YDINKEMIA: HISTORIA, TUTKIMUSALA, ALUEET, SOVELLUKSET - KEMIA - 2026

Ydinkemia on tutkimuksen muutoksia tuotteen ominaisuudet ja aineen ilmiöiden tapahtui ytimet atomia; se ei tutki tapaa, jolla sen elektronit ovat vuorovaikutuksessa tai niiden sidokset saman tai toisen elementin muiden atomien kanssa.

Tämä kemian haara keskittyy sitten ytimiin ja vapautuviin energioihin, kun ne lisäävät tai kadotavat osan hiukkasistaan; joita kutsutaan nukleoneiksi ja jotka kemiallisiin tarkoituksiin koostuvat pääasiassa protoneista ja neutroneista.

Radioaktiivinen apila. Lähde: Pixabay.

Monet ydinreaktiot koostuvat protonien ja / tai neutronien lukumäärän muutoksesta, jonka seurauksena yksi elementti muuttuu toiseksi; muinainen unelma alkemisteista, jotka yrittivät turhaan muuttaa lyijymetallia kullaksi.

Tämä on ehkä yllätysominaisuus ydinreaktioihin. Tällaiset muutokset kuitenkin vapauttavat valtavia määriä energiaa, samoin kuin kiihtyneitä hiukkasia, jotka onnistuvat tunkeutumaan ja tuhoamaan ympäröivän aineen (kuten solujemme DNA) riippuen niihin liittyvästä energiasta.

Eli ydinreaktiossa vapautuu erityyppisiä säteilytyyppejä, ja kun atomi tai isotooppi vapauttaa säteilyä, sen sanotaan olevan radioaktiivista (radionuklidit). Jotkut säteilytykset voivat olla vaarattomia ja jopa hyvänlaatuisia, ja niitä käytetään torjumaan syöpäsoluja tai tutkimaan tiettyjen lääkkeiden farmakologisia vaikutuksia radioaktiivisella merkinnällä.

Toiset toiset säteilyt ovat tuhoavia ja tappavia minimikontaktiissa. Valitettavasti useimmissa historian pahimmissa katastrofeissa on radioaktiivisuuden symboli (radioaktiivinen apila, yläkuva).

Ydinvoiman aiheuttamat katastrofit, ydinaseista, Tšernobylin jaksoista, radioaktiivisen jätteen onnettomuudesta ja sen vaikutuksista villieläimiin. Mutta toisaalta ydinenergia takaisi riippumattomuuden muista energialähteistä ja niiden aiheuttamista pilaantumisongelmista.

Se olisi (todennäköisesti) puhdasta energiaa, joka kykenee syöttämään kaupunkeja ikuisuuden ajaksi, ja tekniikka ylittäisi maalliset rajansa.

Tämän kaiken saavuttamiseksi alimmalla inhimillisellä (ja planeettojen) kustannuksella tarvitaan tieteellisiä, teknologisia, ekologisia ja poliittisia ohjelmia ja pyrkimyksiä "talvella" ja "matkia" ydinenergiaa turvallisella ja hyödyllisellä tavalla ihmiskunnalle ja sen kasvulle. energinen.

Ydinkemian historia

valjeta

Jättäen alkemistit ja heidän filosofinsa kivin menneisyydestä (vaikka heidän pyrkimyksensä ovat saaneet aikaan kemian ymmärtämisen kannalta tärkeitä hedelmiä), ydinkemia syntyi, kun ensin havaittiin radioaktiivisuus.

Kaikki alkoi siitä, että Wilhelm Conrad Röntgen (1895) löysi röntgenkuvat Wurzburgin yliopistosta. Hän tutki katodisäteitä, kun huomasi niiden aiheuttavan omituisen fluoresenssin, jopa laitteen ollessa pois päältä, joka kykenee läpäisemään läpinäkymättömän mustan paperin, joka peitti putket, joissa kokeet tehtiin.

Henri Becquerel, röntgensäteiden löytöjen motivoituna, suunnitteli omat kokeilunsa tutkiakseen niitä fluoresoivilla suoloilla, jotka tummensivat valokuvalevyjä, jotka oli suojattu mustalla paperilla, kun ne olivat auringonvalon innostuneita.

Todettiin vahingossa (koska Pariisin sää oli tuolloin pilvinen), että uraanisuolat peittivät valokuvalevyt riippumatta niiden valonlähteestä. Sitten hän totesi löytäneensä uuden tyyppisen säteilyn: radioaktiivisuuden.

Curien puolisoiden työpaikat

Becquerel-teos oli inspiraation lähde Marie Curielle ja Pierre Curielle syventyäkseen radioaktiivisuuden ilmiöön (termi, jonka keksi Marie Curie).

Siksi he etsivät muita mineraaleja (uraanin lisäksi), jotka myös esittivät tämän ominaisuuden, todetessaan, että mineraalipigbletti on vielä radioaktiivisempi ja että siksi siinä on oltava muita radioaktiivisia aineita. Miten? Vertaamalla näytteiden ympärillä kaasumolekyylien ionisoitumisen aiheuttamia sähkövirtoja.

Vuosien vaikean louhintatyön ja radiometristen mittausten jälkeen hän uutti radioaktiiviset elementit radiumin (100 mg 2000 kg: n näytteestä) ja poloniumin mineraalipiikkaideaineesta. Lisäksi Curie määritteli torium-elementin radioaktiivisuuden.

Valitettavasti siihen aikaan tällaisen säteilyn haitalliset vaikutukset olivat alkaneet löytää.

Radioaktiivisuuden mittauksia helpotettiin kehittämällä Geiger-laskuria (jolla Hans Geiger oli esineen keksijä).

Ytimen fraktiointi

Ernest Rutherford havaitsi, että jokaisella radioisotoopilla oli oma hajoamisaika, lämpötilasta riippumatta, ja että se vaihteli ytimien pitoisuuksien ja ominaisuuksien mukaan.

Se osoitti myös, että nämä radioaktiiviset hajoamiset noudattavat ensimmäisen asteen kinetiikkaa, joiden puoliintumisajat (t _1/2) ovat edelleen erittäin hyödyllisiä nykyään. Siten jokaisella radioaktiivisuutta säteilevällä aineella on erilainen t _1/2, joka vaihtelee sekunnista, päivistä, miljooniin vuosiin.

Kaikkien edellä mainittujen lisäksi hän ehdotti atomimallia kokeilujensa tuloksena, jotka säteilytettiin erittäin ohutta kultalevyä alfahiukkasilla (heliumytimillä). Työskentelemällä uudelleen alfahiukkasten kanssa hän saavutti typpiatomien transmutaation happiatomiksi; toisin sanoen, hän oli onnistunut muuttamaan yhden elementin toiseksi.

Näin tekemällä osoitettiin heti, että atomi ei ollut jakama, ja vielä vähemmän, kun sitä pommittivat kiihtyneet hiukkaset ja "hidas" neutroni.

Opintolinja

Harjoittelu ja teoria

Ne, jotka päättävät tulla osaksi ydinkemian asiantuntijoita, voivat valita useista opinto- tai tutkimusaloista sekä erilaisista työaloista. Kuten monet tieteenalat, ne voidaan omistaa käytännölle tai teorialle (tai molemmille samanaikaisesti) vastaavilla aloilla.

Elokuvamainen esimerkki näkyy supersankarielokuvissa, joissa tutkijat saavat henkilön hankkimaan supervoimia (kuten Hulk, fantastinen neljä, Hämähäkkimies ja Tohtori Manhattan).

Tosielämässä (ainakin pinnallisesti) ydinkemikaalit pyrkivät sen sijaan suunnittelemaan uusia materiaaleja, jotka kestävät valtavan ydinvastuksen.

Näiden materiaalien, kuten välineiden, on oltava riittävän tuhoutumattomia ja erityisiä eristämään säteilypäästöt ja valtavat lämpötilat, jotka ovat vapautuneet ydinreaktioiden aloittamisessa; etenkin ydinfuusio.

Teoriassa he voivat suunnitella simulaatioita ensin arvioidakseen tiettyjen hankkeiden toteutettavuuden ja kuinka parantaa niitä pienimmillä kustannuksilla ja negatiivisilla vaikutuksilla; tai matemaattiset mallit, jotka mahdollistavat ytimen vireillä olevien mysteerien purkamisen.

Samoin he tutkivat ja ehdottavat tapoja varastoida ja / tai käsitellä ydinjätettä, koska hajoaminen vie miljardeja vuosia ja on erittäin saastuttavaa.

Tyypillisiä töitä

Tässä on lyhyt luettelo tyypillisistä töistä, joita ydinkeemikko voi tehdä:

-Suora tutkimus valtion, teollisuuden tai akateemisissa laboratorioissa.

- Käsittele satoja tietoja tilastollisten pakettien ja monimuuttuja-analyysin avulla.

- He opettavat luokkia yliopistoissa.

- Kehitetään turvallisia radioaktiivisuuden lähteitä erilaisiin sovelluksiin, joihin yleisö osallistuu, tai käytettäväksi ilmailu- ja avaruuslaitteissa.

-Suunnittelutekniikat ja laitteet, jotka havaitsevat ja valvovat ympäristön radioaktiivisuutta.

-Varmistaa, että laboratorio-olosuhteet ovat optimaaliset radioaktiivisten aineiden käsittelyyn; joita he jopa manipuloivat käyttämällä robottivarusteita.

- Teknikkoina he ylläpitävät annosmittareita ja keräävät radioaktiivisia näytteitä.

alueet

Edellisessä osassa kuvailtiin yleisesti, mitkä ovat ydinkeemikon tehtävät hänen työpaikallaan. Nyt tarkennetaan hieman enemmän eri alueista, joilla ydinreaktioiden käyttöä tai tutkimusta esiintyy.

Radiokemian

Radiokemiassa tutkitaan itse säteilyprosessia. Tämä tarkoittaa, että se tarkastelee perusteellisesti kaikkia radioisotooppeja samoin kuin niiden hajoamisaikaa, säteilemää säteilyä (alfa, beeta tai gamma), käyttäytymistä erilaisissa ympäristöissä ja mahdollisia sovelluksia.

Tämä on kenties ydinkemian ala, joka on edennyt eniten tänään muihin verrattuna. Hän on vastannut radioisotooppien ja kohtuullisten säteilyannosten käytöstä älykkäästi ja ystävällisesti.

Ydinenergia

Tällä alueella ydinkeemikot yhdessä muiden erikoisuuksien tutkijoiden kanssa tutkivat ja suunnittelevat turvallisia ja hallittavissa olevia menetelmiä ydinvoiman hyödyntämiseksi, jota tuottaa ytimien fissio; eli sen fraktiointi.

Samoin ehdotetaan tapahtuvan samoin fuusioreaktioilla, kuten sellaisilla, jotka haluavat kesyttää pieniä tähtiä, jotka antavat energiaansa; Esteellä, että olosuhteet ovat ylivoimaiset eikä ole fysikaalista materiaalia, joka voisi vastustaa niitä (kuvittele sulkevan aurinko häkkiin, joka ei sulaa voimakkaan kuumuuden takia).

Ydinvoimaa voidaan käyttää hyväntekeväisyystarkoituksiin tai sotatarkoituksiin uusien aseiden kehittämisessä.

Varastointi ja jätteet

Ydinjätteiden aiheuttama ongelma on erittäin vakava ja uhkaava. Tästä syystä he ovat omistautuneet tällä alueella kehittämään strategioita "vangitakseen heidät" siten, että niiden lähettämä säteily ei tunkeudu niiden suojakuoreen; kuori, jonka on kyettävä kestämään maanjäristyksiä, tulvia, korkeita paineita ja lämpötiloja jne.

Keinotekoinen radioaktiivisuus

Kaikki transuraaniset elementit ovat radioaktiivisia. Ne on syntetisoitu käyttämällä erilaisia ​​tekniikoita, mukaan lukien: ydinpommitukset neutronien tai muiden kiihtyneiden hiukkasten kanssa.

Tätä varten on käytetty lineaarisia kiihdyttimiä tai syklotroneja (jotka ovat D-muotoisia). Niiden sisällä hiukkaset kiihdytetään nopeuteen, joka on lähellä valon nopeutta (300 000 km / s), ja törmäävät sitten kohteeseen.

Siten syntyi useita keinotekoisia, radioaktiivisia elementtejä, ja niiden runsaus maan päällä on nolla (vaikkakin niitä voi esiintyä luonnollisesti kosmos-alueilla).

Joissakin kiihdyttimissä törmäysten voimakkuus on sellainen, että aine hajoaa. Analysoimalla fragmentteja, joita on tuskin mahdollista havaita niiden lyhyen käyttöiän takia, on ollut mahdollista oppia lisää atomihiukkasten kokoelmasta.

Sovellukset

Ydinvoimalaitoksen jäähdytystornit. Lähde: Pixabay.

Yllä olevassa kuvassa on kaksi ydinvoimalaitoksille ominaista jäähdytystornia, joiden laitos pystyy toimittamaan sähköä koko kaupunkiin; esimerkiksi Springfieldin tehdas, jossa Homer Simpson työskentelee ja jonka omistaa herra Burns.

Sitten ydinvoimalat käyttävät ydinreaktorista vapautunutta energiaa energiatarpeen kattamiseen. Tämä on ihanteellinen ja lupaava ydinkemian sovellus: rajaton määrä energiaa.

Koko artikkelissa on epäsuorasti mainittu lukuisia ydinkemian sovelluksia. Muut sovellukset, jotka eivät ole niin ilmeisiä, mutta joita esiintyy jokapäiväisessä elämässä, ovat seuraavat.

Lääke

Yksi tekniikka kirurgisen materiaalin steriloimiseksi on säteilyttää sitä gammasäteilyllä. Tämä tuhoaa täysin mikro-organismit, joita ne voivat tarttua. Prosessi on kylmä, joten tietyille korkeille lämpötiloille herkillä biologisilla aineilla voidaan myös altistaa nämä säteilyannokset.

Uusien lääkkeiden farmakologista vaikutusta, jakautumista ja eliminaatiota arvioidaan radioisotooppien avulla. Lähetetyn säteilyilmaisimen avulla saat todellisen kuvan lääkkeen jakautumisesta kehossa.

Tämä kuva mahdollistaa sen määrittämisen, kuinka kauan lääke vaikuttaa tiettyyn kudokseen; jos se ei ime kunnolla tai jos se pysyy sisätiloissa pidempään kuin riittää.

Ruoan säilyttäminen

Samoin varastoitunut ruoka voidaan säteilyttää maltillisella annoksella gammasäteilyä. Tämä on vastuussa bakteerien eliminoinnista ja tuhoamisesta, pitämällä ruokia pidempään syötävinä.

Esimerkiksi paketti mansikoita voidaan pitää tuoreena jopa 15 päivän varastoinnin jälkeen tällä tekniikalla. Säteily on niin heikko, että se ei tunkeudu mansikoiden pintaan; ja siksi ne eivät ole saastuneita eikä niistä tule "radioaktiivisia mansikoita".

Savunilmaisimet

Savunilmaisimien sisällä on vain muutama milligramma amerikiumia (²⁴¹ Am). Tämä radioaktiivinen metalli näissä määrinä osoittaa kattojen alla oleville ihmisille vaarattoman säteilyn.

²⁴¹ Am lähettää vähän energiaa alfa-hiukkasia ja gammasäteilyä, näiden säteiden ollessa voi paeta ilmaisimen. Alfahiukkaset ionisoivat ilman happi- ja typpimolekyylejä. Ilmaisimen sisällä jänniteero kerää ja tilaa ionit tuottaen pienen sähkövirran.

Ionit päätyvät eri elektrodeihin. Kun savu pääsee ilmaisimen sisäkammioon, se imee alfahiukkasia ja ilman ionisoituminen häiriintyy. Tämän seurauksena sähkövirta pysäytetään ja hälytys aktivoidaan.

Tuholaisten poistaminen

Maataloudessa maltillista säteilyä on käytetty haitallisten hyönteisten tappamiseen viljelykasveissa. Siten vältetään erittäin saastuttavien hyönteismyrkkyjen käyttö. Tämä vähentää kielteisiä vaikutuksia maaperään, pohjaveteen ja itse kasveihin.

Treffit

Radioisotooppien avulla voidaan määrittää tiettyjen esineiden ikä. Arkeologisissa tutkimuksissa tämä on erittäin kiinnostavaa, koska se mahdollistaa näytteiden erottamisen ja sijoittamisen vastaavaan aikaan. Tähän sovellukseen käytetty radioisotooppi on hiili 14 (¹⁴ C) par excellence. Sen t _1/2 on 5700 vuotta, ja näytteet voivat olla päivätty jopa 50 000 vuotta vanhoja.

¹⁴ C: n hajoamista on käytetty erityisesti biologisiin näytteisiin, luurankoihin, fossiileihin jne. Muut radioisotoopit, kuten ²⁴⁸ U, ovat t _1/2 miljoonaa vuotta vanhoja. Mittaamalla sitten ²⁴⁸ U: n pitoisuudet meteoriittien, sedimenttien ja mineraalien näytteessä, voidaan määrittää, onko se saman ikäinen kuin Maa.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. (2008). Kemia. (8. painos). CENGAGE -oppiminen.
2. Frank Kinard. (2019). Ydinkemia. Palautettu osoitteesta: chemistryexplained.com
3. Ydinkemia. (SF). Palautettu: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Ydinkemian historian aikajana. Ne edeltävät. Palautettu: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (toinen). Radioaktiivisuuden löytäminen. Kemia LibreTexts. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (SF). Millaisia ​​työpaikkoja ydinkemikot tekevät? Työ - Chron.com. Palautettu osoitteesta work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Ydinkemia. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
8. American Chemical Society. (2019). Ydinkemia. Kemian ura. Palautettu osoitteesta: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Ydinteknologian lääketieteelliset, maatalouden ja teollisuuden sovellukset. Tyynenmeren luoteisen kansallinen laboratorio.