ЯДЕРНА ХІМІЯ: ІСТОРІЯ, ОБЛАСТЬ ДОСЛІДЖЕННЯ, ОБЛАСТІ, ЗАСТОСУВАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Ядерна хімія є дослідження змін властивостей продукту від явищ матерії відбувалося в ядрах атомів; він не вивчає, як взаємодіють його електрони чи їх зв’язки з іншими атомами того ж чи іншого елемента.

Потім ця галузь хімії фокусується на ядрах і енергіях, що виділяються, коли вони додають або втрачають частину своїх частинок; які називаються нуклонами і які в хімічних цілях по суті складаються з протонів і нейтронів.

Радіоактивний конюшина. Джерело: Pixabay.

Багато ядерних реакцій складаються зі зміни кількості протонів та / або нейтронів, що зумовлює перетворення одного елемента в інший; давня мрія алхіміків, які марно намагалися перетворити свинцевий метал у золото.

Це, мабуть, найдивніша характеристика ядерних реакцій. Однак такі перетворення вивільняють величезну кількість енергії, а також прискорені частинки, яким вдається проникнути і знищити речовину навколо них (наприклад, ДНК наших клітин) залежно від пов'язаної з ними енергії.

Тобто при ядерній реакції виділяються різні види випромінювання, а коли атом або ізотоп випускає радіацію, то, як кажуть, він є радіоактивним (радіонуклідами). Деякі випромінювання можуть бути нешкідливими і навіть доброякісними, застосовуються для боротьби з раковими клітинами або вивчення фармакологічної дії певних препаратів шляхом радіоактивного маркування.

Інші випромінювання, з іншого боку, при мінімальному контакті руйнівні та смертоносні. На жаль, кілька найстрашніших катастроф в історії несуть символ радіоактивності (радіоактивний конюшина, верхнє зображення).

Від ядерної зброї, до Чорнобильських епізодів та нещастя радіоактивних відходів та їх впливу на живу природу, існує багато катастроф, спричинених ядерною енергією. Але, з іншого боку, ядерна енергетика гарантувала б незалежність від інших джерел енергії та проблем із забрудненням, які вони викликають.

Це (мабуть) була б чиста енергія, здатна живити міста на віки, а технологія перевищила б її земні межі.

Щоб досягти цього всього за найменшими людськими (і планетарними) витратами, потрібні наукові, технологічні, екологічні та політичні програми та зусилля, щоб “приборкати” та “імітувати” ядерну енергію безпечним та корисним для людства та її зростання. енергійний.

Історія ядерної хімії

Світанок

Залишаючи алхіміків та їхній філософський камінь у минулому (хоча їхні зусилля принесли життєво важливе значення для розуміння хімії), ядерна хімія народилася тоді, коли вперше було виявлено те, що відомо як радіоактивність.

Все почалося з відкриття рентгенівських променів Вільгельмом Конрадом Рентгеном (1895) в університеті Вюрцбурга. Він вивчав катодні промені, коли помітив, що у них виникає дивна флуоресценція, навіть при вимкненому пристрої, здатному проникати в непрозорий чорний папір, що покривав трубки, в яких проводилися експерименти.

Анрі Беккерель, мотивований відкриттями рентгенівських променів, сконструював власні експерименти з їх вивчення за допомогою флуоресцентних солей, які затемнювали фотопластинки, захищені чорним папером, коли вони були збуджені сонячним світлом.

Було виявлено випадково (оскільки на той час погода в Парижі була похмурою), що уранові солі затіняли фотопластинки, незалежно від джерела світла, яке падало на них. Потім він зробив висновок, що знайшов новий тип випромінювання: радіоактивність.

Робота подружжя Кюрі

Робота Беккереля послужила джерелом натхнення для Марі Кюрі та П'єра Кюрі, щоб заглибитись у явище радіоактивності (термін, придуманий Марі Кюрі).

Таким чином, вони шукали інші корисні копалини (крім урану), які також представляли цю властивість, виявивши, що мінерал пекла ще більш радіоактивний, і тому він повинен мати інші радіоактивні речовини. Як? Порівнюючи електричні струми, що утворюються іонізацією молекул газу навколо зразків.

Після багаторічних робіт з видобутку та радіометричних вимірювань він видобув радіоактивні елементи радію (100 мг із зразка 2000 кг) та полоній із мінеральної смоли. Також Кюрі визначав радіоактивність торію елемента.

На жаль, до того часу шкідливі наслідки такого випромінювання починали виявляти.

Вимірювання радіоактивності сприяло розробці лічильника Гейгера (із Гансом Гейгером як співавтором артефакту).

Фракціонування ядра

Ернест Резерфорд зауважив, що кожен радіоізотоп мав свій час розпаду, незалежний від температури, і що він змінювався концентрацією та характеристиками ядер.

Він також показав, що ці радіоактивні розпади підкоряються кінетиці першого порядку, період напіввиведення (t _1/2 ) досі дуже корисний. Таким чином, кожна речовина, що випромінює радіоактивність, має різну t _1/2 , яка становить від секунд, днів до мільйонів років.

На додаток до всього вищесказаного, він запропонував атомну модель за результатами своїх експериментів, опромінюючи дуже тонкий аркуш золота альфа-частинками (ядра гелію). Працюючи знову з альфа-частинками, він домігся перетворення атомів азоту на атоми кисню; Іншими словами, йому вдалося перетворити один елемент в інший.

При цьому відразу було показано, що атом не є неподільним, а ще менше, коли його обстрілювали прискорені частинки та "повільні" нейтрони.

Поле дослідження

Практика та теорія

Ті, хто вирішить стати частиною спеціалістів з ядерної хімії, можуть обрати декілька напрямків навчання або досліджень, а також різні сфери роботи. Як і багато галузей науки, вони можуть бути присвячені практиці або теорії (або обом одночасно) у відповідних галузях.

Кінематографічний приклад можна побачити у фільмах про супергероїв, де вчені отримують людину для здобуття надсильних сил (таких як Халк, фантастична четвірка, Павук та Доктор Манхеттен).

У реальному житті (принаймні поверхово) ядерні хіміки намагаються створити нові матеріали, здатні протистояти величезній ядерній стійкості.

Ці матеріали, як і приладобудування, повинні бути досить незнищенними та спеціальними, щоб ізолювати випромінювання та величезні температури, розв'язані при ініціюванні ядерних реакцій; особливо ядерного синтезу.

Теоретично вони можуть розробити моделювання, щоб спочатку оцінити доцільність певних проектів та як покращити їх за найменших витрат та негативного впливу; або математичні моделі, які дозволяють розгадати відкладені таємниці ядра.

Аналогічно, вони вивчають і пропонують способи зберігання та / або поводження з ядерними відходами, оскільки їх розкладання потребує мільярди років і сильно забруднює.

Типові робочі місця

Ось короткий список типових робіт, які може виконати ядерний хімік:

-Пряме дослідження в державних, промислових або академічних лабораторіях.

-Опрацюйте сотні даних за допомогою статистичних пакетів та багатофакторного аналізу.

-Викладають уроки в університетах.

-Розробити безпечні джерела радіоактивності для різних застосувань для широкого загалу або для використання в аерокосмічних пристроях.

-Запроектувати методи та пристрої, що виявляють та контролюють радіоактивність у навколишньому середовищі.

- гарантувати, що лабораторні умови оптимальні для поводження з радіоактивними матеріалами; якими вони навіть маніпулюють за допомогою роботизованої зброї.

-Як технічні працівники, вони підтримують дозиметри та збирають радіоактивні зразки.

Області

У попередньому розділі загально описано, які завдання є хіміком-ядерником на його робочому місці. Тепер трохи більше уточнено про різні сфери, в яких є використання або вивчення ядерних реакцій.

Радіохімія

У радіохімії вивчається сам процес випромінювання. Це означає, що він враховує всі радіоізотопи по глибині, а також їх час розпаду, випромінювання, яке вони випускають (альфа, бета або гама), їх поведінку в різних середовищах та можливі можливості їх застосування.

Це, мабуть, область ядерної хімії, яка найбільше просунулася сьогодні порівняно з іншими. Він керував розумним та доброзичливим використанням радіоізотопів та помірних доз радіації.

Атомна енергія

У цій галузі ядерні хіміки разом із дослідниками інших спеціальностей вивчають та розробляють безпечні та керовані методи для використання переваг ядерної енергії, виробленої в результаті поділу ядер; тобто його фракціонування.

Так само пропонується зробити те ж саме з реакціями ядерного синтезу, як, наприклад, ті, хто хотів би приручити маленьких зірок, які забезпечують їх енергією; з перешкодою, що умови переважають, і немає фізичного матеріалу, здатного протистояти їм (уявіть, щоб закрити сонце в клітку, яка не тане через сильну спеку).

Ядерна енергетика цілком може використовуватися для благодійних цілей або для військових цілей при розробці більшої кількості зброї.

Зберігання та відходи

Проблема, яку представляють ядерні відходи, є дуже серйозною та загрозливою. Саме тому в цій області вони присвячені розробці стратегій, щоб "ув'язнити їх" таким чином, щоб випромінювання, яке вони випромінювали, не проникало в їхню оболонку стримування; оболонки, яка повинна витримувати землетруси, повені, високий тиск і температури тощо.

Штучна радіоактивність

Всі трансуранові елементи є радіоактивними. Вони були синтезовані за допомогою різних методик, зокрема: бомбардування ядер нейтронами чи іншими прискореними частинками.

Для цього були використані лінійні прискорювачі або циклотрони (D-подібні). Усередині них частинки прискорюються до швидкості, близької до швидкості світла (300 000 км / с), а потім стикаються з ціллю.

Таким чином, народилося кілька штучних, радіоактивних елементів, і їх численність на Землі дорівнює нулю (хоча вони можуть природним чином існувати в регіонах Космосу).

У деяких прискорювачах сила зіткнень така, що відбувається розпад речовини. Аналізуючи фрагменти, які навряд чи можна виявити через їх короткий термін експлуатації, можна було дізнатися більше про збірник атомних частинок.

Програми

Градирні атомної електростанції. Джерело: Pixabay.

На зображенні вище показані дві охолоджувальні вежі, характерні для атомних електростанцій, станція яких може постачати електроенергію всього міста; наприклад, завод Спрінгфілд, де працює Гомер Сімпсон, і належить містеру Бернсу.

Потім атомні електростанції використовують енергію, що виділяється з ядерних реакторів, для забезпечення енергетичної потреби. Це ідеальне та перспективне застосування ядерної хімії: необмежена кількість енергії.

Протягом усієї статті згадується про численні застосування ядерної хімії. Інші додатки, не такі очевидні, але присутні в повсякденному житті, наведені нижче.

Ліки

Однією з методик стерилізації хірургічного матеріалу є опромінення його гамма-випромінюванням. Це повністю знищує мікроорганізми, які вони можуть утримувати. Процес холодний, тому певні біологічні матеріали, чутливі до високих температур, також можуть бути піддані таким дозам опромінення.

Фармакологічний ефект, розповсюдження та усунення нових препаратів оцінюється за допомогою використання радіоізотопів. За допомогою детектора випромінювання ви можете мати реальну картину розподілу препарату в організмі.

Це зображення дає змогу визначити, як довго препарат діє на певну тканину; якщо він не всмоктується належним чином, або якщо він залишається в приміщенні довше, ніж достатньо.

Консервація їжі

Так само зберігається їжа може бути опромінена помірною дозою гамма-випромінювання. Це відповідає за усунення та знищення бактерій, зберігання їжі їстівною довший час.

Наприклад, упаковку з полуницею можна зберігати свіжою навіть через 15 днів зберігання за допомогою цієї методики. Випромінювання настільки слабке, що не проникає на поверхню полуниці; і, отже, вони не забруднюються, не стають і "радіоактивною полуницею".

Детектори диму

Усередині детекторів диму знаходиться лише кілька міліграмів америцію ( ²⁴¹ Ам). Цей радіоактивний метал у цих кількостях виявляє нешкідливе для людей випромінювання під дахами.

²⁴¹ Am випромінює енергію низького альфа - частинки і гамма - промені, ці промені будучи в змозі уникнути детектора. Альфа-частинки іонізують молекули кисню та азоту у повітрі. Усередині детектора різниця напруги збирає і замовляє іони, виробляючи незначний електричний струм.

Іони закінчуються на різних електродах. Коли дим потрапляє у внутрішню камеру детектора, він поглинає альфа-частинки і іонізація повітря порушується. Отже, електричний струм припиняється і спрацьовує тривога.

Ліквідація шкідників

У сільському господарстві помірна радіація застосовується для знищення небажаних комах на посівах. Таким чином, уникнути використання сильно забруднюючих інсектицидів. Це зменшує негативний вплив на ґрунти, ґрунтові води та самі культури.

Знайомства

За допомогою радіоізотопів можна визначити вік певних об’єктів. В археологічних дослідженнях це викликає великий інтерес, оскільки дозволяє розділити зразки та розмістити їх у відповідний час. Радіоізотоп, що використовується для цієї програми, - це вуглець 14 ( ¹⁴ С) на відмінності . Його t _1/2 становить 5700 років, а зразки можна датувати до 50 000 років.

Розпад ¹⁴ С застосовувався спеціально для біологічних зразків, скелетів, копалин тощо. Іншим радіоізотопам, таким як ²⁴⁸ U, є t _1/2 мільйона років. Тоді вимірюючи концентрацію ²⁴⁸ U у зразку метеоритів, осадів та мінералів, можна визначити, чи є він того ж віку, що і Земля.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Френк Кінар. (2019). Ядерна хімія. Відновлено з: chemistryexplained.com
3. Ядерна хімія. (sf). Відновлено з: sas.upenn.edu
4. Мазур Метт. (2019). Хронологія історії ядерної хімії. Вони передують. Відновлено з: preceden.com
5. Сара Е. та Нісса С. (друга). Відкриття радіоактивності. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
6. Скоттсдейл, Бренда. (sf). Які види роботи виконують ядерні хіміки? Робота - Chron.com. Відновлено з: work.chron.com
7. Вікіпедія. (2019). Ядерна хімія. Відновлено з: en.wikipedia.org
8. Американське хімічне товариство. (2019). Ядерна хімія. Кар'єра з хімії. Відновлено з: acs.org
9. Алан Е. Уолтар. (2003). Медичне, сільськогосподарське та промислове застосування ядерних технологій. Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія.