BRANDUOLINĖ CHEMIJA: ISTORIJA, STUDIJŲ SRITIS, SRITYS, PRITAIKYMAI - CHEMIJA - 2025

Branduolinės chemijos yra pokyčių produkto savybes tyrimas apie dalelių reiškinių įvyko branduolyje atomų; jis netiria savo elektronų sąveikos ar jų jungčių su kitais to paties ar skirtingo elemento atomais.

Tada ši chemijos šaka sutelkia dėmesį į branduolius ir energijas, išsiskiriančias, kai jos prideda ar praranda dalį savo dalelių; kurie vadinami nukleonais ir kurie cheminiais tikslais iš esmės susideda iš protonų ir neutronų.

Radioaktyvieji dobilai. Šaltinis: „Pixabay“.

Daugelį branduolinių reakcijų sudaro protonų ir (arba) neutronų skaičiaus pasikeitimas, dėl kurio vienas elementas virsta kitu; senovės svajonė alchemikų, kurie veltui bandė švino metalą paversti auksu.

Tai turbūt labiausiai stebina branduolinių reakcijų ypatybė. Tačiau tokios transformacijos išskiria didžiulius energijos kiekius, taip pat pagreitintas daleles, kurios, atsižvelgiant į su jomis susijusią energiją, sugeba prasiskverbti ir sunaikinti aplink jas esančią medžiagą (pvz., Mūsų ląstelių DNR).

Tai yra, vykstant branduolinei reakcijai, išsiskiria skirtingos rūšies radiacija, o kai atomas ar izotopas skleidžia radiaciją, sakoma, kad ji yra radioaktyvi (radionuklidai). Tam tikra radiacija gali būti nekenksminga ir netgi gerybinė, naudojama kovojant su vėžio ląstelėmis ar tiriant tam tikrų vaistų farmakologinį poveikį radioaktyviuoju ženklinimu.

Kita vertus, kiti spinduliai yra destruktyvūs ir mirtini esant minimaliam kontaktui. Deja, kelios baisiausios istorijoje katastrofos yra radioaktyvumo simbolis (radioaktyvieji dobilai, viršutinis vaizdas).

Nuo branduolinių ginklų iki Černobylio epizodų ir radioaktyviųjų atliekų nelaimių bei jų padarinių laukinei gamtai įvyksta daugybė nelaimių, kurias sukėlė branduolinė energija. Tačiau, kita vertus, branduolinė energija garantuotų nepriklausomybę nuo kitų energijos šaltinių ir jų keliamos taršos problemas.

Tai (tikriausiai) būtų švari energija, galinti miestams maitinti amžinybę, o technologija viršytų savo žemiškas ribas.

Norint visa tai pasiekti kuo mažesnėmis žmonių (ir planetų) sąnaudomis, reikalingos mokslinės, technologinės, ekologinės ir politinės programos ir pastangos, kad „sutramdytų“ ir „pamėgdžiotų“ branduolinę energiją saugiu ir naudingu būdu žmonijai ir jos augimui. energingas.

Branduolinės chemijos istorija

Aušra

Palikę alchemikus ir jų filosofo akmenį praeityje (nors jų pastangos davė gyvybiškai svarbų chemijos supratimo vaisių), branduolinė chemija gimė tada, kai pirmą kartą buvo aptiktas radioaktyvumas.

Viskas prasidėjo nuo Wilhelmo Conrado Röntgeno (1895 m.) Atradimo rentgeno spinduliuose Wurzburgo universitete. Jis tyrinėjo katodinius spindulius, kai pastebėjo, kad jie skleidžia keistą fluorescenciją, net išjungus prietaisą, galintį prasiskverbti iš nepermatomo juodo popieriaus, dengiančio vamzdelius, kuriuose buvo atlikti eksperimentai.

Henri Becquerel, motyvuodamas rentgeno spindulių atradimais, suprojektavo savo eksperimentus, norėdamas juos ištirti, naudodamas fluorescencines druskas, kurios tamsindavo fotografines plokšteles, apsaugotas juodu popieriumi, kai jas sujaudindavo saulės spinduliai.

Buvo atsitiktinai nustatyta (nes tuo metu Paryžiuje oras buvo debesuotas), kad urano druskos užtemdė fotografijos plokšteles, nepaisant ant jų nukritusio šviesos šaltinio. Tada jis padarė išvadą, kad rado naują radiacijos rūšį: radioaktyvumą.

Curie sutuoktinių darbai

Becquerel'io darbai įkvėpė Marie Curie ir Pierre Curie gilintis į radioaktyvumo reiškinį (šį terminą sukūrė Marie Curie).

Taigi jie ieškojo kitų mineralų (be urano), kurie taip pat turėjo šią savybę, ir nustatė, kad mineralinis dervos dar labiau radioaktyvus, todėl turi turėti kitų radioaktyviųjų medžiagų. Kaip? Palyginus elektrines sroves, susidarančias dėl jonizuojančių dujų molekulių aplink mėginius.

Po ilgus metus trukusio sunkaus gavybos darbo ir radiometrinių matavimų, jis iš mineralinio dervos ekstrahuoja radioaktyvius elementus radžio (100 mg iš 2000 kg mėginio) ir polonio. Taip pat Curie nustatė torio elemento radioaktyvumą.

Deja, iki to laiko buvo pradėtas nustatyti kenksmingas tokios radiacijos poveikis.

Radioaktyvumo matavimai buvo palengvinti sukūrus „Geiger“ skaitiklį (turinčiam artefakto išradėją Hansą Geigerį).

Branduolio dalijimasis

Ernestas Rutherfordas pastebėjo, kad kiekvienas radioizotopas turėjo savo skilimo laiką, nepriklausomą nuo temperatūros, ir kad jis kinta priklausomai nuo branduolių koncentracijos ir savybių.

Tai taip pat parodė, kad šie radioaktyvieji skilimai paklūsta pirmosios eilės kinetikai, kurių pusinės eliminacijos laikas (t _1/2 ) vis dar yra labai naudingas. Taigi kiekviena radioaktyvumą skleidžianti medžiaga turi skirtingą t _1/2 , kuri svyruoja nuo sekundžių, dienų iki milijonų metų.

Be viso to, kas išdėstyta aukščiau, jis pasiūlė atominį modelį kaip savo eksperimentų, švitinančių labai ploną aukso lakštą su alfa dalelėmis (helio branduoliais), rezultatus. Vėl dirbdamas su alfa dalelėmis, jis pasiekė azoto atomų transmutaciją į deguonies atomus; kitaip tariant, jis sugebėjo vieną elementą paversti kitu.

Tai darant iš karto buvo parodyta, kad atomas nėra dalomas, o dar mažiau, kai jį bombarduoja pagreitintos dalelės ir „lėti“ neutronai.

Studijų sritis

Praktika ir teorija

Tie, kurie nusprendžia tapti branduolinės chemijos specialistais, gali pasirinkti iš kelių studijų ar tyrimų sričių, taip pat iš skirtingų darbo sričių. Kaip ir daugelis mokslo šakų, jas galima skirti praktikai arba teorijoms (arba abiem tuo pačiu metu) atitinkamose srityse.

Kino pavyzdys matomas superherojų filmuose, kur mokslininkai priverčia žmogų įgyti super galių (pvz., „Hulk“, fantastinis ketvertas, „Žmogus-voras“ ir „Daktaro Manhatanas“).

Realiame gyvenime (bent jau paviršutiniškai) branduoliniai chemikai vietoj to siekia sukurti naujas medžiagas, galinčias atlaikyti didžiulį branduolinį atsparumą.

Šios medžiagos, kaip ir prietaisai, turi būti nenugriaunamos ir pakankamai specialios, kad būtų galima atskirti radiacijos sklidimą ir milžinišką temperatūrą, išlaisvintą inicijuojant branduolines reakcijas; ypač branduolių sintezės.

Teoriškai jie gali suprojektuoti modeliavimą, kad pirmiausia įvertintų tam tikrų projektų įgyvendinamumą ir kaip juos patobulinti mažiausiomis sąnaudomis ir neigiamu poveikiu; arba matematiniai modeliai, leidžiantys išsiaiškinti laukiančias branduolio paslaptis.

Jie taip pat tiria ir siūlo būdus, kaip saugoti ir (arba) apdoroti branduolines atliekas, nes jų suskaidymas užtrunka milijardus metų ir yra labai taršus.

Tipiški darbai

Čia yra trumpas tipiškų darbų, kuriuos gali atlikti branduolinis chemikas, sąrašas:

-Tiesioginiai tyrimai vyriausybės, pramonės ar akademinėse laboratorijose.

- Apdorokite šimtus duomenų naudodami statistinius paketus ir daugiamatę analizę.

-Jie veda pamokas universitetuose.

- Sukurti saugius radioaktyvumo šaltinius, skirtus įvairioms reikmėms, susijusioms su plačiąja visuomene, arba naudoti kosmoso prietaisuose.

- Projektavimo metodai ir įtaisai, kurie nustato ir kontroliuoja radioaktyvumą aplinkoje.

- garantuoti, kad laboratorijos sąlygos yra optimalios radioaktyviosioms medžiagoms tvarkyti; kuriomis jie net manipuliuoja naudodamiesi robotais.

Kaip technikai, jie prižiūri dozimetrus ir renka radioaktyvius mėginius.

Sritys

Ankstesniame skyriuje bendrais bruožais buvo aprašytos branduolinio chemiko užduotys jo darbo vietoje. Dabar šiek tiek daugiau patikslinta apie skirtingas sritis, kuriose naudojama ar tiriama branduolinė reakcija.

Radiochemija

Radiochemijoje tiriamas pats radiacijos procesas. Tai reiškia, kad jis nuodugniai atsižvelgia į visus radioizotopus, taip pat į jų skilimo laiką, jų skleidžiamą radiaciją (alfa, beta ar gama), jų elgesį skirtingose ​​aplinkose ir galimą jų naudojimą.

Ko gero, tai branduolinės chemijos sritis, kuri šiandien yra labiausiai pažengusi į priekį, palyginti su kitomis. Jis buvo atsakingas už protingą ir draugišką radioaktyviųjų izotopų ir vidutinių radiacijos dozių naudojimą.

Atominė energija

Šioje srityje branduoliniai chemikai kartu su kitų specialybių tyrinėtojais tyrinėja ir kuria saugius ir kontroliuojamus metodus, kaip panaudoti branduolių energiją, susidarančią dalijantis branduoliams; tai yra jo dalijimas.

Panašiai siūloma tą patį daryti su branduolių sintezės reakcijomis, tokiomis, kaip tos, kurios norėtų sutramdyti mažas žvaigždes, kurios teikia energiją; su kliūtimi, kad sąlygos yra nepaprastos ir nėra jokios fizinės medžiagos, galinčios joms atsispirti (įsivaizduokite, kad uždarote saulę narve, kuris neištirpsta dėl intensyvaus karščio).

Branduolinė energija gali būti panaudota labdaros tikslams arba karo tikslams, kuriant daugiau ginklų.

Sandėliavimas ir atliekos

Branduolinių atliekų problema yra labai rimta ir grėsminga. Dėl šios priežasties jie šioje srityje yra skirti kurti strategijas, kaip „įkalinti“ juos taip, kad jų skleidžiama radiacija nepatektų į jų izoliacijos apvalkalą; lukštas, kuris turi atlaikyti žemės drebėjimus, potvynius, aukštą slėgį ir temperatūrą ir kt.

Dirbtinis radioaktyvumas

Visi transuraniniai elementai yra radioaktyvūs. Jie buvo susintetinti naudojant skirtingus metodus, įskaitant: branduolių bombardavimą neutronais ar kitomis pagreitintomis dalelėmis.

Tam buvo naudojami linijiniai greitintuvai arba ciklotronai (kurie yra D formos). Jų viduje dalelės įsibėgėja iki greičio, artimo šviesos greičiui (300 000 km / s), ir tada susiduria su taikiniu.

Taip gimė keli dirbtiniai, radioaktyvieji elementai, o jų gausa Žemėje yra nulinė (nors jie gali natūraliai egzistuoti Kosmoso regionuose).

Kai kuriais greitintuvais susidūrimų galia yra tokia, kad materija suyra. Išanalizavus fragmentus, kurių vargu ar įmanoma aptikti dėl trumpo jų gyvavimo laiko, buvo įmanoma sužinoti daugiau apie atominių dalelių sankaupas.

Programos

Atominės elektrinės aušinimo bokštai. Šaltinis: „Pixabay“.

Aukščiau esančiame paveikslėlyje pavaizduoti du aušinimo bokštai, būdingi atominėms elektrinėms, kurių jėgainė gali tiekti elektrą visam miestui; Pvz., Springfieldo gamykla, kurioje dirba Homeris Simpsonas ir kuri priklauso p. Burnsui.

Tuomet atominės elektrinės panaudoja energiją, išsiskiriančią iš branduolinių reaktorių, energijos poreikiui patenkinti. Tai yra idealus ir perspektyvus branduolinės chemijos pritaikymas: neribota energija.

Straipsnyje netiesiogiai paminėta daugybė branduolinės chemijos taikymo sričių. Toliau pateikiamos kitos ne tokios akivaizdžios, bet kasdieniame gyvenime naudojamos programos.

Vaistas

Viena iš chirurginės medžiagos sterilizavimo metodų yra švitinti ją gama spinduliuote. Tai visiškai sunaikina mikroorganizmus, į kuriuos jie gali patekti. Procesas yra šaltas, todėl tam tikros biologinės medžiagos, jautrios aukštai temperatūrai, taip pat gali būti veikiamos tokios radiacijos dozės.

Naujų vaistų farmakologinis poveikis, pasiskirstymas ir pašalinimas vertinamas naudojant radioizotopus. Naudodami skleidžiamą radiacijos detektorių, galite susidaryti tikrą vaizdą apie narkotiko pasiskirstymą organizme.

Šis vaizdas leidžia nustatyti, kiek laiko vaistas veikia tam tikrą audinį; jei jis nesugeba tinkamai absorbuoti arba jei jis išlieka patalpoje ilgiau, nei pakanka.

Maisto konservavimas

Panašiai laikomą maistą galima švitinti vidutine gama spinduliuotės doze. Tai yra atsakinga už bakterijų pašalinimą ir sunaikinimą, ilgiau laikant maistą valgomu.

Pavyzdžiui, šia technika braškių pakuotę galima laikyti šviežią net po 15 dienų laikymo. Spinduliuotė yra tokia silpna, kad ji neįsiskverbia į braškių paviršių; todėl jie nėra užteršti ir netampa „radioaktyviomis braškėmis“.

Dūmų detektoriai

Dūmų detektoriuose yra tik keli miligramai amerikio ( ²⁴¹ Am). Šis radioaktyvus metalas, esantis tokiais kiekiais, yra nekenksmingas radiacijai žmonėms, esantiems po stogais.

„ ²⁴¹ Am“ skleidžia mažai energijos turinčias alfa daleles ir gama spindulius, šie spinduliai gali ištrūkti iš detektoriaus. Alfa dalelės jonizuoja ore esančias deguonies ir azoto molekules. Detektoriaus viduje įtampos skirtumas surenka ir užsako jonus, sukurdamas nedidelę elektros srovę.

Jonai baigiasi skirtingais elektrodais. Kai dūmai patenka į detektoriaus vidinę kamerą, jie sugeria alfa daleles ir sutrinka oro jonizacija. Todėl elektros srovė sustabdoma ir įjungiamas aliarmas.

Kenkėjų naikinimas

Žemės ūkyje nepageidaujamus vabzdžius naikinti pasėliuose naudojama vidutinė radiacija. Taigi išvengiama labai taršių insekticidų. Tai sumažina neigiamą poveikį dirvožemiui, požeminiam vandeniui ir patiems augalams.

Pasimatymai

Radioizotopų pagalba galima nustatyti tam tikrų objektų amžių. Archeologinių tyrimų metu tai labai domina, nes leidžia atskirti pavyzdžius ir sudėti juos atitinkamu laiku. Šiam panaudojimui naudojamas radioizotopas yra anglies 14 ( ¹⁴ C) pagal kompetenciją . Jo t _1/2 yra 5700 metų, o pavyzdžių data gali būti iki 50 000 metų.

¹⁴ C skilimas buvo naudojamas ypač biologiniams mėginiams, skeletams, fosilijoms ir kt. Kiti radioizotopai, tokie kaip ²⁴⁸ U, yra _1/2 milijono metų. Tuomet išmatavus ²⁴⁸ U koncentraciją meteoritų, nuosėdų ir mineralų pavyzdyje, galima nustatyti, ar jis yra tokio paties amžiaus kaip Žemė.

Nuorodos

1. Whittenas, Davisas, Peckas ir Stanley. (2008). Chemija. (8-asis leidimas). CENGAGE mokymasis.
2. Frankas Kinardas. (2019 m.). Branduolinė chemija. Atkurta iš: chemistryexplained.com
3. Branduolinė chemija. (sf). Atgauta iš: sas.upenn.edu
4. Mazūras Matas. (2019 m.). Branduolinės chemijos istorijos laikas. Jie vyksta anksčiau. Atkurta iš: preceden.com
5. Sarah E. ir Nyssa S. (antra). Radioaktyvumo atradimas. Chemija „LibreTexts“. Atkurta iš: chem.libretexts.org
6. Skotsdeilas, Brenda. (sf). Kokius darbus atlieka branduoliniai chemikai? Darbas - Chron.com. Atkurta iš: work.chron.com
7. Vikipedija. (2019 m.). Branduolinė chemija. Atkurta iš: en.wikipedia.org
8. Amerikos chemijos draugija. (2019 m.). Branduolinė chemija. Chemijos karjera. Atkurta iš: acs.org
9. Alanas E. Waltar. (2003). Branduolinės technologijos taikymas medicinoje, žemės ūkyje ir pramonėje. Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinė laboratorija.