwe dla ludzi przebywających pod dachami.

²⁴¹ Am emituje cząstki alfa o niskiej energii i promieniowanie gamma, promienie te będących w stanie uniknąć detektora. Cząsteczki alfa jonizują cząsteczki tlenu i azotu w powietrzu. Wewnątrz detektora różnica napięcia zbiera i porządkuje jony, wytwarzając niewielki prąd elektryczny.

Jony trafiają do różnych elektrod. Kiedy dym dostaje się do wewnętrznej komory czujki, pochłania cząsteczki alfa, a jonizacja powietrza zostaje zakłócona. W konsekwencji następuje zatrzymanie prądu elektrycznego i aktywacja alarmu.

Eliminacja szkodników

W rolnictwie do zabijania niepożądanych owadów na uprawach stosowano umiarkowane promieniowanie. W ten sposób unika się stosowania silnie zanieczyszczających insektycydów. Zmniejsza to negatywny wpływ na gleby, wody gruntowe i same uprawy.

Randki

Za pomocą radioizotopów można określić wiek niektórych obiektów. W badaniach archeologicznych jest to bardzo interesujące, ponieważ pozwala na oddzielenie próbek i umieszczenie ich w odpowiednim czasie. Radioizotopem używanym w tym zastosowaniu jest węgiel 14 ( ¹⁴ C) par excellence . Jego t _1/2 wynosi 5700 lat, a próbki mogą być datowane nawet na 50 000 lat.

Rozpad ¹⁴ C został wykorzystany zwłaszcza do próbek biologicznych, szkieletów, skamieniałości itp. Inne radioizotopy, takie jak ²⁴⁸ U, mają t _1/2 miliona lat. Następnie mierząc stężenie ²⁴⁸ U w próbce meteorytów, osadów i minerałów, można określić, czy jest to ten sam wiek co Ziemia.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Frank Kinard. (2019). Chemia jądrowa. Odzyskane z: chemistryexplained.com
3. Chemia jądrowa. (sf). Odzyskany z: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Kalendarium historii chemii jądrowej. Poprzedzają. Odzyskany z: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Odkrycie radioaktywności. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
6. Scottsdale Brenda. (sf). Jakie rodzaje pracy wykonują chemicy jądrowi? Praca - Chron.com. Odzyskany z: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Chemia jądrowa. Odzyskane z: en.wikipedia.org
8. Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne. (2019). Chemia jądrowa. Kariera w chemii. Odzyskany z: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Medyczne, rolnicze i przemysłowe zastosowania technologii jądrowej. Pacific Northwest National Laboratory.