KÄRNKEMI: HISTORIA, STUDIEOMRÅDE, OMRÅDEN, APPLIKATIONER - KEMI - 2025

Den kärnkemi är studiet av förändringar i produktegenskaperna hos materia fenomen inträffade i kärnan av atomer; den studerar inte hur dess elektroner interagerar eller deras bindningar med andra atomer av samma eller ett annat element.

Denna kemi gren fokuserar sedan på kärnorna och de energi som frigörs när de lägger till eller förlorar några av sina partiklar som kallas nukleoner, och som för kemiska ändamål väsentligen består av protoner och neutroner.

Radioaktiv klöver. Källa: Pixabay.

Många kärnreaktioner består av en förändring i antalet protoner och / eller neutroner, vilket har som en följd omvandlingen av ett element till ett annat; forntida dröm om alkymister, som förgäves försökte förvandla blymetall till guld

Detta är kanske det mest överraskande kännetecknet för kärnreaktioner. Sådana transformationer frigör emellertid enorma mängder energi, såväl som accelererade partiklar som lyckas tränga igenom och förstöra ämnet runt dem (t.ex. DNA i våra celler) beroende på deras tillhörande energi.

Det vill säga i en kärnreaktion frigörs olika typer av strålning, och när en atom eller isotop frigör strålning sägs den vara radioaktiv (radionuklider). Vissa strålningar kan vara ofarliga och till och med godartade, som används för att bekämpa cancerceller eller studera den farmakologiska effekten av vissa läkemedel genom radioaktiv märkning.

Andra strålningar är å andra sidan destruktiva och dödliga vid minsta kontakt. Tyvärr har flera av de värsta katastroferna i historien symbolen för radioaktivitet (radioaktiv klöver, toppbild).

Från kärnvapen, till Tjernobyl-avsnitten och olyckan med radioaktivt avfall och dess effekter på djurlivet finns det många katastrofer som utlöses av kärnenergi. Men å andra sidan skulle kärnenergi garantera oberoende från andra energikällor och de föroreningsproblem de orsakar.

Det skulle (förmodligen) vara ren energi, kunna driva städer för en evighet, och tekniken skulle överskrida dess jordiska gränser.

För att uppnå allt detta till lägsta mänskliga (och planetära) kostnad krävs vetenskapliga, tekniska, ekologiska och politiska program och ansträngningar för att "temma" och "härma" kärnenergi på ett säkert och gynnsamt sätt för mänskligheten och dess tillväxt. energisk.

Historik om kärnkemi

Gryning

Efter att ha lämnat alkymisterna och filosofens sten tidigare (även om deras ansträngningar har bär frukt av avgörande betydelse för förståelsen av kemi), föddes kärnkemi när det som kallas radioaktivitet först upptäcktes.

Det hela började med upptäckten av röntgenstrålar av Wilhelm Conrad Röntgen (1895) vid universitetet i Wurzburg. Han studerade katodstrålar när han märkte att de härstod från en konstig fluorescens, även med anordningen avstängd, kapabel att tränga igenom det ogenomskinliga svarta papperet som täckte rören i vilka experimenten genomfördes.

Henri Becquerel, motiverad av upptäckten av röntgenstrålar, designade sina egna experiment för att studera dem med hjälp av lysrörsalter, som mörknade fotografiska plattor, skyddade av svartpapper, när de blev upphetsade av solljus.

Det konstaterades av misstag (eftersom vädret i Paris var molnigt vid den tiden), att uransalter dolda fotografiska plattor, oavsett ljuskälla som föll på dem. Han drog sedan slutsatsen att han hade hittat en ny typ av strålning: radioaktivitet.

Jobb för Curie-makarna

Becquerels arbete fungerade som en inspirationskälla för Marie Curie och Pierre Curie för att fördjupa fenomenet radioaktivitet (ett uttryck myntat av Marie Curie).

Således letade de efter andra mineraler (utöver uran) som också presenterade den här egenskapen, och fann att mineralet pitchblende är ännu mer radioaktivt, och att det därför måste ha andra radioaktiva ämnen. Hur? Genom att jämföra de elektriska strömmarna genererade genom jonisering av gasmolekyler runt proverna.

Efter flera års hårda extraktionsarbete och radiometriska mätningar extraherade han de radioaktiva elementen radium (100 mg från ett 2000 kg prov) och polonium från mineral pitchblende. Curie bestämde också radioaktiviteten för elementet thorium.

Tyvärr började då de skadliga effekterna av sådan strålning upptäckas.

Mätningar av radioaktivitet underlättades med utvecklingen av Geiger-disken (med Hans Geiger som meduppfinnar av artefakten).

Kärnfraktionering

Ernest Rutherford observerade att varje radioisotop hade sin egen sönderfallstid, oberoende av temperatur, och att den varierade med koncentrationen och egenskaperna hos kärnorna.

Det visade också att dessa radioaktiva sönderfall följer första ordens kinetik, vars halveringstid (t _1/2 ) fortfarande är mycket användbar idag. Således har varje ämne som avger radioaktivitet en annan t _1/2 , som sträcker sig från sekunder, dagar till miljoner år.

Utöver allt ovan föreslog han en atommodell som ett resultat av resultaten från hans experiment som bestrålade ett mycket tunt guldark med alfapartiklar (heliumkärnor). Genom att arbeta igen med alfapartiklarna uppnådde han transmutationen av kväveatomer till syreatomer; med andra ord, han hade lyckats konvertera ett element till ett annat.

På så sätt visades det på en gång att atomen inte var odelbar och ännu mindre när den bombades av accelererade partiklar och "långsamma" neutroner.

Studieområde

Övning och teori

De som bestämmer sig för att bli en del av nukleärkemispecialisterna kan välja olika områden för studier eller forskning, liksom olika arbetsområden. Liksom många vetenskapsgrenar kan de ägnas åt praktik eller teori (eller båda samtidigt) inom sina motsvarande områden.

Ett filmiskt exempel ses i superhjältefilmer, där forskare får en individ att skaffa superkrafter (som Hulken, de fantastiska fyra, Spiderman och Doctor Manhattan).

I verkligheten (åtminstone ytligt) försöker kärnkemister istället utforma nya material som kan motstå enormt kärnkraftsmotstånd.

Dessa material, liksom instrumenteringen, måste vara oförstörbara och tillräckligt speciella för att isolera strålningens utsläpp och de enorma temperaturer som släpps ut när man startar kärnreaktioner; särskilt de med kärnfusion.

I teorin kan de utforma simuleringar för att först uppskatta genomförbarheten för vissa projekt och hur man kan förbättra dem till lägsta kostnad och negativa effekter. eller matematiska modeller som gör det möjligt att avslöja de väntande mysterierna i kärnan.

På samma sätt studerar och föreslår de sätt att lagra och / eller behandla kärnavfall, eftersom det tar miljarder år att sönderdelas och är mycket förorenande.

Typiska jobb

Här är en kort lista med typiska jobb som en kärnkemist kan göra:

-Direkt forskning i myndigheter, industriella eller akademiska laboratorier.

-Bearbeta hundratals data genom statistiska paket och multivariat analys.

-De undervisar lektioner på universitet.

-Utveckla säkra radioaktivitetskällor för olika applikationer som involverar allmänheten eller för användning i rymdapparater.

-Design tekniker och enheter som detekterar och övervakar radioaktivitet i miljön.

- Garantera att laboratorieförhållandena är optimala för hantering av radioaktivt material; som de till och med manipulerar med robotarmar.

- Som tekniker håller de dosimetrar och samlar in radioaktiva prover.

områden

Det föregående avsnittet beskrev i allmänna termer vilka uppgifter en kärnkemist har på sin arbetsplats. Nu specificeras lite mer om olika områden där användningen eller studien av kärnreaktioner finns.

radiokemi

I radiokemi studeras själva strålningsprocessen. Detta innebär att den tar djupgående hänsyn till alla radioisotoper, liksom deras sönderfallstid, strålningen de släpper (alfa, beta eller gamma), deras beteende i olika miljöer och deras möjliga applikationer.

Detta är kanske det område med kärnkemi som har avancerat mest idag jämfört med de andra. Han har ansvarat för att använda radioisotoper och måttliga strålningsdoser på ett intelligent och vänligt sätt.

Kärnenergi

Inom detta område studerar och utformar kärnkemister tillsammans med forskare från andra specialiteter säkra och kontrollerbara metoder för att dra nytta av kärnenergi producerad genom klyvning av kärnor; det vill säga av dess fraktionering.

På samma sätt föreslås det att göra samma sak med kärnfusionsreaktioner, till exempel de som skulle vilja temma små stjärnor som ger sin energi; med hinder att förhållandena är överväldigande och att det inte finns något fysiskt material som kan motstå dem (tänk dig att omsluta solen i en bur som inte smälter på grund av den intensiva värmen).

Kärnkraften kan väl användas för välgörenhetsändamål eller för krigsändamål för att utveckla fler vapen.

Lagring och avfall

Problemet som kärnavfall representerar är mycket allvarligt och hotande. Det är av detta skäl som de på detta område ägnar sig åt att utforma strategier för att "fängsla dem" på ett sådant sätt att strålningen de avger inte tränger igenom deras inneslutningsskal; skal, som måste kunna motstå jordbävningar, översvämningar, högt tryck och temperaturer, etc.

Konstgjord radioaktivitet

Alla transuraniska element är radioaktiva. De har syntetiserats med olika tekniker, inklusive: bombardemang av kärnor med neutroner eller andra accelererade partiklar.

För detta har man använt linjära acceleratorer eller cyklotroner (som är D-formade). Inuti dem accelereras partiklarna till hastigheter nära ljusets (300 000 km / s) och kolliderar sedan med ett mål.

Således föddes flera artificiella, radioaktiva element, och deras överflöd på jorden är noll (även om de kan förekomma naturligt i regioner i kosmos).

I vissa acceleratorer är kraften i kollisioner sådan att materialet sönderdelas. Genom att analysera fragmenten, som knappast kan upptäckas på grund av deras korta livslängd, har det varit möjligt att lära sig mer om atompartiklarnas kompendium.

tillämpningar

Kyltorn från ett kärnkraftverk. Källa: Pixabay.

Bilden ovan visar två kyltorn som är karakteristiska för kärnkraftverk, vars anläggning kan förse en hel stad med elektricitet; till exempel Springfield-anläggningen, där Homer Simpson arbetar och ägs av Mr. Burns.

Sedan använder kärnkraftverk den energi som frigörs från kärnreaktorer för att tillhandahålla ett energibehov. Detta är den idealiska och lovande tillämpningen av kärnkemi: obegränsad energi.

Under hela artikeln har implicit nämnts många tillämpningar av kärnkemi. Andra applikationer som inte är så uppenbara, men som finns i det dagliga livet, är följande nedan.

Medicin

En teknik för sterilisering av kirurgiskt material är att bestråla det med gammastrålning. Detta förstör helt mikroorganismerna som de kan ha. Processen är kall, så vissa biologiska material, känsliga för höga temperaturer, kan också utsättas för sådana strålningsdoser.

Den farmakologiska effekten, distributionen och elimineringen av de nya läkemedlen utvärderas genom användning av radioisotoper. Med en utsänd strålningsdetektor kan du få en riktig bild av fördelningen av läkemedlet i kroppen.

Denna bild gör det möjligt att bestämma hur länge läkemedlet verkar på en viss vävnad; om den inte lyckas absorbera ordentligt eller om den förblir inomhus längre än vad som är tillräckligt.

Matbevarande

På liknande sätt kan lagrad mat bestrålas med en måttlig dos av gammastrålning. Detta ansvarar för att eliminera och förstöra bakterier, hålla maten ätbar under längre tid.

Till exempel kan ett paket jordgubbar hållas färskt efter till och med 15 dagars lagring med denna teknik. Strålningen är så svag att den inte tränger in i jordgubbarnas yta; och därför är de inte förorenade, och de blir inte heller "radioaktiva jordgubbar".

Rökdetektorer

Inuti rökdetektorerna finns bara några milligram americium ( ²⁴¹ Am). Denna radioaktiva metall uppvisar vid dessa mängder strålning oskadlig för människor närvarande under taken.

Den ²⁴¹ Am avger låg energi alfapartiklar och gammastrålar, dessa strålar att kunna avgå detektorn. Alfapartiklar joniserar syre- och kvävemolekylerna i luften. Inuti detektorn samlar och beställer en spänningsskillnad jonerna, vilket ger en liten elektrisk ström.

Jonerna hamnar på olika elektroder. När rök kommer in i detektorns inre kammare, absorberar den alfapartiklar och joniseringen av luften störs. Följaktligen stoppas den elektriska strömmen och ett larm aktiveras.

Eliminering av skadedjur

I jordbruket har måttlig strålning använts för att döda oönskade insekter på grödor. Således undviks användningen av mycket förorenande insektsmedel. Detta minskar den negativa påverkan på jord, grundvatten och själva grödorna.

Dating

Med hjälp av radioisotoper kan åldern för vissa objekt bestämmas. I arkeologiska studier är detta av stort intresse eftersom det gör att proverna kan separeras och placeras i motsvarande tider. Radioisotop som används för denna applikation är kol 14 ( ¹⁴ C) par excellence . Dess _1/2 är 5700 år och prover kan dateras upp till 50 000 år gamla.

Förfallet av ¹⁴ ° C har använts speciellt för biologiska prover, skelett, fossiler etc. Andra radioisotoper, såsom ²⁴⁸ U, är _1/2 miljon år gamla. Genom att sedan mäta koncentrationerna av ²⁴⁸ U i ett prov av meteoriter, sediment och mineraler kan det bestämmas om det är samma ålder som Jorden.

referenser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi. (8: e upplagan). CENGAGE Learning.
2. Frank Kinard. (2019). Kärnkemi. Återställd från: chemistryexplained.com
3. Kärnkemi. (Sf). Återställd från: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Tidslinje för historien om nukleär kemi. De föregår. Återställd från: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Upptäckt av radioaktivitet. Kemi LibreTexts. Återställd från: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (Sf). Vilka typer av jobb gör kärnkemister? Arbeta - Chron.com. Återställs från: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Kärnkemi. Återställd från: en.wikipedia.org
8. American Chemical Society. (2019). Kärnkemi. Kemi Karriärer. Återställd från: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Kärnteknologins medicinska, jordbruks- och industriella tillämpningar. Pacific Northwest National Laboratory.