JADERNÁ CHEMIE: HISTORIE, OBOR, OBLASTI, APLIKACE - CHEMIE - 2025

Jaderná chemie je studium změn vlastností výrobku z hmoty jevu došlo v jádrech atomů; nestuduje způsob interakce jeho elektronů nebo jejich vazby s jinými atomy stejného nebo jiného prvku.

Toto odvětví chemie se pak zaměřuje na jádra a uvolněné energie, když přidají nebo ztratí některé ze svých částic; které se nazývají nukleony a které pro chemické účely v podstatě sestávají z protonů a neutronů.

Radioaktivní jetel. Zdroj: Pixabay.

Mnoho jaderných reakcí spočívá ve změně počtu protonů a / nebo neutronů, což má za následek přeměnu jednoho prvku na druhý; starověký sen o alchymistech, kteří se marně snažili přeměnit olovo na zlato.

To je možná nejpřekvapivější charakteristika jaderných reakcí. Takové transformace však uvolňují enormní množství energie a zrychlené částice, které dokážou proniknout a zničit hmotu kolem nich (jako je DNA našich buněk) v závislosti na jejich přidružené energii.

To znamená, že v jaderné reakci se uvolňují různé typy záření a když atom nebo izotop uvolní záření, říká se, že je radioaktivní (radionuklidy). Některé záření může být neškodné a dokonce benigní, může být použito k boji s rakovinnými buňkami nebo ke studiu farmakologického účinku určitých léků radioaktivním značením.

Jiná záření jsou na druhé straně destruktivní a smrtelná při minimálním kontaktu. Bohužel, některé z nejhorších katastrof v historii nesou symbol radioaktivity (jetel, horní obrázek).

Od jaderných zbraní, po černobylské epizody a neštěstí radioaktivního odpadu a jeho dopady na volně žijící živočichy existuje mnoho katastrof způsobených jadernou energií. Na druhou stranu by však jaderná energie zajistila nezávislost na jiných zdrojích energie a problémy způsobené znečištěním.

Byla by to (pravděpodobně) čistá energie, schopná pohánět města na věčnost a technologie by překročila pozemské hranice.

K dosažení tohoto cíle při co nejnižších lidských (a planetárních) nákladech jsou zapotřebí vědecké, technologické, ekologické a politické programy a úsilí k „skrotování“ a „napodobování“ jaderné energie bezpečným a prospěšným způsobem pro lidstvo a jeho růst. energický.

Dějiny jaderné chemie

Svítání

Ponechání alchymistů a kámen jejich filozofů v minulosti (ačkoli jejich úsilí přineslo ovoce zásadní důležitosti pro pochopení chemie), jaderná chemie se zrodila, když bylo poprvé detekováno to, co se nazývá radioaktivita.

Všechno to začalo objevem rentgenových paprsků od Wilhelma Conrada Röntgena (1895) na univerzitě ve Wurzburgu. Studoval katodové paprsky, když si všiml, že mají podivnou fluorescenci, i když je zařízení vypnuté, schopné proniknout do neprůhledného černého papíru, který zakryl trubice, ve kterých byly experimenty prováděny.

Henri Becquerel, motivovaný objevy rentgenů, navrhl své vlastní experimenty, aby je studoval pomocí fluorescenčních solí, které ztmavly fotografické desky chráněné černým papírem, když byly vzrušeny slunečním světlem.

Náhodně bylo zjištěno (protože v té době bylo v Paříži zataženo), že uranové soli zakrývají fotografické desky, bez ohledu na zdroj světla, který na ně dopadl. Poté dospěl k závěru, že našel nový typ záření: radioaktivitu.

Práce manželů Curie

Becquerelova práce sloužila jako zdroj inspirace pro Marie Curie a Pierra Curie, aby se ponořili do fenoménu radioaktivity (termín vytvořený Marie Curie).

Hledali tedy další minerály (kromě uranu), které také představovaly tuto vlastnost, a zjistily, že minerální pitchblende je ještě radioaktivnější, a proto musí mít jiné radioaktivní látky. Jak? Porovnáním elektrických proudů generovaných ionizací molekul plynu kolem vzorků.

Po letech náročných extrakčních prací a radiometrických měření extrahoval radioaktivní prvky radium (100 mg ze vzorku o hmotnosti 2000 kg) a polonium z minerální smoly. Také Curie určila radioaktivitu thoria prvku.

Bohužel do té doby se začaly objevovat škodlivé účinky takového záření.

Měření radioaktivity byla usnadněna vývojem Geigerova čítače (s Hansem Geigerem jako spolu-vynálezcem artefaktu).

Frakcionace jader

Ernest Rutherford poznamenal, že každý radioizotop má svůj vlastní čas rozpadu, nezávislý na teplotě, a že se mění s koncentrací a charakteristikami jader.

Ukázalo se také, že se tyto radioaktivní rozpady řídí kinetikou prvního řádu, jejíž poločasy rozpadu (t _1/2) jsou dodnes velmi užitečné. Každá látka, která emituje radioaktivitu, má tedy jiný t _1/2, který sahá od sekund, dnů po miliony let.

Kromě výše uvedeného navrhl atomový model jako výsledek výsledků jeho experimentů ožarujících velmi tenkou vrstvu zlata alfa částicemi (jádra helia). Znovu pracoval s částicemi alfa a dosáhl transmutace atomů dusíku na atomy kyslíku; jinými slovy se mu podařilo přeměnit jeden prvek na druhý.

Přitom bylo najednou ukázáno, že atom není nedělitelný, a ještě méně, když byl bombardován zrychlenými částicemi a „pomalými“ neutrony.

Obor studia

Cvičení a teorie

Ti, kteří se rozhodnou stát se součástí odborníků jaderné chemie, si mohou vybrat z několika oborů studia nebo výzkumu a různých oborů práce. Stejně jako mnoho vědních oborů se mohou věnovat praxi nebo teorii (nebo obě současně) ve svých příslušných oborech.

Filmový příklad je vidět ve filmech superhrdiny, kde vědci získávají jednotlivce, aby získal super síly (jako je Hulk, fantastická čtyřka, Spiderman a Doctor Manhattan).

V reálném životě (alespoň povrchně) se jaderní chemici místo toho snaží navrhnout nové materiály schopné odolávat enormnímu jadernému odporu.

Tyto materiály, stejně jako vybavení, musí být nezničitelné a dostatečně speciální, aby izolovaly emise záření a enormní teploty uvolněné při zahájení jaderných reakcí; zvláště ty jaderné fúze.

Teoreticky mohou navrhnout simulace, aby nejprve odhadly proveditelnost určitých projektů a jak je zlepšit při nejnižších nákladech a negativním dopadu; nebo matematické modely, které umožňují odhalit nevyřešená tajemství jádra.

Rovněž studují a navrhují způsoby skladování a / nebo nakládání s jaderným odpadem, protože rozklad trvá a miliardy let je vysoce znečišťující.

Typické úlohy

Zde je krátký seznam typických úloh, které může jaderný chemik dělat:

- Přímý výzkum ve vládních, průmyslových nebo akademických laboratořích.

- Zpracovávejte stovky dat prostřednictvím statistických balíčků a vícerozměrné analýzy.

-Vyučují třídy na univerzitách.

-Vyvíjejte bezpečné zdroje radioaktivity pro různé aplikace zahrnující širokou veřejnost nebo pro použití v leteckých zařízeních.

- Návrhové techniky a zařízení, které detekují a monitorují radioaktivitu v prostředí.

- záruka, že laboratorní podmínky jsou optimální pro manipulaci s radioaktivním materiálem; které dokonce manipulují pomocí robotických paží.

- Jako technici udržují dozimetry a shromažďují radioaktivní vzorky.

Oblasti

Předchozí část obecně popisuje, jaké jsou úkoly jaderného chemika na jeho pracovišti. Nyní je uvedeno něco více o různých oblastech, ve kterých se vyskytuje použití nebo studium jaderných reakcí.

Radiochemie

V radiochemii je studován samotný radiační proces. To znamená, že bere v úvahu všechny radioizotopy do hloubky, jakož i jejich čas rozpadu, záření, které uvolňují (alfa, beta nebo gama), jejich chování v různých prostředích a jejich možné aplikace.

To je snad oblast jaderné chemie, která se ve srovnání s ostatními posunula nejvíce dnes. Měl na starosti inteligentní a přátelské používání radioizotopů a mírných dávek záření.

Nukleární energie

V této oblasti jaderní chemici společně s vědci z jiných specialit studují a navrhují bezpečné a kontrolovatelné metody, aby využili jadernou energii produkovanou štěpením jader; to znamená, jeho frakcionace.

Podobně se navrhuje dělat to samé s reakcemi jaderné fúze, jako jsou ti, kteří by chtěli zkrotit malé hvězdy, které jim dodávají energii; s překážkou, že podmínky jsou ohromující a neexistuje žádný fyzický materiál, který by jim byl schopen odolat (představte si uzavření slunce v kleci, která se neroztaví kvůli intenzivnímu teplu).

Jaderná energie může být dobře využita pro charitativní účely nebo pro válečné účely při vývoji více zbraní.

Skladování a odpad

Problém, který představuje jaderný odpad, je velmi závažný a hrozící. Z tohoto důvodu se v této oblasti věnují vymýšlení strategií „uvěznění“ takovým způsobem, aby vyzařované záření neproniklo do jejich ochranného obalu; skořápka, která musí být schopna odolat zemětřesení, povodním, vysokým tlakům a teplotám atd.

Umělá radioaktivita

Všechny transuranické prvky jsou radioaktivní. Byly syntetizovány pomocí různých technik, včetně: bombardování jader neutrony nebo jinými urychlenými částicemi.

K tomu se používají lineární urychlovače nebo cyklotrony (které mají tvar D). Uvnitř jsou částice zrychleny na rychlosti blízké rychlosti světla (300 000 km / s) a poté se srazí s cílem.

Tak se zrodilo několik umělých, radioaktivních prvků a jejich hojnost na Zemi je nulová (ačkoli mohou existovat přirozeně v oblastech Kosmu).

U některých urychlovačů je síla kolizí taková, že dochází k rozpadu hmoty. Analýzou fragmentů, které lze jen těžko detekovat kvůli jejich krátké životnosti, bylo možné dozvědět se více o kompendiu atomových částic.

Aplikace

Chladicí věže jaderné elektrárny. Zdroj: Pixabay.

Obrázek nahoře ukazuje dvě chladicí věže charakteristické pro jaderné elektrárny, jejichž elektrárna může dodávat elektřinu celé město; například závod Springfield, kde Homer Simpson pracuje, a je ve vlastnictví pana Burnse.

Poté jaderné elektrárny využívají energii uvolněnou z jaderných reaktorů k zásobování potřebou energie. Toto je ideální a slibná aplikace jaderné chemie: neomezená energie.

V celém článku byla implicitně zmíněna řada aplikací jaderné chemie. Další aplikace, které nejsou tak zřejmé, ale které se vyskytují v každodenním životě, jsou následující.

Lék

Jednou technikou sterilizace chirurgického materiálu je ozáření gama zářením. Tím se zcela ničí mikroorganismy, které mohou uchovávat. Proces je chladný, takže určité biologické materiály, citlivé na vysoké teploty, mohou být také vystaveny těmto radiačním dávkám.

Farmakologický účinek, distribuce a eliminace nových léků se hodnotí pomocí radioizotopů. S detektorem emitovaného záření můžete získat skutečný obrázek o distribuci léku v těle.

Tento obrázek umožňuje určit, jak dlouho lék působí na určitou tkáň; pokud se nedokáže správně absorbovat nebo pokud zůstane v interiéru déle, než je dostačující.

Konzervace potravin

Obdobně může být skladované jídlo ozářeno mírnou dávkou gama záření. To je zodpovědné za odstraňování a ničení bakterií a udržování potravin jedlých po delší dobu.

Pomocí této techniky lze například uchovávat čerstvé jahody i po 15 dnech skladování. Záření je tak slabé, že neproniká povrchem jahod; a proto nejsou kontaminovány a nestávají se „radioaktivními jahodami“.

Detektory kouře

Uvnitř kouřových detektorů je jen několik miligramů američana (²⁴¹ Am). Tento radioaktivní kov v těchto množstvích vykazuje záření neškodné lidem přítomným pod střechami.

²⁴¹ Am vysílá nízkoenergetické částice alfa a gama záření, tyto paprsky ho nemohly uniknout detektoru. Částice alfa ionizují molekuly kyslíku a dusíku ve vzduchu. Uvnitř detektoru se pomocí rozdílu napětí sbírají a objednávají ionty, čímž vzniká slabý elektrický proud.

Ionty končí na různých elektrodách. Když kouř vnikne do vnitřní komory detektoru, absorbuje částice alfa a ionizace vzduchu je narušena. V důsledku toho je elektrický proud zastaven a je aktivován alarm.

Odstranění škůdců

V zemědělství se používá mírné záření k zabíjení nežádoucích hmyzů na plodinách. Tím se zabrání použití vysoce znečišťujících insekticidů. To snižuje negativní dopad na půdu, podzemní vodu a samotné plodiny.

Chodit s někým

Pomocí radioizotopů lze určit věk určitých objektů. V archeologických studiích je to velmi zajímavé, protože to umožňuje separaci vzorků a jejich umístění v odpovídajících dobách. Radioizotop používaný pro tuto aplikaci je uhlík 14 (¹⁴ C) par excellence. Jeho t _1/2 je 5700 let a vzorky lze datovat až do 50 000 let.

Rozpad ¹⁴ C se používá zejména pro biologické vzorky, kostry, fosílie atd. Jiné radioizotopy, například ²⁴⁸ U, jsou staré _1/2 milionu let. Měřením koncentrací ²⁴⁸ U ve vzorku meteoritů, sedimentů a minerálů lze zjistit, zda je to stejný věk jako Země.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
2. Frank Kinard. (2019). Jaderná chemie. Obnoveno z: chemistryexplained.com
3. Jaderná chemie. (sf). Obnoveno z: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Časová osa pro historii jaderné chemie. Předcházejí. Obnoveno z: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Objev radioaktivity. Chemie LibreTexts. Obnoveno z: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (sf). Jaké typy pracovních míst jaderní chemici dělají? Práce - Chron.com. Obnoveno z: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Jaderná chemie. Obnoveno z: en.wikipedia.org
8. Americká chemická společnost. (2019). Jaderná chemie. Kariéra v chemii. Obnoveno z: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Lékařské, zemědělské a průmyslové aplikace jaderné technologie. Pacifik severozápadní národní laboratoř.