ЯДРЕНА ХИМИЯ: ИСТОРИЯ, ОБЛАСТ НА ИЗСЛЕДВАНЕ, ОБЛАСТИ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В ядрена химия е изследване на промени в свойствата на продукта от значение явления настъпили в ядра на атома; тя не изучава начина, по който неговите електрони взаимодействат или техните връзки с други атоми на същия или различен елемент.

След това този клон на химията се фокусира върху ядрата и енергиите, освободени, когато добавят или губят част от частиците си; които се наричат ​​нуклони и които за химически цели по същество се състоят от протони и неутрони.

Радиоактивна детелина. Източник: Pixabay

Много ядрени реакции се състоят от промяна в броя на протоните и / или неутроните, което води до трансформацията на един елемент в друг; древна мечта на алхимиците, които напразно са се опитвали да превърнат оловен метал в злато.

Това е може би най-изненадващата характеристика на ядрените реакции. Въпреки това, такива трансформации освобождават огромни количества енергия, както и ускорени частици, които успяват да проникнат и унищожат материята около тях (като ДНК на нашите клетки) в зависимост от свързаната с тях енергия.

Тоест при ядрена реакция се отделят различни видове радиация, а когато атом или изотоп излъчва радиация, се казва, че е радиоактивна (радионуклиди). Някои лъчения могат да бъдат безобидни и дори доброкачествени, използвани за борба с раковите клетки или за изследване на фармакологичния ефект на някои лекарства чрез радиоактивно етикетиране.

Другите лъчения, от друга страна, са разрушителни и смъртоносни при минимален контакт. За съжаление, няколко от най-тежките катастрофи в историята носят символа на радиоактивността (радиоактивна детелина, горно изображение).

От ядрените оръжия до чернобилските епизоди и нещастието на радиоактивните отпадъци и последиците от тях върху дивата природа има много бедствия, предизвикани от ядрената енергия. Но, от друга страна, ядрената енергия би гарантирала независимост от други източници на енергия и проблемите със замърсяването, които причиняват.

(Вероятно) това ще бъде чиста енергия, способна да захранва градовете за цяла вечност, а технологията ще надхвърли земните си граници.

За да се постигне всичко това с най-ниски човешки (и планетарни) разходи, са необходими научни, технологични, екологични и политически програми и усилия за „укротяване“ и „имитиране“ на ядрената енергия по безопасен и полезен начин за човечеството и неговия растеж. енергични.

История на ядрената химия

разсъмване

Оставяйки алхимиците и техния философски камък в миналото (въпреки че усилията им са довели плодове от жизненоважно значение за разбирането на химията), ядрената химия се заражда, когато за първи път е открито това, което е известно като радиоактивност.

Всичко започна с откриването на рентгенови лъчи от Вилхелм Конрад Рьонтген (1895) в университета във Вюрцбург. Той изучаваше катодните лъчи, когато забеляза, че те създават странна флуоресценция, дори при изключено устройство, способно да проникне в непрозрачната черна хартия, покриваща епруветките, в които са проведени експериментите.

Анри Бекерел, мотивиран от откритията на рентгенови лъчи, проектирал собствените си експерименти, за да ги изследва с помощта на флуоресцентни соли, които потъмняли фотографски плочи, защитени от черна хартия, когато те били възбудени от слънчева светлина.

Установено е случайно (тъй като времето в Париж беше облачно по това време), че урановите соли затъмняват фотографските табели, независимо от източника на светлина, който пада върху тях. След това той заключи, че е открил нов тип радиация: радиоактивност.

Работа на съпрузите Кюри

Работата на Бекерел послужи като източник на вдъхновение за Мари Кюри и Пиер Кюри да се задълбочат във феномена на радиоактивността (термин, въведен от Мари Кюри).

По този начин те потърсиха други минерали (в допълнение към уран), които също представиха това свойство, като установиха, че минералът на катран е още по-радиоактивен и че следователно трябва да има други радиоактивни вещества. Как? Сравнявайки електрическите токове, генерирани от йонизацията на газовите молекули около пробите.

След години на усърдна екстракционна работа и радиометрични измервания той извлича радиоактивните елементи радий (100 mg от проба от 2000 kg) и полоний от минералната смола. Също така Кюри определи радиоактивността на торийния елемент.

За съжаление, дотогава вредните ефекти на такава радиация започват да се откриват.

Измерванията на радиоактивността бяха улеснени с разработването на брояча на Гейгера (с Ханс Гейгер като съ-изобретател на артефакта).

Фракциониране на ядра

Ърнест Ръдърфорд наблюдава, че всеки радиоизотоп има свое собствено време на разпад, независимо от температурата и че той варира с концентрацията и характеристиките на ядрата.

Той също така демонстрира, че тези радиоактивни разложения се подчиняват на кинетика от първи ред, чийто полуживот (t _1/2) е все още много полезен и днес. По този начин, всяко вещество, което излъчва радиоактивност, има различен t _1/2, който варира от секунди, дни до милиони години.

В допълнение към всичко по-горе, той предложи атомен модел в резултат на резултатите от своите експерименти, облъчвайки много тънък лист злато с алфа частици (хелиеви ядра). Работейки отново с алфа частиците, той постигна трансмутация на азотни атоми към кислородни атоми; с други думи, той беше успял да преобразува един елемент в друг.

По този начин веднага беше показано, че атомът не е неделим и още по-малко, когато е бомбардиран от ускорени частици и "бавни" неутрони.

Област на обучение

Практика и теория

Тези, които решат да станат част от специалистите по ядрена химия, могат да избират от няколко области на изследване или изследвания, както и различни области на работа. Подобно на много отрасли на науката, те могат да бъдат посветени на практиката или теорията (или и двете едновременно) в съответните им области.

Кинематичен пример се наблюдава във филмите за супергерои, където учените получават индивид да придобие супер сили (като Хълк, фантастичната четворка, Спайдърмен и Доктор Манхатън).

В реалния живот (поне повърхностно) ядрените химици вместо това се стремят да проектират нови материали, способни да издържат на огромна ядрена устойчивост.

Тези материали, подобно на уреда, трябва да бъдат неразрушими и достатъчно специални, за да изолират излъчването на радиация и огромните температури, освободени при започване на ядрени реакции; особено тези на ядрения синтез.

На теория те могат да проектират симулации, за да оценят първо възможността за изпълнение на определени проекти и как да ги подобрят с най-ниска цена и отрицателно въздействие; или математически модели, които позволяват да се разгадаят висящите мистерии на ядрото.

По същия начин те изучават и предлагат начини за съхранение и / или третиране на ядрените отпадъци, тъй като са нужни милиарди години за разграждането им и силно замърсяват.

Типични работни места

Ето кратък списък от типични работни места, които може да свърши ядреният химик:

-Преки изследвания в правителствени, промишлени или академични лаборатории.

-Обработвайте стотици данни чрез статистически пакети и мултиварионен анализ.

-Учат часове в университети.

-Разработване на безопасни източници на радиоактивност за различни приложения, включващи широка публика, или за използване в аерокосмически устройства.

-Проектиране на техники и устройства, които откриват и наблюдават радиоактивността в околната среда.

-Да се ​​гарантира, че лабораторните условия са оптимални за работа с радиоактивни материали; които дори манипулират с помощта на роботизирани оръжия.

-Като техници, те поддържат дозиметри и събират радиоактивни проби.

Области

Предишният раздел описва най-общо какви са задачите на ядрения химик на работното му място. Сега е уточнено малко повече за различните области, в които е налице използването или изследването на ядрените реакции.

Радиохимия

В радиохимията се изучава самият радиационен процес. Това означава, че той обмисля в дълбочина всички радиоизотопи, както и времето им на разпад, радиацията, която изпускат (алфа, бета или гама), тяхното поведение в различни среди и възможното им приложение.

Това е може би областта на ядрената химия, която днес е най-напреднала в сравнение с останалите. Той отговаряше за използването на радиоизотопи и умерени дози радиация по интелигентен и приятелски начин.

Ядрена енергия

В тази област ядрените химици, заедно с изследователи от други специалности, изучават и проектират безопасни и контролируеми методи, за да се възползват от ядрената енергия, получена от деленето на ядра; тоест на нейното фракциониране.

По същия начин се предлага да се направи същото с реакциите на ядрен синтез, като тези, които биха искали да опитомят малки звезди, които осигуряват своята енергия; с пречка, че условията са преодолими и няма физически материал, способен да им устои (представете си да затворите слънцето в клетка, която не се топи поради силната жега).

Ядрената енергия може да се използва за благотворителни цели или за военни цели при разработването на повече оръжия.

Съхранение и отпадъци

Проблемът, който представляват ядрените отпадъци, е много сериозен и заплашителен. Ето защо в тази област те са посветени на разработването на стратегии за „затварянето им“ по такъв начин, че радиацията, която излъчват, да не прониква в тяхната обвивна обвивка; черупка, която трябва да може да издържа на земетресения, наводнения, високи налягания и температури и т.н.

Изкуствена радиоактивност

Всички трансурани елементи са радиоактивни. Те са синтезирани с помощта на различни техники, включително: бомбардирането на ядра с неутрони или други ускорени частици.

За това са използвани линейни ускорители или циклотрони (които са D-образни). Вътре в тях частиците се ускоряват до скорости, близки до светлинните (300 000 км / с), след което се сблъскват с цел.

Така се родиха няколко изкуствени, радиоактивни елемента и тяхното изобилие на Земята е нулево (въпреки че те могат да съществуват естествено в районите на Космоса).

В някои ускорители силата на сблъсъците е такава, че се получава разпадане на материята. Анализирайки фрагментите, които трудно могат да бъдат открити поради краткия им живот, беше възможно да научите повече за сборника от атомни частици.

Приложения

Охлаждащи кули на атомна електроцентрала. Източник: Pixabay

Изображението по-горе показва две охладителни кули, характерни за атомните централи, чиято централа може да снабдява цял град с електричество; например заводът в Спрингфийлд, където работи Омир Симпсън, и собственост на господин Бърнс.

Тогава атомните централи използват енергията, освободена от ядрените реактори, за да осигурят енергийна нужда. Това е идеалното и обещаващо приложение на ядрената химия: неограничена енергия.

В цялата статия бе споменато мълчаливо за много приложения на ядрената химия. Други приложения, които не са толкова очевидни, но присъстват в ежедневието, са следните по-долу.

Лекарство

Една техника за стерилизиране на хирургичен материал е облъчването му с гама-лъчение. Това напълно унищожава микроорганизмите, които те могат да пристават. Процесът е студен, така че определени биологични материали, чувствителни към високи температури, също могат да бъдат подложени на такива дози радиация.

Фармакологичният ефект, разпространението и елиминирането на новите лекарства се оценява чрез използването на радиоизотопи. С детектор за излъчване на радиация можете да имате реална картина на разпределението на лекарството в тялото.

Това изображение позволява да се определи колко дълго лекарството действа върху определена тъкан; ако не успее да абсорбира правилно или ако остава на закрито по-дълго, отколкото е достатъчно.

Консервиране на храната

По същия начин съхраняваната храна може да бъде облъчена с умерена доза гама-лъчение. Това е отговорно за елиминирането и унищожаването на бактерии, запазването на храната за ядене за по-дълго време.

Например, пакет от ягоди може да се запази свеж след дори 15 дни съхранение с помощта на тази техника. Радиацията е толкова слаба, че не прониква в повърхността на ягодите; и следователно те не са замърсени, нито стават „радиоактивни ягоди“.

Детектори за дим

Вътре в детекторите за дим има само няколко милиграма америциум (²⁴¹ Ам). Този радиоактивен метал в тези количества показва радиация безвредна за хората, присъстващи под покривите.

В ²⁴¹ Am излъчва ниска енергийна алфа частици и гама лъчи, тези лъчи са в състояние да избяга от детектора. Алфа частиците йонизират молекулите на кислорода и азота във въздуха. Вътре в детектора разликата в напрежението събира и нарежда йони, произвеждайки лек електрически ток.

Йоните завършват при различни електроди. Когато димът навлезе във вътрешната камера на детектора, той абсорбира алфа частици и йонизацията на въздуха се нарушава. Следователно електрическият ток е спрян и се активира аларма.

Премахване на вредители

В селското стопанство се използва умерена радиация за убиване на нежелани насекоми по културите. По този начин се избягва използването на силно замърсяващи инсектициди. Това намалява отрицателното въздействие върху почвите, подземните води и самите култури.

Запознанства

С помощта на радиоизотопи може да се определи възрастта на определени обекти. При археологическите проучвания това представлява голям интерес, тъй като позволява пробите да бъдат отделени и поставени в съответното време. Радиоизотопът, използван за това приложение, е въглерод 14 (¹⁴ C) par excellence. T _1/2 е 5700 години, а пробите могат да бъдат датирани до 50 000 години.

Разпадът на ¹⁴ С е използван специално за биологични проби, скелети, фосили и др. Други радиоизотопи, като ²⁴⁸ U, са на възраст _1/2 милиона години. Чрез измерване на концентрациите от ²⁴⁸ U в проба от метеорити, утайки и минерали, може да се определи дали е на същата възраст като Земята.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
2. Франк Кинар. (2019). Ядрена химия. Възстановена от: chemistryexplained.com
3. Ядрена химия. (SF). Възстановено от: sas.upenn.edu
4. Мазур Мат. (2019). Времева линия за историята на ядрената химия. Те предхождат. Възстановено от: preceden.com
5. Сара Е. и Ниса С. (втора). Откриване на радиоактивността. Химия LibreTexts. Възстановено от: chem.libretexts.org
6. Скотсдейл, Бренда. (SF). Какви видове работни места правят ядрените химици? Работа - Chron.com. Възстановени от: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Ядрена химия. Възстановено от: en.wikipedia.org
8. Американско химическо дружество. (2019). Ядрена химия. Кариера на химията. Възстановено от: acs.org
9. Алън Е. Уолтар. (2003 г.). Медицински, селскостопански и промишлени приложения на ядрените технологии. Тихоокеанска северозападна национална лаборатория.