NUKLEÁRIS KÉMIA: TÖRTÉNELEM, TANULMÁNYI TERÜLET, TERÜLETEK, ALKALMAZÁSOK - KÉMIA - 2025

A nukleáris kémia az anyag jelenségének termékjellemzőiben az atommagokban bekövetkező változások tanulmányozása; nem tanulmányozza az elektronok kölcsönhatásának módját, vagy a kötődésüket ugyanazon vagy más elem többi atomjával.

A kémia ezen ága ezután a magokra és a felszabaduló energiákra összpontosít, amikor részecskéik egy részét hozzáadják vagy elveszítik; amelyeket nukleonoknak nevezünk, és amelyek kémiai szempontból lényegében protonokból és neutronokból állnak.

Radioaktív lóhere. Forrás: Pixabay.

Sok nukleáris reakció a protonok és / vagy a neutronok számának megváltozásából áll, amelynek következménye az egyik elem átalakulása a másikba; az alkimisták ősi álma, akik hiába próbálták az ólomfémet aranymá alakítani.

Ez a nukleáris reakciók talán legmeglepőbb tulajdonsága. Az ilyen átalakulások azonban óriási mennyiségű energiát bocsátanak ki, valamint olyan gyorsított részecskéket is, amelyek a hozzájuk kapcsolódó energiától függően képesek behatolni és elpusztítani a körülötte lévő anyagot (például sejtjeink DNS-ét).

Vagyis egy nukleáris reakcióban különféle típusú sugárzások bocsátanak ki, és amikor egy atom vagy izotóp sugárzást bocsát ki, azt radioaktívnak (radionuklidok) mondják. Egyes sugárzások ártalmatlanok és akár jóindulatúak lehetnek a rákos sejtek leküzdésére vagy bizonyos gyógyszerek farmakológiai hatásának tanulmányozására radioaktív jelöléssel.

Más sugárzások viszont pusztítóak és halálosak a minimális érintkezésnél. Sajnos a történelem több legsúlyosabb katasztrófája a radioaktivitás szimbólumát hordozza (radioaktív lóhere, felső kép).

A nukleáris fegyverektől a csernobili epizódokig, a radioaktív hulladékok szerencsétlenségétől és annak vadon élő állatokra gyakorolt ​​hatásaitól sok katasztrófa vált ki az atomenergia által. De másrészt az atomenergia garantálná függetlenségét más energiaforrásoktól és az általuk okozott szennyezés problémáitól.

Ez valószínűleg tiszta energia lenne, amely képes örökkévalóságig táplálni a városokat, és a technológia meghaladná földi határait.

Mindez a legalacsonyabb emberi (és bolygóbeli) költség elérése érdekében tudományos, technológiai, ökológiai és politikai programokra és erőfeszítésekre van szükség az atomenergia biztonságos és előnyös módon történő megszelídítésére és utánozására az emberiség és annak növekedése szempontjából. energikus.

A nukleáris kémia története

Hajnal

Ha elhagyták az alkimistákat és filozófusuk kőét a múltban (bár erőfeszítéseik a kémia megértéséhez létfontosságú eredményeket hoztak), akkor a nukleáris kémia akkor született, amikor először észlelték a radioaktivitást.

Az egész azzal kezdődött, hogy a röntgenfelvételeket Wilhelm Conrad Röntgen (1895) fedezte fel a Wurzburgi Egyetemen. A katódsugarakat tanulmányozta, amikor észrevette, hogy azok furcsa fluoreszcenciát eredményeznek, még akkor is, ha a készülék ki van kapcsolva, amely képes áthatolni az átlátszatlan fekete papíron, amely eltakarja a csöveket, amelyekben a kísérleteket elvégezték.

Henri Becquerel, a röntgenfelfedezések motiválta, saját kísérleteit tervezte, hogy fluoreszcens sók felhasználásával tanulmányozzák azokat, amelyek sötétítették a fotólemezeket, amelyeket fekete papír védett, amikor a napfény izgatotta őket.

Véletlennek találták (mivel abban az időben Párizsban felhős idő volt), hogy az uránsók eltakarították a fotólemezeket, függetlenül a rájuk eső fényforrástól. Ezután arra a következtetésre jutott, hogy új típusú sugárzást talált: radioaktivitást.

A Curie házastársainak munkái

Becquerel munkája inspirációt nyújtott Marie Curie és Pierre Curie számára a radioaktivitás jelenségéhez (egy Marie Curie által létrehozott kifejezés).

Így más ásványokat kerestek (az urán mellett), amelyek szintén bemutatták ezt a tulajdonságot, és megállapították, hogy az ásványi szurokkötés még radioaktívabb, és ezért más radioaktív anyagokkal kell rendelkeznie. Hogyan? A minták körüli gázmolekulák ionizációja által generált elektromos áramok összehasonlításával.

Sok éves fárasztó extrakciós munka és radiometriai mérések után a rádium (100 mg egy 2000 kg-os mintából) és polóniumot extrahálta az ásványi hangmagasságból. Curie ezenkívül meghatározta a tórium elem radioaktivitását.

Sajnos addigra már kezdett felfedezni az ilyen sugárzás káros hatásait.

A radioaktivitás mérését megkönnyítették a Geiger-számláló kifejlesztésével (amelynek Hans Geiger volt az együttes feltalálója).

Magos frakcionálás

Ernest Rutherford megfigyelte, hogy minden egyes radioizotópnak megvan a saját bomlási ideje, függetlenül a hőmérséklettől, és ez változik a magok koncentrációjától és jellemzőitől függően.

Azt is bebizonyította, hogy ezek a radioaktív bomlások engedelmeskednek az elsőrendű kinetikának, amelynek felezési ideje (t _1/2) továbbra is nagyon hasznos. Így minden egyes radioaktivitást kibocsátó anyag eltérő t _{1/2-vel rendelkezik}, amely másodpercekből, napokból és több millió évig terjed.

A fentiek mellett egy olyan atomi modellt javasolt, amelynek eredményeként egy nagyon vékony aranylapot alfa-részecskékkel (héliummagokkal) besugárztak. Az alfa-részecskékkel való újbóli együttműködéssel elérte a nitrogénatomok oxigénatomokká történő transzmutációját; más szóval, sikerült átalakítania az egyik elemet a másikba.

Ezzel egyszerre megmutatták, hogy az atom nem oszthatatlan, és még kevésbé, ha gyorsított részecskék és "lassú" neutronok bombázzák.

Tanulmányi terület

Gyakorlat és elmélet

Azok, akik úgy döntnek, hogy részévé válnak a nukleáris kémiai szakembereknek, számos tanulmányi vagy kutatási terület közül választhatnak, valamint különféle munkaterületekre is. Mint sok tudományág, a gyakorlatban vagy az elméletben (vagy egyszerre mindkettőben) szentelhetők a megfelelő területeken.

Filmszínű példa a szuperhős filmekben, ahol a tudósok arra késztenek egyént, hogy szuperhatalmakat szerezzen (például a Hulk, a fantasztikus négy, a Pókember és a Doktor Manhattan).

A valós életben (legalábbis felületesen) a nukleáris vegyészek inkább új anyagokat terveznek megtervezni, amelyek képesek ellenállni a hatalmas nukleáris ellenállásnak.

Ezeknek az anyagoknak, mint például a műszereknek, elpusztíthatatlanoknak és annyira speciálisaknak kell lenniük, hogy elkülönítsék a sugárzás kibocsátását és a nukleáris reakciók megindításakor szabaddá vált óriási hőmérsékleteket; különösen a nukleáris fúzióé.

Elméletben szimulációkat tudnak kidolgozni, hogy előbb becsüljék meg egyes projektek megvalósíthatóságát, és hogyan javíthatják azokat a lehető legkisebb költség mellett és negatív hatással; vagy matematikai modellek, amelyek lehetővé teszik a mag függőben lévő rejtélyeinek kibontását.

Hasonlóképpen tanulmányozzák és javaslatot tesznek a nukleáris hulladékok tárolására és / vagy kezelésére, mivel több milliárd évig tart a bomlás, és nagyon szennyező.

Tipikus munkahelyek

Itt található egy rövid lista a tipikus munkákról, amelyeket a nukleáris vegyészek elvégezhetnek:

- Közvetlen kutatás kormányzati, ipari vagy tudományos laboratóriumokban.

-Feldolgozza az adatok százaidat statisztikai csomagok és többváltozós elemzés révén.

- Tanítanak órákat egyetemeken.

- Biztonságos radioaktivitás-forrásokat dolgozzon ki különféle alkalmazásokban, közönség részvételével, vagy repülési és űrjárművekben történő felhasználásra.

-Dizájn technikák és eszközök, amelyek detektálják és ellenőrzik a környezet radioaktivitását.

- Gondoskodni arról, hogy a laboratóriumi körülmények optimálisak legyenek a radioaktív anyagok kezelésére; amelyeket robot robotokkal is manipulálnak.

- Mûszaki szakembereknek tartják a dozimétereket és radioaktív mintákat gyűjtenek.

területek

Az előző szakasz általánosságban ismertette, hogy mi a nukleáris vegyész feladata a munkahelyén. Most egy kicsit részletesebben meghatározzuk azokat a területeket, amelyekben jelen van a nukleáris reakciók felhasználása vagy tanulmányozása.

Radiokémiai

A radiokémiában maga a sugárzási folyamatot tanulmányozzák. Ez azt jelenti, hogy alaposan megvizsgálja az összes radioizotópot, valamint a bomlási idejét, az általuk kibocsátott sugárzást (alfa, béta vagy gamma), viselkedést a különféle környezetekben és lehetséges alkalmazásukat.

Talán ez a nukleáris kémia az a terület, amely napjainkban a legjobban haladt a többihez képest. Ő felelős a radioizotópok és a mérsékelt dózisú sugárzás intelligens és barátságos módon történő felhasználásáért.

Nukleáris energia

Ezen a területen a nukleáris vegyészek más szakterületek kutatóival együtt biztonságos és ellenőrizhető módszereket tanulmányozzák és tervezik, hogy kihasználják a magok hasadásával előállított nukleáris energiát; vagyis a frakcionálása.

Hasonlóképpen javasoljuk, hogy tegye ugyanezt a magfúziós reakciókkal, például azokkal, akik szeretnék megszelídíteni az energiájukat nyújtó kis csillagokat; azzal a akadályoztatással, hogy a körülmények túlnyomóak, és nincs olyan fizikai anyag, amely képes ellenállni nekik (képzelje el, ha bezárja a nap ketrecbe, amely nem olvad el az intenzív hő hatására).

Az atomenergia felhasználható jótékonysági célokra, vagy háborús célokra további fegyverek kifejlesztéséhez.

Tárolás és hulladék

A nukleáris hulladék problémája nagyon súlyos és fenyegető. Ez az oka annak, hogy ezen a területen elkötelezik magukat olyan stratégiák kidolgozására, amelyek „bebörtönzik” őket oly módon, hogy az általuk kibocsátott sugárzás ne kerüljön át a tartályba; héj, amelynek képesnek kell lennie ellenállni a földrengéseknek, áradásoknak, magas nyomásnak és hőmérsékletnek stb.

Mesterséges radioaktivitás

Az összes transzurán elem radioaktív. Ezeket különféle technikákkal szintetizálták, beleértve: magok bombázását neutronokkal vagy más gyorsított részecskékkel.

Ehhez lineáris gyorsítókat vagy ciklotronokat (amelyek D alakúak) használtak. Benne a részecskéket a fény sebességéhez közeli sebességre gyorsítják (300 000 km / s), majd ütköznek egy célponttal.

Így számos mesterséges, radioaktív elem született, és a Földön nincsenek bőségük (bár természetesen létezhetnek a Kozmosz térségeiben).

Néhány gyorsítóban az ütközések ereje olyan, hogy az anyag szétesik. A rövid élettartamuk miatt alig észlelhető fragmentumok elemzésével lehetőség nyílt az atomrészecskék összetételének megismerésére.

Alkalmazások

Atomerőmű hűtőtornyai. Forrás: Pixabay.

A fenti képen két nukleáris erőművekre jellemző hűtőtorony látható, amelyek erőművei egész várost láthatnak el árammal; például a Springfield üzem, ahol Homer Simpson dolgozik, és Burns úr tulajdonában van.

Ezután az atomerőművek az atomreaktorokból felszabaduló energiát energiaigény kielégítésére használják fel. Ez a nukleáris kémia ideális és ígéretes alkalmazása: korlátlan energia.

A cikk egészében hallgatólagosan megemlítették a nukleáris kémia számos alkalmazását. Egyéb, nem olyan nyilvánvaló alkalmazások, amelyek a mindennapi életben megtalálhatók, a következők.

Gyógyszer

A műtéti anyag sterilizálásának egyik technikája a gamma-sugárzással történő besugárzás. Ez teljesen elpusztítja azokat a mikroorganizmusokat, amelyekbe esetleg bennük tárulnak. A folyamat hideg, ezért bizonyos biológiai anyagok, amelyek érzékenyek a magas hőmérsékletre, szintén ki vannak téve ilyen sugárterhelésnek.

Az új gyógyszerek farmakológiai hatását, eloszlását és eliminációját radioizotópok alkalmazásával értékelik. A kibocsátott sugárzásdetektor segítségével valódi képet kaphat a gyógyszer eloszlásáról a testben.

Ez a kép lehetővé teszi annak meghatározását, hogy a gyógyszer milyen hosszú ideig hat egy adott szöveten; ha nem képes megfelelően felszívódni, vagy ha megfelelő ideig hosszabb ideig marad bent a helyiségben.

Élelmiszer-tartósítás

Hasonlóképpen, a tárolt ételeket mérsékelt dózisú gamma-sugárzással lehet besugárzni. Ez felelős a baktériumok eltávolításáért és megsemmisítéséért, valamint az élelmiszerek hosszabb ideig történő ehető állapotában tartásáért.

Például egy epercsomag frissen tartható akár 15 napos tárolás után is, ezzel a technikával. A sugárzás olyan gyenge, hogy nem hatol át a szamóca felületén; ezért nem szennyezettek, és nem válnak "radioaktív eperré".

Füstérzékelők

A füstérzékelőkben csak néhány milligramm americium (²⁴¹ Am) van. Ilyen mennyiségű radioaktív fém a tetők alatt jelen lévő emberek számára ártalmatlan sugárzást mutat.

A ²⁴¹ Am alacsony energiájú alfa-részecskéket és gamma-sugarakat bocsát ki, ezek a sugarak képesek elmenekülni az érzékelőből. Az alfa részecskék ionizálják a levegőben lévő oxigén- és nitrogénmolekulákat. Az érzékelőn belül egy feszültségkülönbség összegyűjti és elrendeli az ionokat, enyhe elektromos áramot generálva.

Az ionok különböző elektródokon végződnek. Amikor a füst belép az érzékelő belső kamrájába, az alfa-részecskéket abszorbeálja, és a levegő ionizációja megszakad. Következésképpen az elektromos áram leáll és riasztás aktiválódik.

A kártevők felszámolása

A mezőgazdaságban a mérsékelt sugárzást használják a nemkívánatos rovarok elpusztítására a növényeken. Így elkerülhető az erősen szennyező rovarirtó szerek használata. Ez csökkenti a talajra, a talajvízre és a növényekre gyakorolt ​​negatív hatást.

Ismerkedés

Radioizotópok segítségével meghatározható bizonyos objektumok életkora. A régészeti kutatások során ez nagy érdeklődésre számít, mivel lehetővé teszi a minták szétválasztását és a megfelelő időpontokba történő behelyezését. Az alkalmazáshoz felhasznált radioizotóp szén 14 (¹⁴ C) par excellence. T _1/2 5700 éves, és a minták akár 50 000 éves lehetek.

A ¹⁴ C lebomlását különösen biológiai minták, csontvázak, kövületek stb. Más radioizotópok, mint például a ²⁴⁸ U, t _1/2 millió évesek. Azután, hogy megmérjük a meteoritok, üledékek és ásványok mintájának ²⁴⁸ U koncentrációját, meg lehet határozni, hogy az azonos korú-e a Földdel.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.
2. Frank Kinard. (2019). Nukleáris kémia. Helyreállítva: chemistryexplained.com
3. Nukleáris kémia. (Sf). Helyreállítva: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). A nukleáris kémia történetének ütemterve. Előznek meg. Helyreállítva: preceden.com
5. Sarah E. és Nyssa S. (második). Radioaktivitás felfedezése. Kémia LibreTexts. Helyreállítva: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (Sf). Milyen típusú munkákat végeznek a nukleáris vegyészek? Munka - Chron.com. Helyreállítva: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Nukleáris kémia. Helyreállítva: en.wikipedia.org
8. American Chemical Society. (2019). Nukleáris kémia. Kémiai karrier. Helyreállítva: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). A nukleáris technológia orvosi, mezőgazdasági és ipari alkalmazásai. Csendes-óceán északnyugati nemzeti laboratóriuma.