JADROVÁ CHÉMIA: HISTÓRIA, ŠTUDIJNÝ ODBOR, OBLASTI, APLIKÁCIE - CHÉMIA - 2026

Jadrová chémia je štúdium zmien vlastností výrobku z hmoty javu došlo v jadrách atómov; neskúma spôsob interakcie jeho elektrónov alebo ich väzby s inými atómami toho istého alebo iného prvku.

Táto oblasť chémie sa potom zameriava na jadrá a uvoľnené energie, keď pridávajú alebo strácajú niektoré zo svojich častíc; ktoré sa nazývajú nukleóny a ktoré na chemické účely v podstate pozostávajú z protónov a neutrónov.

Rádioaktívny ďatelina. Zdroj: Pixabay.

Mnoho jadrových reakcií spočíva v zmene počtu protónov a / alebo neutrónov, čoho dôsledkom je premena jedného prvku na druhý; starodávny sen o alchymistoch, ktorí sa márne snažili premeniť olovo na zlato.

Toto je možno najprekvapivejšia vlastnosť jadrových reakcií. Takéto transformácie však uvoľňujú obrovské množstvo energie, ako aj zrýchlené častice, ktoré dokážu preniknúť a zničiť záležitosť okolo nich (napríklad DNA našich buniek) v závislosti od ich pridruženej energie.

To znamená, že v jadrovej reakcii sa uvoľňujú rôzne typy žiarenia a keď atóm alebo izotop uvoľňuje žiarenie, hovorí sa o rádioaktívnych (rádionuklidoch). Niektoré žiarenie môže byť neškodné, ba dokonca nezhoubné, použité na boj proti rakovinovým bunkám alebo na štúdium farmakologického účinku určitých liekov pomocou rádioaktívneho značenia.

Na druhej strane iné žiarenie je pri minimálnom kontakte deštruktívne a smrtiace. Bohužiaľ, niektoré z najhorších katastrof v histórii nesú symbol rádioaktivity (rádioaktívny ďatelina, horný obrázok).

Od jadrových zbraní až po černobyľské epizódy a nešťastie rádioaktívneho odpadu a jeho účinky na voľne žijúce zvieratá existuje veľa katastrof spôsobených jadrovou energiou. Na druhej strane by však jadrová energia zaručila nezávislosť od iných zdrojov energie a problémy so znečistením, ktoré spôsobujú.

Bola by to (pravdepodobne) čistá energia, schopná poháňať mestá na večnosť a táto technológia by prekročila svoje pozemské hranice.

Na dosiahnutie tohto cieľa pri najnižších ľudských (a planetárnych) nákladoch sú potrebné vedecké, technologické, ekologické a politické programy a úsilie na „skrotenie“ a „napodobnenie“ jadrovej energie bezpečným a prospešným spôsobom pre ľudstvo a jeho rast. energický.

História jadrovej chémie

svitania

Po opustení alchymistov a kameňov ich filozofov v minulosti (hoci ich snahy priniesli ovocie zásadného významu pre pochopenie chémie), vznikla jadrová chémia, keď sa prvýkrát zistilo to, čo sa nazýva rádioaktivita.

Všetko začalo objavom röntgenových lúčov od Wilhelma Conrada Röntgena (1895) na univerzite vo Wurzburgu. Študoval katódové lúče, keď si všimol, že majú podivnú fluorescenciu, dokonca aj keď je zariadenie vypnuté, schopné preniknúť do nepriehľadného čierneho papiera, ktorý zakrýva skúmavky, v ktorých sa experimenty uskutočňovali.

Henri Becquerel, motivovaný objavmi röntgenových lúčov, navrhol svoje vlastné experimenty na ich štúdium pomocou fluorescenčných solí, ktoré zatemnili fotografické platne chránené čiernym papierom, keď boli vzrušené slnečným žiarením.

Náhodne sa zistilo (pretože v tom čase bolo v Paríži zamračené), že uránové soli zakrývajú fotografické platne bez ohľadu na zdroj svetla, ktorý na ne dopadol. Potom dospel k záveru, že našiel nový typ žiarenia: rádioaktivitu.

Pracovné miesta manželov Curie

Práca Becquerela slúžila ako zdroj inšpirácie pre Marie Curie a Pierra Curieho, aby sa ponorili do fenoménu rádioaktivity (termín, ktorý vytvorila Marie Curie).

Hľadali teda ďalšie minerály (okrem uránu), ktoré tiež predstavovali túto vlastnosť, pričom zistili, že minerálna smola je ešte rádioaktívnejšia, a preto musí obsahovať ďalšie rádioaktívne látky. Ako? Porovnaním elektrických prúdov generovaných ionizáciou molekúl plynu okolo vzoriek.

Po rokoch náročných ťažobných prác a rádiometrických meraní extrahoval rádioaktívne prvky rádium (100 mg zo vzorky s hmotnosťou 2000 kg) a polónium z minerálnej smoly. Curie tiež určovala rádioaktivitu tória prvku.

Bohužiaľ, dovtedy sa začali objavovať škodlivé účinky takéhoto žiarenia.

Merania rádioaktivity sa uľahčili vývojom Geigerovho počítadla (s Hansom Geigerom ako spolu-vynálezcom artefaktu).

Frakcionácia jadra

Ernest Rutherford poznamenal, že každý rádioizotop má svoj vlastný čas rozpadu, nezávislý od teploty, a že sa mení podľa koncentrácie a charakteristík jadier.

Preukázalo sa tiež, že tieto rádioaktívne rozklady sa riadia kinetikou prvého poriadku, ktorej polčasy rozpadu (t _1/2 ) sú dnes veľmi užitočné. Každá látka, ktorá emituje rádioaktivitu, má teda iný t1 _/2 , ktorý sa pohybuje od sekúnd, dní po milióny rokov.

Okrem vyššie uvedeného navrhol atómový model na základe výsledkov svojich experimentov ožarujúcich veľmi tenkú vrstvu zlata alfa časticami (jadrá hélia). Opäť pracoval s alfa časticami a dosiahol transmutáciu atómov dusíka na atómy kyslíka; inými slovami sa mu podarilo premeniť jeden prvok na iný.

Pritom sa súčasne ukázalo, že atóm nebol nedeliteľný, a ešte menej, keď bol bombardovaný zrýchlenými časticami a „pomalými“ neutrónmi.

Štúdijný odbor

Prax a teória

Tí, ktorí sa rozhodnú stať sa špecialistami na jadrovú chémiu, si môžu vybrať z niekoľkých študijných odborov alebo z rôznych oblastí práce. Rovnako ako mnoho vedných odborov, aj oni môžu byť oddaní praxi alebo teórii (alebo obom súčasne) vo svojich príslušných odboroch.

Filmový príklad je možné vidieť vo filmoch superhrdinov, kde vedci získavajú jednotlivca, ktorý získa super moc (napríklad Hulk, fantastická štvorka, Spiderman a Doctor Manhattan).

V skutočnom živote (prinajmenšom povrchne) sa jadroví chemici namiesto toho snažia navrhnúť nové materiály schopné odolávať enormnému jadrovému odporu.

Tieto materiály, rovnako ako prístrojové vybavenie, musia byť nezničiteľné a dostatočne špeciálne na to, aby izolovali emisie žiarenia a obrovské teploty, ktoré sa uvoľnia pri začatí jadrových reakcií; najmä jadrovej fúzie.

Teoreticky môžu navrhnúť simulácie, aby najskôr odhadli uskutočniteľnosť určitých projektov a ako ich zlepšiť pri najnižších nákladoch a negatívnych dopadoch; alebo matematické modely, ktoré umožňujú odhaliť čakajúce tajomstvá jadra.

Podobne študujú a navrhujú spôsoby skladovania a / alebo spracovania jadrového odpadu, pretože rozklad trvá asi miliardy rokov a je vysoko znečisťujúci.

Typické úlohy

Tu je krátky zoznam typických úloh, ktoré môže jadrový chemik robiť:

- Priamy výskum vo vládnych, priemyselných alebo akademických laboratóriách.

- Spracujte stovky údajov prostredníctvom štatistických balíkov a viacrozmernej analýzy.

- Učia triedy na univerzitách.

- Vyvíjajte bezpečné zdroje rádioaktivity pre rôzne aplikácie zahŕňajúce širokú verejnosť alebo pre použitie v leteckých a kozmických zariadeniach.

- Dizajnové techniky a zariadenia, ktoré zisťujú a monitorujú rádioaktivitu v prostredí.

- záruka, že laboratórne podmienky sú optimálne pre zaobchádzanie s rádioaktívnym materiálom; ktoré dokonca manipulujú pomocou robotických ramien.

- Ako technici udržiavajú dozimetre a zbierajú rádioaktívne vzorky.

oblasti

Predchádzajúca časť všeobecne popisuje, aké sú úlohy jadrového chemika na jeho pracovisku. Teraz je špecifikovaných trochu viac o rôznych oblastiach, v ktorých sa používa alebo študuje jadrové reakcie.

Radiochemistry

V rádiochémii sa študuje samotný radiačný proces. To znamená, že do hĺbky zvažuje všetky rádioizotopy, ako aj ich čas rozkladu, žiarenie, ktoré uvoľňujú (alfa, beta alebo gama), ich správanie v rôznych prostrediach a ich možné aplikácie.

Toto je možno oblasť jadrovej chémie, ktorá v porovnaní s ostatnými pokročila najviac dnes. Mal na starosti inteligentné a priateľské používanie rádioizotopov a miernych dávok žiarenia.

Jadrová energia

V tejto oblasti jadroví chemici spolu s výskumníkmi z iných špecialít študujú a navrhujú bezpečné a kontrolovateľné metódy na využitie jadrovej energie produkovanej štiepením jadier; to znamená jej frakcionácie.

Podobne sa navrhuje to isté s reakciami jadrovej fúzie, ako sú tí, ktorí by chceli skrotiť malé hviezdy, ktoré dodávajú svoju energiu; s prekážkou, že podmienky sú ohromujúce a neexistuje žiadny fyzický materiál, ktorý by im bol schopný odolať (predstavte si uzavretie slnka v klietke, ktorá sa neroztaví kvôli intenzívnemu teplu).

Jadrová energia sa môže dobre využiť na charitatívne účely alebo na vojnové účely pri vývoji ďalších zbraní.

Skladovanie a odpad

Problém, ktorý predstavuje jadrový odpad, je veľmi vážny a ohrozujúci. Z tohto dôvodu sa v tejto oblasti venujú navrhovaniu stratégií na „uväznenie“ takým spôsobom, aby žiarenie, ktoré vyžarujú, nepreniklo do ochranného obalu; škrupina, ktorá musí odolať zemetraseniu, povodniam, vysokým tlakom a teplotám atď.

Umelá rádioaktivita

Všetky transuranické prvky sú rádioaktívne. Boli syntetizované rôznymi technikami vrátane: bombardovania jadier neutrónmi alebo inými urýchlenými časticami.

Na tento účel sa použili lineárne urýchľovače alebo cyklotróny (ktoré majú tvar D). Vo vnútri sa častice zrýchlia na rýchlosti blízke rýchlosti svetla (300 000 km / s) a potom sa zrazia s cieľom.

Zrodilo sa teda niekoľko umelých rádioaktívnych prvkov a ich hojnosť na Zemi je nulová (hoci sa môžu vyskytovať prirodzene v oblastiach Kozmu).

V niektorých urýchľovačoch je sila zrážok taká, že dochádza k rozpadu hmoty. Analýzou fragmentov, ktoré sa ťažko dajú zistiť kvôli ich krátkej životnosti, bolo možné dozvedieť sa viac o kompendiu atómových častíc.

aplikácia

Chladiace veže jadrovej elektrárne. Zdroj: Pixabay.

Obrázok hore ukazuje dve chladiace veže charakteristické pre jadrové elektrárne, ktorých elektráreň môže zásobovať celé mesto elektrinou; napríklad závod v Springfielde, kde pracuje Homer Simpson a ktorý vlastní pán Burns.

Potom jadrové elektrárne využívajú energiu uvoľnenú z jadrových reaktorov na zásobovanie potrebou energie. Toto je ideálna a sľubná aplikácia jadrovej chémie: neobmedzená energia.

V celom článku sa implicitne spomína množstvo aplikácií jadrovej chémie. Ďalšie aplikácie, ktoré nie sú také zrejmé, ale ktoré sa vyskytujú v každodennom živote, sú uvedené nižšie.

Liek

Jednou technikou sterilizácie chirurgického materiálu je ožarovanie gama žiarením. Týmto sa úplne ničia mikroorganizmy, ktoré môžu obsahovať. Proces je chladný, takže určité biologické materiály, citlivé na vysoké teploty, môžu byť tiež vystavené takýmto dávkam žiarenia.

Farmakologický účinok, distribúcia a eliminácia nových liekov sa hodnotí pomocou rádioizotopov. S detektorom vyžarovaného žiarenia môžete získať reálny obraz o distribúcii lieku v tele.

Tento obrázok umožňuje určiť, ako dlho liek pôsobí na určité tkanivo; ak sa nedokáže správne absorbovať alebo ak zostane v interiéri dlhšie, ako je primerané.

Konzervovanie potravín

Podobne je možné ožarované potraviny ožarovať miernou dávkou gama žiarenia. To je zodpovedné za odstraňovanie a ničenie baktérií a udržanie jedla po dlhšiu dobu.

Napríklad balenie jahôd sa môže pomocou tejto techniky udržiavať čerstvé aj po 15 dňoch skladovania. Žiarenie je také slabé, že neprechádza povrchom jahôd; a preto nie sú kontaminované, ani sa z nich nestanú „rádioaktívne jahody“.

Detektory dymu

Vo vnútri detektorov dymu je len niekoľko miligramov amerického ( ²⁴¹ ). Tento rádioaktívny kov v týchto množstvách vykazuje žiarenie neškodné pre ľudí prítomných pod strechami.

²⁴¹ Am vysiela nízkoenergetické častice alfa a gama žiarenia, tieto lúče ho nemohli uniknúť detektora. Častice alfa ionizujú molekuly kyslíka a dusíka vo vzduchu. Vo vnútri detektora rozdiel napätia zbiera a objednáva ióny a vytvára mierny elektrický prúd.

Ióny skončia na rôznych elektródach. Keď dym vstupuje do vnútornej komory detektora, absorbuje alfa častice a je narušená ionizácia vzduchu. V dôsledku toho sa elektrický prúd zastaví a aktivuje sa alarm.

Odstraňovanie škodcov

V poľnohospodárstve sa na usmrtenie nežiaduceho hmyzu na plodinách používa mierne ožarovanie. Tým sa zabráni použitiu vysoko znečisťujúcich insekticídov. To znižuje negatívny dopad na pôdu, podzemnú vodu a samotné plodiny.

datovania

Pomocou rádioizotopov je možné určiť vek určitých objektov. V archeologických štúdiách je to veľmi zaujímavé, pretože to umožňuje separáciu vzoriek a ich umiestnenie do zodpovedajúcich časov. Rádioizotopom, ktorý sa používa na túto aplikáciu, je excelentný uhlík 14 ( ¹⁴ C). Jeho t _1/2 je 5700 rokov a vzorky možno datovať až do 50 000 rokov.

Rozklad ¹⁴ ° C sa používa najmä na biologické vzorky, kostry, fosílie atď. Iné rádioizotopy, napríklad ²⁴⁸ U, majú vek _1/2 milióna rokov. Meraním koncentrácií ²⁴⁸ U vo vzorke meteoritov, sedimentov a minerálov je možné určiť, či je to rovnaký vek ako Zem.

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning.
2. Frank Kinard. (2019). Jadrová chémia. Obnovené z: chemistryexplained.com
3. Jadrová chémia. (SF). Získané z: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Časový harmonogram histórie jadrovej chémie. Predchádzajú. Obnovené z: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Objavovanie rádioaktivity. Chémia LibreTexts. Obnovené z: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (SF). Aké typy pracovných miest robia jadroví chemici? Práca - Chron.com. Obnovené z: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Jadrová chémia. Obnovené z: en.wikipedia.org
8. Americká chemická spoločnosť. (2019). Jadrová chémia. Kariéra v chémii. Obnovené z: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Lekárske, poľnohospodárske a priemyselné aplikácie jadrovej technológie. Tichomorské severozápadné národné laboratórium.