Nuklear kemi historie, studieretning, områder, anvendelser

1251
Basil Manning

Det nuklear kemi Det er studiet af ændringer i stof og dets egenskaber som et resultat af de fænomener, der finder sted i kernerne i dets atomer; studerer ikke den måde, hvorpå dens elektroner interagerer, eller deres bindinger med andre atomer med det samme eller forskellige element.

Denne gren af ​​kemi 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.

Radioaktivt kløver. Kilde: Pixabay.

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

Dette er måske det mest overraskende kendetegn ved nukleare reaktioner. Imidlertid frigiver sådanne transformationer enorme mængder energi såvel som accelererede partikler, der formår at trænge ind og ødelægge sagen omkring dem (såsom vores cellernes DNA) afhængigt af deres tilknyttede energi..

Det vil sige, i en nuklear reaktion frigives forskellige typer stråling, og når et atom eller en isotop frigiver stråling, siges det at være radioaktivt (radionuklider). Noget stråling kan være harmløst og endog godartet, bruges til at bekæmpe kræftceller eller studere den farmakologiske effekt af visse lægemidler ved radioaktiv mærkning.

Andre stråler er derimod ødelæggende og dødbringende ved minimumskontakt. Desværre medfører flere af de værste katastrofer i historien symbolet for radioaktivitet (radioaktiv kløver, topbillede).

Fra atomvåben til Tjernobyl-episoderne og ulykken ved radioaktivt affald og dets indvirkning på dyrelivet er der mange katastrofer udløst af atomenergi. Men på den anden side vil nuklear energi garantere uafhængighed af andre energikilder og de forureningsproblemer, de medfører..

Det ville (sandsynligvis) være ren energi, der er i stand til at drive byer i evigheden, og teknologien ville overstige sine jordiske grænser.

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

Artikelindeks

  • 1 Historie med nuklear kemi
    • 1.1 Dawn
    • 1.2 Job hos Curie-ægtefæller
    • 1.3 Fraktionering af kernen
  • 2 Studieområde
    • 2.1 Øvelse og teori
    • 2.2 Typiske job
  • 3 områder
    • 3.1 Radiokemi
    • 3.2 Atomenergi
    • 3.3 Opbevaring og affald
    • 3.4 Kunstig radioaktivitet
  • 4 applikationer
    • 4.1 Medicin
    • 4.2 Konservering af fødevarer
    • 4.3 Røgdetektorer
    • 4.4 Eliminering af skadedyr
    • 4.5 Dating
  • 5 Referencer

Historien om nuklear kemi

Daggry

Efterladt alkymisterne og deres filosofs sten (selvom deres bestræbelser 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 ​​røntgenbilleder af Wilhelm Conrad Röntgen (1895) ved universitetet i Würzburg. Han studerede katodestråler, da han bemærkede, at de stammer fra en mærkelig fluorescens, selv med enheden slukket, i stand til at trænge igennem det uigennemsigtige sorte papir, der dækkede de rør, inden for hvilke eksperimenterne blev udført..

Henri Becquerel, motiveret af opdagelserne af røntgenstråler, designede sine egne eksperimenter for at studere dem fra fluorescerende salte, der mørkede fotografiske plader, beskyttet af sort papir, når de var begejstrede for sollys..

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

Curie-ægtefællernes job

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

Således ledte 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 år med krævende ekstraktion og radiometriske målinger ekstraherede han de radioaktive grundstoffer radium (100 mg fra en prøve på 2000 kg) og polonium fra mineralet pitchblende. Curie bestemte også elementets thoriums radioaktivitet.

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

Radioaktivitetsmålinger blev lettet med udviklingen af ​​Geiger-tælleren (med Hans Geiger som medopfinder af artefakten).

Fraktionering af kerner

Ernest Rutherford observerede, at hver radioisotop havde sin egen henfaldstid, uafhængig af temperaturen, og at den varierede med kernernes koncentration og egenskaber..

Han demonstrerede også, at disse radioaktive henfald adlyder førsteordens kinetik, hvis halveringstid (t1/2), er stadig meget nyttige i dag. Således har hvert stof, der udsender radioaktivitet, forskellige t1/2, der spænder fra sekunder, dage til millioner af år.

Ud over alt det ovennævnte foreslog han en atommodel baseret på resultaterne af hans eksperimenter, der bestrålede et meget tyndt ark guld med alfapartikler (heliumkerner). Arbejdede igen med alfapartikler og opnåede transmutation af nitrogenatomer til iltatomer; det vil sige, han havde formået at konvertere et element til et andet.

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

Studieområde

Øvelse og teori

De, der beslutter at blive en del af atomkemispecialisterne, kan vælge mellem forskellige studieretninger eller forskningsområder samt forskellige arbejdsområder. Ligesom mange videnskabelige grene kan de være viet til praksis eller teori (eller begge på samme tid) inden for deres tilsvarende områder.

Et filmeksempel ses i superheltfilm, hvor forskere får et individ til at erhverve superkræfter (såsom Hulken, de fantastiske fire, Spiderman og Doctor Manhattan).

I det virkelige liv (i det mindste overfladisk) forsøger atomkemikere i stedet at designe nye materialer, der er i stand til at modstå enorm atomvåbenmodstand..

Disse materialer skal ligesom instrumenteringen være tilstrækkeligt uforgængelige og specielle til at isolere strålingsemissionen og de enorme temperaturer, der frigøres, når der påbegyndes nukleare reaktioner; især dem af 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 gør det muligt at opklare kernens mystiske mysterier.

De studerer og foreslår også måder til opbevaring og / eller behandling af 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:

-Udføre forskning i offentlige, industrielle eller akademiske laboratorier.

-Behandl hundredvis af data gennem statistiske pakker og multivariat analyse.

-De underviser på universiteter.

-De udvikler sikre radioaktivitetskilder til forskellige applikationer, der involverer offentligheden, eller til brug i rumfartsudstyr.

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

-De garanterer, at laboratorieforholdene er optimale til håndtering af radioaktivt materiale; som de formår at manipulere selv ved hjælp af robotarme.

-Som teknikere vedligeholder de dosimetre og indsamler radioaktive prøver.

Områder

Det foregående afsnit beskrev i generelle vendinger, hvad en nuklear kemiker har til opgave på sin arbejdsplads. Nu specificeres lidt mere om forskellige områder, hvor brugen eller undersøgelsen af ​​nukleare reaktioner er til stede..

Radiokemi

I radiokemi undersøges selve strålingsprocessen. Dette betyder, at den tager højde for alle radioisotoper i dybden såvel som deres henfaldstid, den stråling, de frigiver (alfa, beta eller gamma), deres adfærd i forskellige miljøer og deres mulige anvendelser..

Dette er måske det område med atomkemi, der har avanceret mest i dag sammenlignet med de andre. Han har haft ansvaret for at bruge radioisotoper og moderate doser stråling på en intelligent og venlig måde.

Atomenergi

I 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 dets fraktionering.

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

Atomenergi kan enten bruges til velgørende formål eller til krigsformål i udviklingen af ​​flere våben..

Opbevaring og affald

Problemet med atomaffald er meget alvorligt og truende. Det er af denne grund, at de i dette område er dedikeret til at udtænke strategier for at "fange dem" på en sådan måde, at den stråling, de udsender, ikke trænger ind i deres indeslutningsskal; skal, som skal være i stand til at modstå jordskælv, oversvømmelser, høje 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 anvendt lineære acceleratorer eller cyclotroner (som er D-formede). 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 (skønt de kan eksistere naturligt i områder af kosmos).

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

Ansøgninger

Køletårne ​​i et atomkraftværk. Kilde: Pixabay.

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

Så kernekraftværker bruger den energi, der frigives fra atomreaktorer, til at levere et energibehov. Dette er den ideelle og lovende anvendelse af atomkemi: ubegrænset energi.

Gennem hele artiklen er der implicit blevet nævnt talrige anvendelser af nuklear kemi. Andre applikationer, der ikke er så indlysende, men som findes 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, som de måtte have. Processen er kold, så visse biologiske materialer, følsomme over for høje temperaturer, kan også udsættes for disse strålingsdoser..

Den farmakologiske virkning, distribution og eliminering af de nye lægemidler evalueres ved brug af radioisotoper. Med en udsendt strålingsdetektor kan du få et reelt billede af fordelingen af ​​lægemidlet i kroppen.

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

Madopbevaring

Tilsvarende kan opbevarede fødevarer bestråles med en moderat dosis gammastråling. Dette er ansvarlig for at eliminere og ødelægge bakterier og holde mad spiselige i længere tid.

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

Røgdetektorer

Inde i røgdetektorer er der kun få milligram americium (241ER). Dette radioaktive metal i disse mængder udviser stråling, der er harmløs for mennesker, der er til stede under tagene..

Det 241Am udsender alfapartikler og gammastråler med lav energi, hvor disse stråler er i stand til at undslippe detektoren. Alfapartikler ioniserer ilt- og nitrogenmolekyler i luften. Inde i detektoren opsamler og bestiller en spændingsforskel ionerne og producerer en lille elektrisk strøm..

Ionerne ender ved forskellige elektroder. Når røg kommer ind i detektorens indre kammer, absorberer den alfapartikler, 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. Således undgås brugen af ​​stærkt forurenende insekticider. Dette reducerer den negative indvirkning på jord, grundvand og selve afgrøderne..

Dating

Ved hjælp af radioisotoper kan bestemte objekters alder bestemmes. I arkæologiske undersøgelser er dette af stor interesse, da det gør det muligt at adskille prøverne og placere dem i deres tilsvarende tidspunkter. Radioisotopen anvendt til denne applikation er par excellence kulstof 14 (14C). Hans t1/2 Det er 5700 år gammelt, og prøver kan dateres op til 50.000 år gamle.

Forfaldet af 14C er især blevet brugt til biologiske prøver, knogler, fossiler osv. Andre radioisotoper, såsom 248U, har en t1/2 i millioner af år. Ved derefter at måle koncentrationerne af 248U i en prøve af meteoritter, sedimenter og mineraler kan det bestemmes, om det er i samme alder som Jorden.

Referencer

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi. (8. udgave). CENGAGE Læring.
  2. Frank Kinard. (2019). Nuklear kemi. Gendannet fra: chemistryexplained.com
  3. Nuklear kemi. (s.f.). Gendannet fra: sas.upenn.edu
  4. Mazur Matt. (2019). Tidslinje for kernekemisk historie. De går forud. Gendannet fra: preceden.com
  5. Sarah E. & Nyssa S. (s.f.). Opdagelse af radioaktivitet. Kemi LibreTexts. Gendannet fra: chem.libretexts.org
  6. Scottsdale, Brenda. (s.f.). Hvilke typer job udfører kernekemikere? Arbejde - Chron.com. Gendannet fra: work.chron.com
  7. Wikipedia. (2019). Nuklear kemi. Gendannet fra: en.wikipedia.org
  8. American Chemical Society. (2019). Nuklear kemi. Kemi Karrierer. Gendannet fra: acs.org
  9. Alan E. Waltar. (2003). De medicinske, landbrugs- og industrielle anvendelser af nuklear teknologi. Pacific Northwest National Laboratory.

Endnu ingen kommentarer