НУКЛЕАРНА ХЕМИЈА: ИСТОРИЈА, ПОЉЕ ПРОУЧАВАЊА, ОБЛАСТИ, ПРИМЕНЕ - ХЕМИЈА - 2025

Нуклеарна хемија је проучавање промена у особинама производа на обзира феномена дошло у језгра атома; не проучава начин на који његови електрони комуницирају или њихове везе са другим атомима истог или различитог елемента.

Ова грана хемије се затим фокусира на језгра и енергије које се ослобађају када додају или изгубе део својих честица; који се називају нуклеонима и који се у хемијске сврхе углавном састоје од протона и неутрона.

Радиоактивна дјетелина. Извор: Пикабаи.

Многе нуклеарне реакције састоје се од промене у броју протона и / или неутрона, што има за последицу трансформацију једног елемента у други; древни сан алхемичара, који су узалуд покушавали да метал од олова постану златом.

Ово је можда највише изненађујуће својство нуклеарних реакција. Међутим, такве трансформације ослобађају огромне количине енергије, као и убрзане честице које успевају да продру и униште материју око себе (као што је ДНК наших ћелија), зависно од њихове припадајуће енергије.

Односно, у нуклеарној реакцији се ослобађају различите врсте зрачења, а када атом или изотоп ослобађа радијацију, каже се да је радиоактивна (радионуклиди). Нека зрачења могу бити безопасна, па чак и бенигна, користе се за борбу против ћелија рака или за проучавање фармаколошког дејства одређених лекова радиоактивним обележавањем.

С друге стране, друга зрачења су деструктивна и смртоносна при минималном контакту. Нажалост, неколико најгорих катастрофа у историји носи симбол радиоактивности (радиоактивна детелина, горња слика).

Од нуклеарног оружја, чернобилских епизода и несреће радиоактивног отпада и његовог утицаја на дивље животиње, догађа се много катастрофа које изазива нуклеарна енергија. Али, с друге стране, нуклеарна енергија би гарантовала независност од других извора енергије и проблема са загађивањем које изазивају.

То би (вероватно) била чиста енергија, способна да вечно напаја градове, а технологија би премашила своје земаљске границе.

Да би се све то постигло по најнижим људским (и планетарним) трошковима, потребни су научни, технолошки, еколошки и политички програми и напори да се „укроти“ и „опонаша“ нуклеарна енергија на сигуран и користан начин за човечанство и њен раст. енергичан.

Историја нуклеарне хемије

Давн

Остављајући алхемичаре и камен њиховог филозофа у прошлости (иако су њихови напори уродили плодом од виталног значаја за разумевање хемије), нуклеарна хемија се родила када је прво откривено оно што је познато као радиоактивност.

Све је почело открићем рендгенских зрака Вилхелма Цонрада Ронтгена (1895) на Универзитету у Вурзбургу. Проучавао је катодне зраке када је приметио да потичу чудну флуоресценцију, чак и када је уређај искључен, способан да продире у непрозиран црни папир који је прекрио цеви које су вршиле експерименте.

Хенри Бецкуерел, мотивиран открићима рендгенских зрака, осмислио је властите експерименте како би их проучавао помоћу флуоресцентних соли, које су потамниле фотографске плоче, заштићене црним папиром, када су их узбуђивале сунчеве светлости.

Случајно је установљено (пошто је време у Паризу било облачно), да су уранијумске соли закривале фотографске плоче, без обзира на извор светлости који је падао на њих. Затим је закључио да је пронашао нову врсту зрачења: радиоактивност.

Послови супружника Цурие

Бецкуерелово дјело послужило је као извор за инспирацију да се Марие Цурие и Пиерре Цурие удубе у феномен радиоактивности (појам који је сковао Марие Цурие).

Тако су потражили и друге минерале (поред уранијума) који су такође представљали ово својство, откривши да је минерална смола још више радиоактивна, те да због тога мора имати и друге радиоактивне супстанце. Како? Упоређивањем електричних струја које настају јонизацијом молекула гаса око узорака.

Након година напорних радова на вађењу и радиометријских мерења, извадио је радиоактивни елементи радијус (100 мг из узорка 2000 кг) и полонијум из минералне смоле. Такође, Цурие је одредио радиоактивност елемента торијума.

Нажалост, до тада су штетни ефекти таквог зрачења почели да се откривају.

Мерења радиоактивности су олакшана развојем Гегеровог бројача (Ханс Геигер је ко-проналазач артефакта).

Фракционација нуклеуса

Ернест Рутхерфорд приметио је да сваки радиоизотоп има своје време распада, независно од температуре, и да варира у концентрацији и карактеристикама језгара.

Такође је показало да се ти радиоактивни распади придржавају кинетике првог реда, чији је полуживот (т _1/2 ) и данас врло користан. Дакле, свака супстанца која емитује радиоактивност има различит т _1/2 , који се креће у секунди, данима, милионима година.

Поред свега наведеног, предложио је атомски модел заснован на резултатима његових експеримената зрачећи веома танким листом злата алфа честицама (хелијумска језгра). Радећи поново с алфа честицама, постигао је трансмутацију атома азота у атоме кисеоника; то јест, успео је да један елемент претвори у други.

При томе се одједном показало да атом није недељив, а још мање када су га бомбардирали убрзане честице и "спори" неутрони.

Област студирања

Пракса и теорија

Они који се одлуче да постану део стручњака за нуклеарну хемију могу да бирају из неколико области учења или истраживања, као и из различитих области рада. Као и многе гране науке, могу се посветити пракси или теорији (или обе истовремено) у одговарајућим областима.

Кинематографски пример виђен је у филмовима о суперхеројима, где научници добијају појединца да стекне супер моћи (попут Хулка, фантастичне четворке, Спидермана и Доктора Манхаттана).

У стварном животу (бар површно) нуклеарни хемичари уместо тога желе да дизајнирају нове материјале који могу да издрже огромну нуклеарну отпорност.

Ови материјали, попут инструмената, морају бити довољно неуништива и посебна да изолирају емисију радијације и огромне температуре ослобођене приликом покретања нуклеарних реакција; посебно оне о нуклеарној фузији.

Теоретски, они могу да осмисле симулације како би прво проценили изводљивост одређених пројеката и како их побољшати уз најнижу цену и негативан утицај; или математичким моделима који омогућавају да се разоткрије чаробна мистерија у току.

Исто тако, они проучавају и предлажу начине складиштења и / или третирања нуклеарног отпада, јер им је потребно неколико милијарди година да се разграде и веома загађују.

Типични послови

Ево кратког списка типичних послова које нуклеарни хемичар може да уради:

-Директно истраживање у државним, индустријским или академским лабораторијама.

-Опратите стотине података статистичким пакетима и мултиваријантном анализом.

- Предавају часове на универзитетима.

-Развојите сигурне изворе радиоактивности за разне апликације које укључују ширу јавност или за употребу у ваздухопловним уређајима.

-Дизајнирајте технике и уређаје који детектују и прате радиоактивност у окружењу.

- гарантовати да су лабораторијски услови оптимални за руковање радиоактивним материјалом; којим чак манипулишу и роботским оружјем.

-Као техничари, одржавају дозиметре и скупљају радиоактивне узорке.

Области

Претходни одељак је опћенито описао који су задаци нуклеарног хемичара на његовом радном месту. Сада је мало више детаља о различитим областима у којима је употреба или проучавање нуклеарних реакција присутно.

Радиохемија

У радиохемији се проучава сам процес зрачења. То значи да дубински разматра све радиоизотопе, као и њихово време распадања, зрачење које испуштају (алфа, бета или гама), њихово понашање у различитим окружењима и њихове могуће примене.

Ово је можда област нуклеарне хемије која је данас највише напредовала у односу на остале. Био је задужен за употребу радиоизотопа и умерених доза зрачења на интелигентан и пријатељски начин.

Нуклеарна енергија

У овој области, нуклеарни хемичари, заједно са истраживачима из других специјалности, проучавају и дизајнирају сигурне и контролисане методе како би искористили предност нуклеарне енергије произведене дељењем језгара; односно његове фракције.

Исто тако, предлаже се да се исто учини са реакцијама нуклеарне фузије, попут оних које желе да укроте мале звезде које пружају њихову енергију; с препреком да су услови превелики и нема физичког материјала који би им могао одољети (замислите затварање сунца у кавез који се не топи због јаке врућине).

Нуклеарна енергија се може користити у добротворне сврхе или у ратне сврхе, у развоју више оружја.

Складиштење и отпад

Проблем који представља нуклеарни отпад је врло озбиљан и пријетећи. Из тог разлога су у овој области посвећени изради стратегија „затварања“ на такав начин да радијација коју емитују не продре у заштитну шкољку; шкољка, која мора бити у стању да издржи земљотресе, поплаве, високе притиске и температуре итд.

Вештачка радиоактивност

Сви трансурански елементи су радиоактивни. Синтетизоване су користећи различите технике, укључујући: бомбардовање језгара са неутронима или другим убрзаним честицама.

За то су коришћени линеарни акцелератори или циклотрони (који су у облику слова Д). Унутар њих, честице се убрзавају до брзине блиске брзини светлости (300 000 км / с), а затим се сударају са метом.

Тако се родило неколико вештачких, радиоактивних елемената, а њихово богатство на Земљи је ништавно (иако они могу природно постојати у регионима Космоса).

У неким акцелераторима снага судара је таква да долази до распада материје. Анализом фрагмената, који се тешко могу открити због свог кратког животног века, било је могуће сазнати више о збиру атомских честица.

Апликације

Расхладни торњеви нуклеарне електране. Извор: Пикабаи.

Слика изнад приказује две расхладне куле карактеристичне за нуклеарне електране, чије постројење може да снабдева струју цео град; на пример, фабрика Спрингфиелд, у којој ради Хомер Симпсон, а чији је власник господин Бурнс.

Затим нуклеарне електране користе енергију ослобођену из нуклеарних реактора за снабдевање енергетском потребом. Ово је идеална и обећавајућа примена нуклеарне хемије: неограничена енергија.

Кроз чланак је, имплицитно, поменуто, бројне примјене нуклеарне хемије. Остале апликације које нису толико очигледне, али које су присутне у свакодневном животу, су следеће у наставку.

Лек

Једна техника стерилизације хируршког материјала је озрачивање гама зрачењем. То у потпуности уништава микроорганизме које могу лучити. Процес је хладан, тако да се одређени биолошки материјали, осетљиви на високе температуре, такође могу подвргнути таквим дозама зрачења.

Фармаколошки ефекат, дистрибуција и елиминација нових лекова процењују се употребом радиоизотопа. Помоћу емитованог детектора зрачења можете имати праву слику дистрибуције лека у телу.

Ова слика омогућава утврђивање колико дуго лек делује на одређено ткиво; ако се не апсорбује правилно или ако остане у затвореном простору дуже него што је довољно.

Конзервирање хране

Слично томе, чувана храна може се озрачити са умереном дозом гама зрачења. Ово је одговорно за уклањање и уништавање бактерија, одржавање хране јестиву дуже време.

На пример, паковање јагода може да се одржи свежим и након 15 дана складиштења помоћу ове технике. Зрачење је толико слабо да не продире на површину јагода; и према томе, нису контаминирани нити постају "радиоактивне јагоде".

Детектори дима

Унутар детектора дима налази се само неколико милиграма америка ( ²⁴¹ Ам). У тим количинама овај радиоактивни метал показује зрачење безопасно за људе присутне под крововима.

²⁴¹ Ам емитује нискоенергетске алфа честице и гама зраке, те зраке Бити у стању да побегне детектор. Алфа честице јонизују молекуле кисеоника и азота у ваздуху. Унутар детектора, разлика напона сакупља и наређује јоне, производећи малу електричну струју.

Јони завршавају на различитим електродама. Када дим уђе у унутрашњу комору детектора, он апсорбује алфа честице и јонизација ваздуха је поремећена. Због тога се електрична струја зауставља и активира се аларм.

Елиминација штеточина

У пољопривреди се умерено зрачење користи за убијање непожељних инсеката на усевима. Тако се избегава употреба инсектицида који јако загађују. То смањује негативан утицај на тла, подземне воде и саме усеве.

Упознавање

Помоћу радиоизотопа може се утврдити старост појединих објеката. У археолошким студијама ово је од великог интереса јер омогућава да се узорци одвоје и поставе у одговарајућа времена. Радиоизотоп коришћен за ову апликацију је угљеник 14 ( ¹⁴ Ц) пар екцелленце . Његова т _1/2 је 5700 година, а узорци могу датирати до 50.000 година.

Пропадање од ^{14 °} Ц користи се посебно за биолошке узорке, скелете, фосиле итд. Остали радиоизотопи, попут ²⁴⁸ У, стари су т _1/2 милиона година. Затим мерењем концентрације од ²⁴⁸ У у узорку метеорита, седимената и минерала, може се утврдити да ли је исте старости као и Земља.

Референце

1. Вхиттен, Давис, Пецк и Станлеи. (2008). Хемија. (8. изд.). ЦЕНГАГЕ Учење.
2. Франк Кинард. (2019). Нуклеарна хемија. Опоравак од: цхемистриекплаинед.цом
3. Нуклеарна хемија. (сф) Опоравак од: сас.упенн.еду
4. Мазур Матт. (2019). Временска црта за историју нуклеарне хемије. Они претходе. Опоравак од: прецеден.цом
5. Сарах Е. & Нисса С. (друго). Откривање радиоактивности. Цхемистри ЛибреТектс. Опоравак од: цхем.либретектс.орг
6. Сцоттсдале, Бренда. (сф) Које врсте послова раде нуклеарни хемичари? Ворк - Цхрон.цом. Опоравак од: ворк.цхрон.цом
7. Википедиа. (2019). Нуклеарна хемија. Опоравак од: ен.википедиа.орг
8. Америчко хемијско друштво. (2019). Нуклеарна хемија. Каријера хемије. Опоравак од: ацс.орг
9. Алан Е. Валтар. (2003). Медицинска, пољопривредна и индустријска примена нуклеарне технологије. Пацифичка северозападна национална лабораторија.