NUKLEARNA KEMIJA: POVIJEST, POLJE STUDIJA, PODRUČJA, PRIMJENE - KEMIJA - 2025

Nuklearna kemija je proučavanje promjena u svojstvima proizvoda iz pojava tvari došlo u jezgri atoma; ne proučava način na koji njegovi elektroni djeluju ili njihove veze s drugim atomima istog ili različitog elementa.

Ova grana kemije tada se usredotočuje na jezgre i energije koje se oslobađaju kada dodaju ili izgube dio svojih čestica; koji se nazivaju nukleonima i koji se u kemijske svrhe u osnovi sastoje od protona i neutrona.

Radioaktivna djetelina. Izvor: Pixabay.

Mnoge nuklearne reakcije sastoje se od promjene u broju protona i / ili neutrona, što ima za posljedicu transformaciju jednog elementa u drugi; drevni san alkemičara, koji su uzalud pokušavali pretvoriti metal od olova u zlato.

Ovo je možda najviše iznenađujuće svojstvo nuklearnih reakcija. Međutim, takve transformacije oslobađaju ogromne količine energije, kao i ubrzane čestice koje uspijevaju prodrijeti i uništiti materiju oko sebe (poput DNK naših stanica), ovisno o pripadajućoj energiji.

Odnosno, u nuklearnoj reakciji se oslobađaju različite vrste zračenja, a kada atom ili izotop oslobađaju zračenje, kaže se da je radioaktivno (radionuklidi). Neka zračenja mogu biti bezopasna i čak benigna, koja se koriste u borbi protiv stanica raka ili proučavanju farmakološkog učinka određenih lijekova radioaktivnim označavanjem.

S druge strane, druga zračenja su po minimalnom kontaktu destruktivna i smrtonosna. Nažalost, nekoliko najgorih katastrofa u povijesti nosi simbol radioaktivnosti (radioaktivna djetelina, gornja slika).

Od nuklearnog oružja, do događaja u Černobilu i nesreće radioaktivnog otpada i njegovih učinaka na divlje životinje, događa se mnogo katastrofa izazvanih nuklearnom energijom. No, s druge strane, nuklearna energija bi jamčila neovisnost od drugih izvora energije i problema onečišćenja koje uzrokuju.

To bi (vjerojatno) bila čista energija, sposobna da vječno napaja gradove, a tehnologija bi premašila svoje zemaljske granice.

Da bi se sve to postiglo po najnižim ljudskim (i planetarnim) troškovima, potrebni su znanstveni, tehnološki, ekološki i politički programi i napori da se "ukroti" i "oponaša" nuklearna energija na siguran i koristan način za čovječanstvo i njegov rast. energičan.

Povijest nuklearne kemije

Zora

Ostavljajući alkemičare i njihov filozofski kamen u prošlosti (iako su njihovi napori urodili plodom od vitalnog značaja za razumijevanje kemije), nuklearna je kemija nastala kad je prvo otkriveno ono što je poznato kao radioaktivnost.

Sve je počelo otkrićem rendgenskih zraka Wilhelma Conrada Röntgena (1895) na Sveučilištu u Wurzburgu. Proučavao je katodne zrake kad je primijetio da stvaraju neobičnu fluorescenciju, čak i uz isključen uređaj, sposoban da prodire u neprozirni crni papir koji je prekrivao cijevi u kojima su provedeni eksperimenti.

Henri Becquerel, motiviran otkrićima rendgenskih zraka, osmislio je vlastite eksperimente kako bi ih proučavao pomoću fluorescentnih soli, koje su potamnile fotografske ploče, zaštićene crnim papirom, kada su bile uzbuđene sunčevom svjetlošću.

Otkriveno je slučajno (budući da je vrijeme u Parizu bilo oblačno) da su uranove soli zastirale fotografske ploče, bez obzira na izvor svjetlosti koji je padao na njih. Tada je zaključio da je pronašao novu vrstu zračenja: radioaktivnost.

Poslovi supružnika Curie

Becquerelovo djelo poslužilo je kao izvor za nadahnuće Marie Curie i Pierre Curie da udube u fenomen radioaktivnosti (pojam koji je skovao Marie Curie).

Stoga su potražili druge minerale (osim urana) koji su također predstavljali ovo svojstvo, otkrivši da je mineralni smola još više radioaktivan, te da stoga mora imati i druge radioaktivne tvari. Kako? Usporedbom električnih struja nastalih ionizacijom molekula plina oko uzoraka.

Nakon godina napornih radova na vađenju i radiometrijskih mjerenja, iz mineralnog smole izdvojio je radioaktivni elementi radij (100 mg iz uzorka 2000 kg) i polonij. Također, Curie je odredio radioaktivnost elementa torija.

Nažalost, do tada su se štetni učinci takvog zračenja počeli otkrivati.

Mjerenja radioaktivnosti olakšana su s razvojem Geigerovog brojača (Hans Geiger je ko-izumitelj artefakta).

Frakcija nukleusa

Ernest Rutherford uočio je da svaki radioizotop ima svoje vrijeme raspada, neovisno o temperaturi, te da varira u koncentraciji i karakteristikama jezgara.

Također je pokazalo da se ti radioaktivni raspadi pridržavaju kinetike prvog reda, čiji je poluživot (t _1/2) i danas vrlo koristan. Dakle, svaka tvar koja emitira radioaktivnost ima različitu t _1/2, koja se kreće u sekundi, danima, pa do milijunima godina.

Uz sve gore navedeno, predložio je atomski model kao rezultat rezultata svojih pokusa ozračivanjem vrlo tankog lima zlata s alfa česticama (jezgre helija). Radeći opet s alfa česticama, postigao je transmutaciju dušikovih atoma do atoma kisika; drugim riječima, uspio je jedan element pretvoriti u drugi.

Pri tome se odjednom pokazalo da atom nije nedjeljiv, a još manje kad su ga bombardirali ubrzane čestice i "spori" neutroni.

Područje proučavanja

Praksa i teorija

Oni koji se odluče postati dijelom stručnjaka za nuklearnu kemiju, mogu birati između nekoliko područja studija ili istraživanja, kao i različitih područja rada. Kao i mnoge grane znanosti, mogu se posvetiti praksi ili teoriji (ili obje istovremeno) u odgovarajućim područjima.

Kinematografski primjer vidi se u filmovima o superherojima, gdje znanstvenici dobivaju pojedinca da stječe super moći (poput Hulka, fantastične četvorke, Spidermana i Doktora Manhattana).

U stvarnom životu (barem površno) nuklearni kemičari umjesto toga nastoje dizajnirati nove materijale koji bi mogli izdržati ogromnu nuklearnu otpornost.

Ti materijali, poput instrumenata, moraju biti dovoljno neuništiva i posebna da izoliraju emisiju zračenja i ogromne temperature koje se oslobađaju tijekom pokretanja nuklearnih reakcija; posebno one nuklearne fuzije.

Teoretski, oni mogu osmisliti simulacije kako bi prvo procijenili izvedivost određenih projekata i kako ih poboljšati uz najnižu cijenu i negativan utjecaj; ili matematičkim modelima koji omogućuju otkrivanje nuklearnih tajni.

Isto tako, oni proučavaju i predlažu načine skladištenja i / ili obrade nuklearnog otpada, jer im je potrebno nekoliko milijardi godina da se razgrade i jako onečišćuju.

Tipični poslovi

Evo kratkog popisa tipičnih poslova koje nuklearni kemičar može obavljati:

- Izravno istraživanje u državnim, industrijskim ili akademskim laboratorijima.

-Opratite stotine podataka statističkim paketima i multivarijantnom analizom.

-Predaju predavanja na sveučilištima.

- Razviti sigurne izvore radioaktivnosti za razne aplikacije koje uključuju širu javnost ili za upotrebu u zrakoplovnim uređajima.

-Dizajnirajte tehnike i uređaje koji otkrivaju i prate radioaktivnost u okolišu.

Zajamčiti da su laboratorijski uvjeti optimalni za rukovanje radioaktivnim materijalom; kojim čak i manipuliraju pomoću robotskih oružja.

- Kao tehničari, održavaju dozimetre i skupljaju radioaktivne uzorke.

područja

U prethodnom je odjeljku općenito opisano koje su zadaće nuklearnog kemičara na njegovom radnom mjestu. Sada je malo više određeno o različitim područjima u kojima je prisutna upotreba ili proučavanje nuklearnih reakcija.

radiokemiji

U radiokemiji se proučava sam proces zračenja. To znači da dubinski razmatra sve radioizotope, kao i njihovo vrijeme propadanja, zračenje koje ispuštaju (alfa, beta ili gama), njihovo ponašanje u različitim okruženjima i njihove moguće primjene.

Ovo je možda područje nuklearne kemije koje je danas najviše napredovalo u usporedbi s ostalim. Bio je zadužen za upotrebu radioizotopa i umjerenih doza zračenja na inteligentan i prijateljski način.

Nuklearna energija

Na ovom području, nuklearni kemičari, zajedno s istraživačima s drugih specijalnosti, proučavaju i dizajniraju sigurne i pod kontrolom metode kako bi iskoristili nuklearnu energiju proizvedenu cijepanjem jezgara; to jest njegove frakcije.

Isto tako, predlaže se isto učiniti s reakcijama nuklearne fuzije, kao oni koji žele ukrotiti male zvijezde koje doprinose njihovoj energiji; s preprekom da su uvjeti neodoljivi i da nema fizičkog materijala koji bi im mogao odoljeti (zamislite zatvaranje sunca u kavez koji se ne topi zbog jake vrućine).

Nuklearna energija može se dobro koristiti u dobrotvorne svrhe ili u ratne svrhe za razvoj više oružja.

Skladištenje i otpad

Problem koji predstavlja nuklearni otpad je vrlo ozbiljan i prijeteći. Iz tog razloga su na ovom području posvećeni osmišljavanju strategija za njihovo „zatvaranje“ na način da zračenje koje emitiraju ne prodre u njihovu školjku za zadržavanje; školjka koja mora biti u stanju izdržati potrese, poplave, visoke pritiske i temperature itd.

Umjetna radioaktivnost

Svi transuranski elementi su radioaktivni. Sintetizirani su korištenjem različitih tehnika, uključujući: bombardiranje jezgara neutronima ili drugim ubrzanim česticama.

Za to su korišteni linearni akceleratori ili ciklotroni (koji su u obliku slova D). Unutar njih, čestice se ubrzavaju do brzine bliske brzini svjetlosti (300 000 km / s), a zatim se sudaraju s metom.

Tako se rodilo nekoliko umjetnih, radioaktivnih elemenata, a njihovo obilje na Zemlji je ništavno (iako oni mogu prirodno postojati u predjelima Kozmosa).

U nekim akceleratorima snaga sudara je takva da dolazi do raspada materije. Analizom fragmenata, koji se zbog svog kratkog životnog vijeka teško mogu otkriti, bilo je moguće saznati više o zbiru atomskih čestica.

Prijave

Rashladni tornjevi nuklearne elektrane. Izvor: Pixabay.

Slika iznad prikazuje dva rashladna tornja karakteristična za nuklearne elektrane, čije postrojenje može opskrbiti struju cijeli grad; na primjer, tvornica Springfield u kojoj radi Homer Simpson, a koja je u vlasništvu gospodina Burnsa.

Zatim nuklearne elektrane koriste energiju oslobođenu iz nuklearnih reaktora za opskrbu energetskom potrebom. Ovo je idealna i obećavajuća primjena nuklearne kemije: neograničena energija.

Kroz članak se, implicitno, spominju brojne primjene nuklearne kemije. Ostale aplikacije koje nisu toliko očite, ali su prisutne u svakodnevnom životu, jesu sljedeće u nastavku.

Lijek

Jedna tehnika sterilizacije hirurškog materijala je ozračivanje gama zračenjem. To u potpunosti uništava mikroorganizme koji mogu lučiti. Proces je hladan, tako da se određeni biološki materijali, osjetljivi na visoke temperature, također mogu podvrgnuti takvim dozama zračenja.

Farmakološki učinak, distribucija i eliminacija novih lijekova ocjenjuju se primjenom radioizotopa. Pomoću detektora zračenja možete imati pravu sliku raspodjele lijeka u tijelu.

Ova slika omogućuje utvrđivanje koliko dugo lijek djeluje na određeno tkivo; ako se ne upije pravilno ili ako ostane u zatvorenom mjestu duže nego što je dovoljno.

Konzerviranje hrane

Slično tome, pohranjena hrana može se zračiti umjerenom dozom gama zračenja. Ovo je odgovorno za uklanjanje i uništavanje bakterija, održavanje hrane jestivu duže vrijeme.

Na primjer, paket jagoda može se zadržati svjež čak i nakon 15 dana skladištenja pomoću ove tehnike. Zračenje je toliko slabo da ne prodire na površinu jagoda; i stoga nisu onečišćeni, niti postaju "radioaktivne jagode".

Detektori dima

Unutar detektora dima nalazi se samo nekoliko miligrama amerika (²⁴¹ Am). Ovaj radioaktivni metal u tim količinama pokazuje zračenje bezopasno za ljude prisutne pod krovovima.

²⁴¹ Am emitira niskoenergetske alfa čestice i gama zrake, te zrake se moći izbjeći detektora. Čestice alfe ioniziraju molekule kisika i dušika u zraku. Unutar detektora, razlika napona sakuplja i naređuje ione, proizvodeći malu električnu struju.

Ioni završavaju na različitim elektrodama. Kad dim uđe u unutarnju komoru detektora, on apsorbira alfa čestice, a ionizacija zraka je poremećena. Zbog toga se električna struja zaustavlja i aktivira se alarm.

Eliminacija štetočina

U poljoprivredi se koristi umjereno zračenje za ubijanje nepoželjnih insekata na usjevima. Tako se izbjegava uporaba insekticida koji jako zagađuju. Na taj se način smanjuje negativan utjecaj na tla, podzemne vode i same usjeve.

upoznavanje

Pomoću radioizotopa može se utvrditi starost određenih predmeta. U arheološkim istraživanjima ovo je od velikog interesa jer omogućava da se uzorci odvoje i stave u odgovarajuća vremena. Radioizotop korišten za ovu primjenu je ugljik 14 (¹⁴ C) par excellence. Njegova t _1/2 je 5700 godina, a uzorci se mogu datirati do 50.000 godina.

Propadanje od ¹⁴ ° C koristi se posebno za biološke uzorke, kosture, fosile itd. Ostali radioizotopi, poput ²⁴⁸ U, stari su t _1/2 milijuna godina. Zatim mjerenjem koncentracija ²⁴⁸ U u uzorku meteorita, sedimenata i minerala, može se utvrditi je li ista dob kao i Zemlja.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck i Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.
2. Frank Kinard. (2019). Nuklearna kemija. Oporavilo od: chemistryexplained.com
3. Nuklearna kemija. (SF). Oporavak od: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Vremenska crta za povijest nuklearne kemije. Oni prethode. Oporavilo od: prethodna.hr
5. Sarah E. & Nyssa S. (drugo). Otkrivanje radioaktivnosti. Kemija LibreTexts. Oporavak od: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (SF). Koje vrste poslova rade nuklearni kemičari? Posao - Chron.com. Oporavak od: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Nuklearna kemija. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
8. Američko kemijsko društvo. (2019). Nuklearna kemija. Karijera kemije. Oporavilo sa: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Medicinska, poljoprivredna i industrijska primjena nuklearne tehnologije. Pacifički sjeverozapadni nacionalni laboratorij.