CHIMIE NUCLEARĂ: ISTORIC, DOMENIU DE STUDIU, DOMENII, APLICAȚII - CHIMIE - 2025

Chimia nucleară este studiul modificărilor proprietăților produsului ale fenomenelor de materie a avut loc în nuclee de atomi; nu studiază modul în care interacționează electronii săi sau legăturile lor cu alți atomi cu același element sau cu un element diferit.

Această ramură a chimiei se concentrează apoi asupra nucleelor ​​și a energiilor eliberate atunci când adaugă sau pierde o parte din particulele lor; care se numesc nucleoni și care în scopuri chimice constau în esență din protoni și neutroni.

Trifoi radioactiv. Sursa: Pixabay.

Multe reacții nucleare constau într-o schimbare a numărului de protoni și / sau neutroni, care are drept consecință transformarea unui element în altul; vis străvechi al alchimiștilor, care au încercat în zadar să transforme metalul de plumb în aur.

Aceasta este poate cea mai surprinzătoare caracteristică a reacțiilor nucleare. Cu toate acestea, astfel de transformări eliberează cantități enorme de energie, precum și particule accelerate care reușesc să pătrundă și să distrugă materia din jurul lor (cum ar fi ADN-ul celulelor noastre) în funcție de energia lor asociată.

Adică, într-o reacție nucleară se eliberează diferite tipuri de radiații, iar atunci când un atom sau izotop eliberează radiații, se spune că este radioactiv (radionuclizi). Unele radiații pot fi inofensive și chiar benigne, folosite pentru combaterea celulelor canceroase sau pentru studierea efectului farmacologic al anumitor medicamente prin etichetarea radioactivă.

Pe de altă parte, alte radiații sunt distructive și mortale la contactul minim. Din păcate, multe dintre cele mai grave catastrofe din istorie poartă simbolul radioactivității (trifoi radioactiv, imagine de sus).

De la arme nucleare până la episoadele de la Cernobâl și ghinionul deșeurilor radioactive și efectele acestora asupra vieții sălbatice, există multe dezastre provocate de energia nucleară. În schimb, energia nucleară ar garanta independența față de alte surse de energie și problemele de poluare pe care le provoacă.

Ar fi (probabil) energie curată, capabilă să alimenteze orașele pentru o eternitate, iar tehnologia ar depăși limitele sale pământești.

Pentru a realiza toate acestea cu cel mai mic cost uman (și planetar), sunt necesare programe și eforturi științifice, tehnologice, ecologice și politice pentru a „îmblânzi” și „imita” energia nucleară într-un mod sigur și benefic pentru umanitate și pentru creșterea ei. energic.

Istoria chimiei nucleare

zori de zi

Lăsând în trecut alchimiștii și piatra filosofului lor (deși eforturile lor au dat roade de o importanță vitală pentru înțelegerea chimiei), chimia nucleară s-a născut atunci când a fost detectat pentru prima dată ceea ce este cunoscut drept radioactivitate.

Totul a început cu descoperirea razelor X de Wilhelm Conrad Röntgen (1895), la Universitatea din Wurzburg. El a studiat razele catodice când a observat că au generat o fluorescență ciudată, chiar și cu dispozitivul oprit, capabil să pătrundă pe hârtia neagră opacă care acoperea tuburile în care au fost efectuate experimentele.

Henri Becquerel, motivat de descoperirile razelor X, și-a proiectat propriile experimente pentru a le studia folosind săruri fluorescente, care au întunecat plăcile fotografice, protejate de hârtie neagră, atunci când au fost încântate de lumina soarelui.

S-a constatat întâmplător (din moment ce vremea din Paris era înnorată la acea vreme), că sărurile de uraniu au întunecat plăci fotografice, indiferent de sursa de lumină care a căzut pe ele. El a concluzionat apoi că a găsit un nou tip de radiații: radioactivitatea.

Locuri de munca ale sotilor Curie

Opera lui Becquerel a servit ca o inspirație pentru Marie Curie și Pierre Curie pentru a aprofunda fenomenul radioactivității (termen creat de Marie Curie).

Astfel, ei au căutat și alte minerale (pe lângă uraniu) care să prezinte și această proprietate, descoperind că tonul mineral este și mai radioactiv și, prin urmare, trebuie să aibă și alte substanțe radioactive. Cum? Prin compararea curenților electrici generați prin ionizarea moleculelor gazoase din jurul probelor.

După ani grei de extracție și măsurări radiometrice, el a extras radiumul elementelor radioactive (100 mg dintr-un eșantion de 2000 kg) și poloniu din pitchblende minerale. De asemenea, Curie a determinat radioactivitatea elementului toriu.

Din păcate, până atunci, efectele nocive ale unei astfel de radiații au început să fie descoperite.

Măsurătorile radioactivității au fost facilitate odată cu dezvoltarea contorului Geiger (având Hans Geiger ca co-inventator al artefactului).

Fracționarea nucleului

Ernest Rutherford a observat că fiecare radioizotop a avut propriul timp de descompunere, independent de temperatură, și că a variat în funcție de concentrația și caracteristicile nucleelor.

De asemenea, a demonstrat că aceste decăderi radioactive se supun cineticii de prim ordin, ale căror înjumătățiri (t _1/2 ) sunt încă foarte utile în ziua de azi. Astfel, fiecare substanță care emite radioactivitate are o t _1/2 diferită , care variază de la secunde, zile, la milioane de ani.

În plus față de toate cele de mai sus, el a propus un model atomic ca rezultat al experimentelor sale care iradiază o foaie de aur foarte subțire cu particule alfa (nuclei de heliu). Lucrând din nou cu particulele alfa, el a realizat transmutarea atomilor de azot în atomii de oxigen; cu alte cuvinte, reușise să transforme un element în altul.

Făcând acest lucru, s-a demonstrat deodată că atomul nu este indivizibil și cu atât mai puțin când a fost bombardat de particule accelerate și neutroni „lenti”.

Domeniu de studiu

Practică și teorie

Cei care decid să devină parte a specialiștilor în chimie nucleară pot alege din diferite domenii de studiu sau de cercetare, precum și diferite domenii de activitate. Ca multe ramuri ale științei, ele pot fi dedicate practicii sau teoriei (sau ambelor în același timp) în domeniile lor corespunzătoare.

Un exemplu cinematografic este văzut în filmele de supereroi, unde oamenii de știință obțin un individ să dobândească super-puteri (cum ar fi Hulk, cei patru fantastici, Spiderman și Doctor Manhattan).

În viața reală (cel puțin superficial), chimiștii nucleari încearcă în schimb să proiecteze noi materiale capabile să reziste la o rezistență nucleară enormă.

Aceste materiale, la fel ca instrumentele, trebuie să fie indestructibile și suficient de speciale pentru a izola emisia de radiații și temperaturile enorme dezlănțuite la inițierea reacțiilor nucleare; în special pe cele ale fuziunii nucleare.

În teorie, pot proiecta simulări pentru a estima mai întâi fezabilitatea anumitor proiecte și cum să le îmbunătățească la cel mai mic cost și la impactul negativ; sau modele matematice care permit să dezvăluie misterele pendinte ale nucleului.

De asemenea, studiază și propun modalități de stocare și / sau tratare a deșeurilor nucleare, deoarece este nevoie de miliarde de ani pentru a se descompune și este foarte poluant.

Locuri de muncă tipice

Iată o listă scurtă de lucrări tipice pe care un chimist nuclear le poate face:

-Cercetare directa in laboratoare guvernamentale, industriale sau academice.

-Procesați sute de date prin pachete statistice și analize multivariate.

-Învăță cursuri în universități.

-Dezvoltați surse radioactive de siguranță pentru diverse aplicații care implică un public în general sau pentru utilizare în dispozitive aerospațiale.

-Design tehnici și dispozitive care detectează și monitorizează radioactivitatea în mediu.

-Garantia ca conditiile de laborator sunt optime pentru manipularea materialelor radioactive; pe care chiar le manipulează cu ajutorul armelor robotizate.

-În calitate de tehnicieni, mențin dozimetre și colectează probe radioactive.

Zone

Secțiunea anterioară a descris în termeni generali care sunt sarcinile unui chimist nuclear la locul său de muncă. Acum, este specificat ceva mai mult despre diferite domenii în care este prezentă utilizarea sau studiul reacțiilor nucleare.

Radiochimie

În radiochimie, procesul de radiație în sine este studiat. Aceasta înseamnă că are în vedere în profunzime toate radioizotopii, precum și timpul lor de descompunere, radiațiile pe care le eliberează (alfa, beta sau gamma), comportamentul lor în diferite medii și posibilele lor aplicații.

Este probabil zona chimiei nucleare care a avansat cel mai mult astăzi în comparație cu celelalte. El a fost responsabil de utilizarea radioizotopilor și a dozelor moderate de radiații într-un mod inteligent și prietenos.

Energie nucleară

În acest domeniu, chimiștii nucleari, împreună cu cercetătorii din alte specialități, studiază și proiectează metode sigure și controlabile pentru a profita de energia nucleară produsă de fisiunea nucleelor; adică a fracționării sale.

De asemenea, se propune să procedăm la fel cu reacțiile de fuziune nucleară, precum cele care ar dori să îmblânzească stele mici care le furnizează energia; cu impedimentul că condițiile sunt copleșitoare și nu există nici un material fizic capabil să le reziste (imaginați-vă să închideți soarele într-o cușcă care nu se topește din cauza căldurii intense).

Energia nucleară poate fi folosită în scopuri caritabile sau în scopuri de război, în dezvoltarea mai multor arme.

Depozitare și deșeuri

Problema pe care o reprezintă deșeurile nucleare este foarte serioasă și amenințătoare. Din acest motiv, în acest domeniu, ei sunt dedicați să elaboreze strategii pentru a-i „întemnița”, astfel încât radiațiile pe care le emite să nu pătrundă învelișul lor de izolare; coajă, care trebuie să poată rezista la cutremure, inundații, presiuni și temperaturi ridicate etc.

Radioactivitate artificială

Toate elementele transuranice sunt radioactive. Acestea au fost sintetizate folosind diferite tehnici, inclusiv: bombardarea nucleelor ​​cu neutroni sau alte particule accelerate.

Pentru aceasta s-a folosit acceleratoare liniare sau ciclotroni (care sunt în formă de D). În interiorul lor, particulele sunt accelerate până la viteze apropiate de cele ale luminii (300.000 km / s), apoi se ciocnesc cu o țintă.

Astfel, s-au născut mai multe elemente artificiale, radioactive, iar abundența lor pe Pământ este nulă (deși pot exista în mod natural în regiunile Cosmosului).

La unii acceleratori, puterea de coliziune este astfel încât să se producă o dezintegrare a materiei. Analizând fragmentele, greu de detectat datorită duratei lor de viață scurtă, a fost posibil să aflăm mai multe despre compendiul particulelor atomice.

Aplicații

Turnuri de răcire ale unei centrale nucleare. Sursa: Pixabay.

Imaginea de mai sus prezintă două turnuri de răcire caracteristice centralelor nucleare, a căror instalație poate furniza electricitate întregului oraș; de exemplu, uzina Springfield, unde lucrează Homer Simpson, și deținută de domnul Burns.

Apoi, centralele nucleare folosesc energia eliberată din reactoarele nucleare pentru a furniza o nevoie de energie. Aceasta este aplicația ideală și promițătoare a chimiei nucleare: energie nelimitată.

Pe parcursul articolului, s-a menționat, implicit, numeroase aplicații ale chimiei nucleare. Alte aplicații nu atât de evidente, dar care sunt prezente în viața de zi cu zi, sunt următoarele.

Medicament

O tehnică de sterilizare a materialului chirurgical este iradierea acestuia cu radiații gamma. Acest lucru distruge complet microorganismele pe care le pot adăposti. Procesul este rece, astfel că anumite materiale biologice, sensibile la temperaturi ridicate, pot fi, de asemenea, supuse acestor doze de radiații.

Efectul farmacologic, distribuția și eliminarea noilor medicamente este evaluat prin utilizarea radioizotopilor. Cu un detector de radiații emis, puteți avea o imagine reală a distribuției medicamentului în corp.

Această imagine face posibilă determinarea timpului în care medicamentul acționează asupra unui anumit țesut; dacă nu reușește să se absoarbă corect sau dacă rămâne în interior mai mult timp decât este adecvat.

Conservarea alimentelor

În mod similar, alimentele depozitate pot fi iradiate cu o doză moderată de radiații gamma. Aceasta este responsabilă de eliminarea și distrugerea bacteriilor, menținerea alimentelor comestibile mai mult timp.

De exemplu, un pachet de căpșuni poate fi păstrat în stare proaspătă chiar și după 15 zile de păstrare folosind această tehnică. Radiația este atât de slabă, încât nu pătrunde pe suprafața căpșunilor; și, prin urmare, nu sunt contaminate și nici nu devin „căpșuni radioactive”.

Detectoare de fum

În interiorul detectoarelor de fum se află doar câteva miligrame de americă ( ²⁴¹ am). Acest metal radioactiv la aceste cantități prezintă radiații inofensive pentru persoanele prezente sub acoperișuri.

The ²⁴¹ Am emite particule alpha cu energie redusă și raze gamma, aceste raze putând scăpa de detector. Particulele alfa ionizează moleculele de oxigen și azot din aer. În interiorul detectorului, o diferență de tensiune colectează și comandă ionii, producând un ușor curent electric.

Ionii sfârșesc la diferiți electrozi. Când fumul intră în camera interioară a detectorului, acesta absoarbe particulele alfa și ionizarea aerului este perturbată. În consecință, curentul electric este oprit și o alarmă este activată.

Eliminarea dăunătorilor

În agricultură, radiațiile moderate au fost folosite pentru a ucide insectele nedorite pe culturi. Astfel, se evită utilizarea insecticidelor puternic poluante. Acest lucru reduce impactul negativ asupra solurilor, apelor subterane și culturilor în sine.

datare

Cu ajutorul radioizotopilor se poate determina vârsta anumitor obiecte. În studiile arheologice acest lucru este de mare interes, deoarece permite separarea și plasarea probelor în timpii corespunzători. Radioizotopul utilizat pentru această aplicație este carbon 14 ( ¹⁴ C) prin excelență . T _1/2 este de 5700 de ani, iar probele pot fi datate până la 50.000 de ani.

Cariile de ¹⁴ C au fost utilizate în special pentru probe biologice, scheleturi, fosile etc. Alți radioizotopi, cum ar fi ²⁴⁸ U, au t _1/2 milioane de ani. Măsurând apoi concentrațiile de ²⁴⁸ U într-un eșantion de meteoriți, sedimente și minerale, se poate determina dacă are aceeași vârstă ca Pământul.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Învățare.
2. Frank Kinard. (2019). Chimie nucleară. Recuperat de la: chemistryexplained.com
3. Chimie nucleară. (Sf). Recuperat din: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Cronologie pentru istoria chimiei nucleare. Ei preced. Recuperat din: preceden.com
5. Sarah E. și Nyssa S. (nd). Descoperirea radioactivității. Chimie LibreTexturi. Recuperat din: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (Sf). Ce tipuri de locuri de muncă fac farmaciștii nucleari? Muncă - Chron.com. Recuperat din: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Chimie nucleară. Recuperat de la: en.wikipedia.org
8. Societatea Chimică Americană. (2019). Chimie nucleară. Cariere de chimie. Recuperat din: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Aplicațiile medicale, agricole și industriale ale tehnologiei nucleare. Laboratorul național Pacific Nord-Vest.