JEDRSKA KEMIJA: ZGODOVINA, PODROČJE ŠTUDIJA, PODROČJA, APLIKACIJE - KEMIJA - 2026

Jedrska kemija je raziskava sprememb lastnosti izdelkov iz trdnih pojavov prišlo v jedrih atomov; ne preučuje načina interakcije njegovih elektronov ali njihovih vezi z drugimi atomi istega ali drugačnega elementa.

Ta veja kemije se nato osredotoči na jedra in energije, ki se sprostijo, ko dodajo ali izgubijo nekaj svojih delcev; ki se imenujejo nukleoni in ki so v kemijske namene v bistvu sestavljeni iz protonov in nevtronov.

Radioaktivna detelja. Vir: Pixabay.

Številne jedrske reakcije so sestavljene iz spremembe števila protonov in / ali nevtronov, kar posledično pomeni pretvorbo enega elementa v drugega; starodavne sanje alkimistov, ki so zaman poskušali svinčeno kovino spremeniti v zlato.

To je morda najbolj presenetljivo značilnost jedrskih reakcij. Vendar takšne transformacije sprostijo ogromne količine energije, pa tudi pospešene delce, ki uspejo prodreti in uničiti zadevo okoli njih (na primer DNK naših celic), odvisno od njihove povezane energije.

To pomeni, da se v jedrski reakciji sproščajo različne vrste sevanja, in kadar atom ali izotop sprosti sevanje, rečemo, da je radioaktivno (radionuklidi). Nekatera sevanja so lahko neškodljiva in celo benigna, ki se uporabljajo za boj proti rakavim celicam ali za proučevanje farmakoloških učinkov nekaterih zdravil z radioaktivnim označevanjem.

Po drugi strani so drugačna sevanja po minimalnem stiku uničujoča in smrtonosna. Na žalost več najhujših katastrof v zgodovini nosi simbol radioaktivnosti (radioaktivna detelja, zgornja slika).

Od jedrskega orožja do černobilskih epizod in nesreč radioaktivnih odpadkov ter njihovih vplivov na prostoživeče živali je veliko katastrof, ki jih sproži jedrska energija. Po drugi strani pa bi jedrska energija zagotovila neodvisnost od drugih virov energije in onesnaževanja, ki ga povzročajo.

Verjetno bi bila to čista energija, ki bi lahko mesta večno napajala, tehnologija pa bi presegala zemeljske meje.

Da bi vse to dosegli z najnižjimi človeškimi (in planetarnimi) stroški, so potrebni znanstveni, tehnološki, ekološki in politični programi ter prizadevanja za "ukroti" in "posnemati" jedrsko energijo na varen in koristen način za človeštvo in njegovo rast. energičen.

Zgodovina jedrske kemije

Zora

Zapuščanje alkimistov in njihovega filozofskega kamna v preteklosti (čeprav so njihova prizadevanja prinesla ključnega pomena za razumevanje kemije), se je nuklearna kemija rodila, ko je bilo prvič zaznano tisto, kar je znano kot radioaktivnost.

Vse se je začelo z odkritjem rentgenskih žarkov Wilhelma Conrada Röntgena (1895) na univerzi v Wurzburgu. Študiral je katodne žarke, ko je opazil, da izvirajo čudne fluorescencije, tudi če je naprava izključena, sposobna je prodreti v neprozoren črni papir, ki je pokrival cevi, v katerih so bili izvedeni poskusi.

Henri Becquerel, motiviran z odkritji rentgenskih žarkov, je zasnoval lastne poskuse, da bi jih preučeval s pomočjo fluorescentnih soli, ki so zatemnile fotografske plošče, zaščitene s črnim papirjem, ko jih je navdušila sončna svetloba.

Ugotovljeno je bilo, da so uranove soli zakrivale fotografske plošče, ne glede na vir svetlobe, ki je padel nanje. Nato je sklenil, da je našel novo vrsto sevanja: radioaktivnost.

Dela zakoncev Curie

Becquerelovo delo je služilo kot vir navdiha za Marie Curie in Pierra Curieja, ki sta se poglobila v fenomen radioaktivnosti (izraz, ki ga je skoval Marie Curie).

Tako so iskali druge minerale (poleg urana), ki so prav tako predstavili to lastnost, in ugotovili, da je mineralna smola še bolj radioaktivna in da mora zato imeti še druge radioaktivne snovi. Kako? S primerjavo električnih tokov, ki nastanejo z ionizacijo molekul plina okoli vzorcev.

Po dolgih letih napornih ekstrakcijskih del in radiometričnih meritev je iz mineralnega smole odvzel radioaktivne elemente (100 mg iz vzorca 2000 kg) in polonij. Tudi Curie je določil radioaktivnost elementa torija.

Na žalost so do takrat začeli odkrivati ​​škodljive učinke takšnega sevanja.

Meritve radioaktivnosti so bile olajšane z razvojem Geigerjevega števca (Hans Geiger je bil so-izumitelj artefakta).

Frakcioniranje jedra

Ernest Rutherford je opazil, da ima vsak radioizotop svoj čas razpadanja, neodvisno od temperature, in da se razlikuje glede na koncentracijo in značilnosti jeder.

Dokazal je tudi, da ti radioaktivni razpadi upoštevajo kinetiko prvega reda, katere razpolovni čas (t _1/2 ) je še danes zelo uporaben. Tako ima vsaka snov, ki oddaja radioaktivnost, drugačen t _1/2 , ki sega od sekund, dni do milijonov let.

Poleg vsega zgoraj navedenega je kot rezultat rezultatov svojih poskusov predlagal atomski model, ki je obseval zelo tanko zlato ploščo z alfa delci (helijeva jedra). Ko je spet sodeloval z alfa delci, je dosegel transmutacijo dušikovih atomov v kisikove atome; z drugimi besedami, uspel je en element spremeniti v drugega.

Pri tem je bilo naenkrat dokazano, da atom ni nedeljiv, še manj pa, ko so ga bombardirali pospešeni delci in "počasni" nevtroni.

Področje študija

Praksa in teorija

Tisti, ki se odločijo postati del specialistov za jedrsko kemijo, lahko izbirajo med več študijskimi ali raziskovalnimi področji ter z različnih področij dela. Kot številne veje znanosti se lahko tudi oni posvetijo praksi ali teoriji (ali obema hkrati) na ustreznih področjih.

Kinematografski primer je videti v filmih o superjunakih, kjer znanstveniki dobijo posameznika, da pridobi super sile (kot so Hulk, fantastični štirje, Spiderman in doktor Manhattan).

V resničnem življenju (vsaj površno) jedrski kemiki namesto tega poskušajo oblikovati nove materiale, ki bi lahko zdržali ogromno jedrsko odpornost.

Ti materiali, kot so instrumenti, morajo biti neuničljivi in ​​dovolj posebni, da izolirajo emisije sevanja in ogromne temperature, sproščene pri sprožitvi jedrskih reakcij; zlasti tiste iz jedrske fuzije.

Teoretično lahko oblikujejo simulacije, da najprej ocenijo izvedljivost določenih projektov in kako jih izboljšati z najnižjimi stroški in negativnim vplivom; ali matematičnih modelov, ki omogočajo razkrivanje čakajočih skrivnosti jedra.

Prav tako preučujejo in predlagajo načine shranjevanja in / ali ravnanja z jedrskimi odpadki, saj traja milijarda let, da razpadejo in so zelo onesnaževalni.

Tipična delovna mesta

Tu je kratek seznam značilnih opravil, ki jih lahko opravlja jedrski kemik:

- Neposredne raziskave v vladnih, industrijskih ali akademskih laboratorijih.

-Obdelajte na stotine podatkov s statističnimi paketi in multivariatno analizo.

-Prevodi poučujejo na univerzah.

- Razviti varne vire radioaktivnosti za različne aplikacije, ki vključujejo širšo javnost, ali za uporabo v vesoljskih napravah.

-Načrtujte tehnike in naprave, ki zaznajo in spremljajo radioaktivnost v okolju.

- Zagotoviti, da so laboratorijski pogoji optimalni za ravnanje z radioaktivnimi snovmi; s katerimi celo manipulirajo z robotskim orožjem.

-Kot tehniki, vzdržujejo dozimetre in zbirajo radioaktivne vzorce.

Območja

V prejšnjem razdelku je na splošno opisano, katere so naloge jedrskega kemika na njegovem delovnem mestu. Zdaj je podrobneje določeno o različnih področjih, kjer je prisotna uporaba ali preučevanje jedrskih reakcij.

Radiokemija

V radiokemiji se preučuje sam proces sevanja. To pomeni, da upošteva vse radioizotope v globino, pa tudi njihov čas razpadanja, sevanje, ki ga sproščajo (alfa, beta ali gama), njihovo vedenje v različnih okoljih in njihove možne aplikacije.

To je morda področje jedrske kemije, ki je danes najbolj napredovalo v primerjavi z drugimi. Bil je zadolžen za uporabo radioizotopov in zmernih odmerkov sevanja na inteligenten in prijazen način.

Nuklearna energija

Na tem področju jedrski kemiki skupaj z raziskovalci drugih specialnosti preučujejo in oblikujejo varne in nadzorljive metode za izkoriščanje jedrske energije, ki nastane s cepitvijo jeder; torej o njenem frakcioniranju.

Prav tako je predlagano, da se isto stori z reakcijami jedrske fuzije, kot so tiste, ki bi radi ukrotili majhne zvezde, ki zagotavljajo svojo energijo; z oviro, da so razmere preobsežne in ni fizičnega materiala, ki bi se jim lahko uprl (predstavljajte si, da sonce zaprete v kletko, ki se zaradi močne vročine ne stopi).

Jedrsko energijo je mogoče uporabiti v dobrodelne namene ali v vojne namene pri razvijanju več orožja.

Skladiščenje in odpadki

Težava jedrskih odpadkov je zelo resna in grozeča. Zaradi tega so na tem področju namenjeni oblikovanju strategij, da bi jih "zaprli" tako, da sevanje, ki ga oddajajo, ne prodre v njihovo zadrževalno lupino; lupina, ki mora biti sposobna prenesti potrese, poplave, visoke pritiske in temperature itd.

Umetna radioaktivnost

Vsi transuranski elementi so radioaktivni. Sintetizirali so jih z različnimi tehnikami, vključno z: bombardiranjem jeder z nevtroni ali drugimi pospešenimi delci.

Za to so bili uporabljeni linearni pospeševalci ali ciklotroni (ki so v obliki črke D). Znotraj njih se delci pospešijo do hitrosti, ki je blizu hitrosti svetlobe (300.000 km / s), nato pa trčijo v cilj.

Tako se je rodilo več umetnih, radioaktivnih elementov, njihova številčnost na Zemlji pa je nič (čeprav lahko na območjih Kozmosa obstajajo naravno).

V nekaterih pospeševalnikih je moč trkov taka, da pride do razpada snovi. Z analizo fragmentov, ki jih je zaradi njihove kratke življenjske dobe težko zaznati, je bilo mogoče izvedeti več o zbirki atomskih delcev.

Prijave

Hladilni stolpi jedrske elektrarne. Vir: Pixabay.

Zgornja slika prikazuje dva hladilna stolpa, značilna za jedrske elektrarne, katerih elektrarna lahko celotno mesto oskrbuje z električno energijo; na primer obrat Springfield, kjer deluje Homer Simpson, v lasti gospoda Burnsa.

Nato jedrske elektrarne energijo, ki jo sproščajo jedrski reaktorji, porabijo za oskrbo z energijo. To je idealna in obetavna uporaba jedrske kemije: neomejena energija.

V celotnem članku so bile implicitno omenjene številne uporabe jedrske kemije. Druge aplikacije, ki niso tako očitne, vendar so prisotne v vsakdanjem življenju, so spodaj naslednje.

Zdravilo

Ena tehnika sterilizacije kirurškega materiala je obsevanje z gama sevanjem. To popolnoma uniči mikroorganizme, ki jih morda skrivajo. Postopek je hladen, zato se takšnim odmerkom sevanja lahko podvržejo tudi nekateri biološki materiali, občutljivi na visoke temperature.

Farmakološki učinek, distribucija in izločanje novih zdravil se ovrednoti z uporabo radioizotopov. Z detektorjem oddajanja sevanja imate lahko resnično sliko o porazdelitvi zdravila po telesu.

Ta slika omogoča določitev, kako dolgo zdravilo deluje na določeno tkivo; če se ne absorbira pravilno ali če ostane v zaprtih prostorih dlje, kot je primerno.

Konzerviranje hrane

Podobno lahko shranjeno hrano obsevamo z zmernim odmerkom gama sevanja. Ta je odgovorna za odstranjevanje in uničevanje bakterij, ohranjanje hrane užitne dlje časa.

Na primer, lahko paket jagod ostane svež tudi po 15 dneh skladiščenja s to tehniko. Sevanje je tako šibko, da ne prodre skozi površino jagod; zato niso onesnaženi in tudi ne postanejo "radioaktivne jagode".

Detektorji dima

Znotraj detektorjev dima je le nekaj miligramov ameriškega ( ²⁴¹ am). Ta radioaktivna kovina v teh količinah izkazuje sevanje, neškodljivo za ljudi, ki so prisotni pod strehami.

²⁴¹ Am oddaja nizkoenergijski delcev alfa in gama žarki, ki te žarke bi mogli izogniti detektor. Delci alfa ionizirajo molekule kisika in dušika v zraku. Znotraj detektorja napetostna razlika zbira in naroča ione, ki proizvajajo majhen električni tok.

Ioni končajo na različnih elektrodah. Ko dim vstopi v notranjo komoro detektorja, absorbira alfa delce in ionizacija zraka je motena. Posledično se električni tok ustavi in ​​sproži alarm.

Odprava škodljivcev

V kmetijstvu se zmerno sevanje uporablja za ubijanje nezaželenih žuželk na pridelkih. Tako se izognemo uporabi zelo onesnaževalnih insekticidov. To zmanjšuje negativni vpliv na tla, podzemne vode in same pridelke.

Zmenki

S pomočjo radioizotopov je mogoče določiti starost nekaterih predmetov. Pri arheoloških študijah je to zelo zanimivo, saj omogoča, da se vzorci ločijo in dajo v ustrezne čase. Radioizotop, ki se uporablja za to uporabo, je ogljik 14 ( ¹⁴ C) par excellence . Njegova velikost t _1/2 je 5700 let, vzorci pa so lahko stari do 50.000 let.

Razpad ¹⁴ ° C se uporablja predvsem za biološke vzorce, okostja, fosile itd. Drugi radioizotopi, kot je ²⁴⁸ U, so stari _1/2 milijona let. Če nato izmerimo koncentracijo ²⁴⁸ U v vzorcu meteoritov, usedlin in mineralov, lahko ugotovimo, če je enaka starosti kot Zemlja.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.
2. Frank Kinard. (2019). Jedrska kemija. Pridobljeno: chemistryexplained.com
3. Jedrska kemija. (sf). Pridobljeno: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Časovnica za zgodovino jedrske kemije. Pred njimi. Pridobljeno od: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (drugo). Odkritje radioaktivnosti. Kemija LibreTexts. Pridobljeno: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (sf). Katere vrste delovnih mest opravljajo jedrski kemiki? Delo - Chron.com. Pridobljeno: work.chron.com
7. Wikipedija. (2019). Jedrska kemija. Pridobljeno: en.wikipedia.org
8. Ameriško kemijsko društvo. (2019). Jedrska kemija. Kariera kemije. Pridobljeno: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Medicinska, kmetijska in industrijska uporaba jedrske tehnologije. Pacifični severozahodni nacionalni laboratorij.