KERNEKEMI: HISTORIE, STUDIERETNING, OMRÅDER, ANVENDELSER - KEMI

Den nukleare kemi er undersøgelsen af ændringer i produktegenskaber af stoffænomener, der forekom i kerner af atomer; det studerer ikke, hvordan dets elektroner interagerer eller deres bindinger med andre atomer af det samme eller et andet element.

Denne kemiske gren fokuserer derefter på kernerne og de frigjorte energier, når de tilføjer eller mister nogle af deres partikler; som kaldes nukleoner, og som til kemiske formål i det væsentlige består af protoner og neutroner.

Radioaktiv kløver. Kilde: Pixabay.

Mange nukleare reaktioner består af en ændring i antallet af protoner og / eller neutroner, som har en konsekvens af omdannelsen af et element til et andet; gammel drøm om alkymisterne, der forgæves forsøgte at omdanne blymetal til guld.

Dette er måske det mest overraskende træk ved nukleare reaktioner. Sådanne transformationer frigiver imidlertid enorme mængder energi såvel som accelererede partikler, der formår at trænge igennem og ødelægge sagen omkring dem (f.eks. Vores celle-DNA) afhængigt af deres tilknyttede energi.

Det vil sige, i en nuklear reaktion frigives forskellige typer stråling, og når et atom eller isotop frigiver stråling, siges det at det er radioaktivt (radionuklider). Nogle stråling kan være ufarlig og endda godartet, der bruges til at bekæmpe kræftceller eller undersøge den farmakologiske virkning af visse lægemidler ved radioaktiv mærkning.

Andre udstrålinger er på den anden side destruktive og dødbringende ved minimumskontakt. Desværre bærer flere af de værste katastrofer i historien symbolet på radioaktivitet (radioaktiv kløver, øverste billede).

Fra atomvåben, til Tjernobyl-episoderne og ulykken med radioaktivt affald og dets virkninger på dyrelivet, er der mange katastrofer, der udløses af kerneenergi. Men på den anden side ville kerneenergi garantere uafhængighed fra andre energikilder og de forureningsproblemer, de forårsager.

Det ville (sandsynligvis) være ren energi, der er i stand til at drive byer i en evighed, og teknologien ville overskride dens jordiske grænser.

For at opnå alt dette til de laveste menneskelige (og planetariske) omkostninger er der behov for videnskabelige, teknologiske, økologiske og politiske programmer og bestræbelser for at "temme" og "efterligne" atomkraft på en sikker og gavnlig måde for menneskeheden og dens vækst. energisk.

Historie om nuklear kemi

Daggry

Efterladelse af alkymisterne og deres filosofsten i fortiden (skønt deres indsats har båret frugt af vital betydning for forståelsen af kemi), blev kernekemi født, da det, der kaldes radioaktivitet, først blev opdaget.

Det hele startede med opdagelsen af røntgenstråler af Wilhelm Conrad Röntgen (1895) på universitetet i Wurzburg. Han studerede katodestråler, da han bemærkede, at de stammede fra en underlig fluorescens, selv med enheden slukket, i stand til at trænge igennem det uigennemsigtige sorte papir, der dækkede rørene, hvor eksperimenterne blev udført.

Henri Becquerel, motiveret af røntgenopdagelserne, opdagede sine egne eksperimenter til at studere dem ved hjælp af lysstofrør, som mørklagte fotografiske plader, beskyttet af sort papir, da de blev begejstrede for sollys.

Det blev ved et uheld fundet (da vejret i Paris var overskyet på det tidspunkt), at uraniumsalte skjulte fotografiske plader, uanset hvilken lyskilde der faldt på dem. Derefter konkluderede han, at han havde fundet en ny type stråling: radioaktivitet.

Job hos Curie ægtefællerne

Becquerels arbejde tjente som en inspirationskilde for Marie Curie og Pierre Curie til at dykke ned i fænomenet radioaktivitet (et udtryk myntet af Marie Curie).

Således kiggede de efter andre mineraler (ud over uran), der også præsenterede denne egenskab, idet de fandt, at mineralet pitchblende er endnu mere radioaktivt, og at det derfor skal have andre radioaktive stoffer. Hvordan? Ved at sammenligne de elektriske strømme genereret ved ionisering af gasmolekyler omkring prøverne.

Efter mange års hårdt ekstraktionsarbejde og radiometriske målinger ekstraherede han de radioaktive elementer radium (100 mg fra en 2000 kg prøve) og polonium fra mineralet pitchblende. Curie bestemte også radioaktiviteten af elementet thorium.

Desværre begyndte de skadelige virkninger af sådan stråling på det tidspunkt at blive opdaget.

Målinger af radioaktivitet blev lettet med udviklingen af Geiger-tælleren (med Hans Geiger som medopfinder af artefakten).

Nucleus-fraktionering

Ernest Rutherford observerede, at hver radioisotop havde sin egen forfaldstid, uafhængig af temperaturen, og at den varierede med koncentrationen og karakteristika for kernerne.

Det demonstrerede også, at disse radioaktive forfald overholder den første ordens kinetik, hvis halveringstid (t _1/2) stadig er meget nyttig i dag. Hvert stof, der udsender radioaktivitet, har således en anden t _1/2, der spænder fra sekunder, dage til millioner af år.

Ud over alt det ovenstående foreslog han en atommodel som et resultat af resultaterne af hans eksperimenter, der bestråler et meget tyndt guldark med alfa-partikler (heliumkerner). Han arbejdede igen med alfa-partiklerne og opnåede transmutationen af nitrogenatomer til oxygenatomer; det er, det havde formået at konvertere et element til et andet.

Dermed blev det straks vist, at atomet ikke var udelelig, og endnu mindre, når det blev bombarderet af accelererede partikler og "langsomme" neutroner.

Studieområde

Praksis og teori

De, der beslutter at blive en del af nuklearkemiske specialister, kan vælge mellem flere studierektorer eller forskningsområder samt forskellige arbejdsområder. Som mange videnskabelige grene kan de være afsat til praksis eller teori (eller begge på samme tid) inden for deres tilsvarende felter.

Et filmisk eksempel ses i superheltfilm, hvor forskere får et individ til at erhverve superkræfter (som Hulk, den fantastiske fire, Spiderman og Doctor Manhattan).

I det virkelige liv (i det mindste overfladisk) søger nukleare kemikere i stedet at designe nye materialer, der er i stand til at modstå en enorm nukleare resistens.

Disse materialer, ligesom instrumenteringen, skal være tilstrækkelig umulig at ødelægge og specielle til at isolere strålingsemissionen og de enorme temperaturer, der frigøres, når der indledes atomreaktioner; især dem med nuklear fusion.

I teorien kan de designe simuleringer for først at estimere gennemførligheden af visse projekter, og hvordan de kan forbedres til de laveste omkostninger og negativ indvirkning; eller matematiske modeller, der tillader at afsløre de verserende mysterier i kernen.

På samme måde studerer de og foreslår måder at opbevare og / eller behandle nukleart affald, da det tager milliarder af år at nedbrydes og er meget forurenende.

Typiske job

Her er en kort liste over typiske job, som en atomkemiker kan udføre:

-Direkte forskning i myndigheder, industrielle eller akademiske laboratorier.

-Bearbejd hundreder af data gennem statistiske pakker og multivariat analyse.

-De underviser på universiteter.

- Udvikle sikre radioaktivitetskilder til forskellige applikationer, der involverer en offentlighed, eller til anvendelse i rumfartsenheder.

-Design teknikker og enheder, der detekterer og overvåger radioaktivitet i miljøet.

- Garanti for, at laboratorieforholdene er optimale til håndtering af radioaktivt materiale; som de endda manipulerer ved hjælp af robotarme.

-Som teknikere opretholder de dosimetre og indsamler radioaktive prøver.

områder

Det foregående afsnit beskrev i generelle vendinger, hvad er opgaverne for en atomkemiker på hans arbejdsplads. Nu specificeres lidt mere om forskellige områder, hvor brugen eller undersøgelsen af nukleare reaktioner er til stede.

Radiokemi

I radiokemi studeres selve strålingsprocessen. Dette betyder, at den betragter alle radioisotoper i dybden, såvel som deres forfaldstid, den stråling, de frigiver (alfa, beta eller gamma), deres opførsel i forskellige miljøer og deres mulige applikationer.

Dette er måske det område med nuklear kemi, der er mest avanceret i dag sammenlignet med de andre. Han har været ansvarlig for at bruge radioisotoper og moderate doser af stråling på en intelligent og venlig måde.

Atomenergi

På dette område studerer og designer nukleare kemikere sammen med forskere fra andre specialiteter sikre og kontrollerbare metoder til at drage fordel af kerneenergi produceret ved spaltning af kerner; det vil sige af dens fraktionering.

Ligeledes foreslås det at gøre det samme med nukleare fusionsreaktioner, såsom dem, der gerne vil temme små stjerner, der leverer deres energi; med det hinder, at forholdene er overvældende, og at der ikke er noget fysisk materiale, der er i stand til at modstå dem (forestil dig at indeslutte solen i et bur, der ikke smelter på grund af den intense varme).

Atomkraft kan godt bruges til velgørenhedsmæssige formål eller til krigsformål til udvikling af flere våben.

Opbevaring og affald

Problemet, som atomaffald repræsenterer, er meget alvorligt og truende. Det er af denne grund, at de på dette område er dedikeret til at udtænke strategier for at "fange dem" på en sådan måde, at den stråling, de udsender, ikke trænger igennem deres indeslutningsskal; skal, der skal kunne modstå jordskælv, oversvømmelser, højt tryk og temperaturer osv.

Kunstig radioaktivitet

Alle transuraniske elementer er radioaktive. De er blevet syntetiseret ved hjælp af forskellige teknikker, herunder: bombardement af kerner med neutroner eller andre accelererede partikler.

Til dette er der blevet anvendt lineære acceleratorer eller cyclotroner (som er D-formet). Inde i dem accelereres partiklerne til hastigheder tæt på lysets (300.000 km / s) og kolliderer derefter med et mål.

Således blev flere kunstige, radioaktive elementer født, og deres overflod på Jorden er nul (selvom de muligvis findes naturligt i regioner i kosmos).

I nogle acceleratorer er kraften ved kollisioner sådan, at der opstår en opløsning af stof. Ved at analysere fragmenterne, som næppe kan påvises på grund af deres korte levetid, har det været muligt at lære mere om atompartiklernes kompendium.

Applikationer

Køletårne fra et atomkraftværk. Kilde: Pixabay.

Billedet ovenfor viser to køletårne, der er karakteristiske for atomkraftværker, hvis anlæg kan forsyne en hel by med elektricitet; for eksempel Springfield-anlægget, hvor Homer Simpson arbejder og ejes af Mr. Burns.

Derefter bruger atomkraftværker den energi, der frigøres fra atomreaktorer, til at levere et energibehov. Dette er den ideelle og lovende anvendelse af nuklear kemi: ubegrænset energi.

I hele artiklen er der implicit nævnt adskillige anvendelser af nuklear kemi. Andre anvendelser, der ikke er så indlysende, men som er til stede i det daglige liv, er følgende nedenfor.

Medicin

En teknik til sterilisering af kirurgisk materiale er at bestråle det med gammastråling. Dette ødelægger fuldstændigt de mikroorganismer, de måtte have. Processen er kold, så visse biologiske materialer, der er følsomme over for høje temperaturer, kan også udsættes for sådanne stråledoser.

Den farmakologiske virkning, distribution og eliminering af de nye lægemidler vurderes ved hjælp af radioisotoper. Med en udsendt strålingsdetektor kan du få et rigtigt billede af distributionen af medikamentet i kroppen.

Dette billede gør det muligt at bestemme, hvor længe lægemidlet virker på et bestemt væv; hvis den ikke absorberer ordentligt, eller hvis den forbliver indendørs i længere tid end tilstrækkelig.

Madbeskyttelse

På lignende måde kan lagret mad bestråles med en moderat dosis gammastråling. Dette er ansvarligt for at eliminere og ødelægge bakterier, holde mad spiselig i længere tid.

For eksempel kan en pakke jordbær holdes frisk efter endda 15 dages opbevaring ved hjælp af denne teknik. Strålingen er så svag, at den ikke trænger igennem jordbærens overflade; og derfor er de ikke forurenet, og de bliver heller ikke "radioaktive jordbær".

Røgdetektorer

Inde i røgdetektorerne er der kun et par milligram americium (²⁴¹ Am). Dette radioaktive metal udviser i disse mængder stråling ufarlig for mennesker, der er til stede under tagene.

Den ²⁴¹ Am udsender lavenergi alfapartikler og gammastråler, disse stråler er i stand til at undslippe detektoren. Alfapartikler ioniserer ilt- og nitrogenmolekylerne i luften. Inde i detektoren opsamler og bestiller en spændingsforskel ionerne og producerer en svag elektrisk strøm.

Iionerne ender med forskellige elektroder. Når røg kommer ind i detektorens indre kammer, absorberer det alfa-partikler, og ionisering af luften forstyrres. Derfor stoppes den elektriske strøm, og en alarm aktiveres.

Eliminering af skadedyr

I landbruget er moderat stråling blevet brugt til at dræbe uønskede insekter på afgrøder. Anvendelse af stærkt forurenende insekticider undgås således. Dette reducerer den negative indvirkning på jord, grundvand og afgrøderne selv.

Dating

Ved hjælp af radioisotoper kan alderen på bestemte genstande bestemmes. I arkæologiske undersøgelser er dette af stor interesse, da det giver mulighed for at adskille prøverne og placere dem i de tilsvarende tider. Den radioisotop, der bruges til denne anvendelse, er carbon 14 (¹⁴ C) par excellence. Dens t _1/2 er 5700 år, og prøver kan dateres op til 50.000 år gamle.

Forfaldet på ¹⁴ C er især blevet brugt til biologiske prøver, skeletter, fossiler osv. Andre radioisotoper, såsom ²⁴⁸ U, er _1/2 million år gamle. Ved derefter at måle koncentrationerne på ²⁴⁸ U i en prøve af meteoritter, sedimenter og mineraler, kan det bestemmes, om det er på samme alder som Jorden.

Referencer

Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi. (8. udgave). CENGAGE Læring.
Frank Kinard. (2019). Kernekemi. Gendannes fra: chemistryexplained.com
Kernekemi. (Sf). Gendannes fra: sas.upenn.edu
Mazur Matt. (2019). Tidslinje for historien om nuklear kemi. De går foran. Gendannes fra: preceden.com
Sarah E. & Nyssa S. (nd). Opdagelse af radioaktivitet. Kemi LibreTexts. Gendannes fra: chem.libretexts.org
Scottsdale, Brenda. (Sf). Hvilke typer job gør nukleare kemikere? Arbejde - Chron.com. Gendannes fra: work.chron.com
Wikipedia. (2019). Kernekemi. Gendannet fra: en.wikipedia.org
American Chemical Society. (2019). Kernekemi. Kemi karrierer. Gendannes fra: acs.org
Alan E. Waltar. (2003). Den medicinske, landbrugs- og industrielle anvendelse af nuklear teknologi. Pacific Northwest National Laboratory.

KERNEKEMI: HISTORIE, STUDIERETNING, OMRÅDER, ANVENDELSER - KEMI - 2025