KJERNEKJEMI: HISTORIE, STUDIERETNING, OMRÅDER, APPLIKASJONER - KJEMI - 2026

Den kjernekjemi er studien av endringer i produktegenskapene til stofffenomener som skjedde i atomkjerner. den studerer ikke hvordan dets elektroner interagerer eller deres bindinger med andre atomer av samme eller et annet element.

Denne grenen av kjemi fokuserer deretter på kjernene og energiene som frigjøres når de tilfører eller mister noen av partiklene sine; som kalles nukleoner, og som for kjemiske formål i det vesentlige består av protoner og nøytroner.

Radioaktiv kløver. Kilde: Pixabay.

Mange kjernefysiske reaksjoner består av en endring i antall protoner og / eller nøytroner, som har en konsekvens av transformasjonen av et element til et annet; gammel drøm om alkymistene, som forgjeves prøvde å gjøre blymetall til gull.

Dette er kanskje det mest overraskende kjennetegnet ved kjernefysiske reaksjoner. Imidlertid frigjør slike transformasjoner enorme mengder energi, så vel som akselererte partikler som klarer å trenge gjennom og ødelegge saken rundt dem (for eksempel DNAet til cellene våre), avhengig av deres tilknyttede energi.

Det vil si at i en kjernefysisk reaksjon frigjøres forskjellige typer stråling, og når et atom eller isotop frigjør stråling, sies det å være radioaktivt (radionuklider). Noe stråling kan være ufarlig, og til og med godartet, brukt til å bekjempe kreftceller eller studere den farmakologiske effekten av visse medisiner ved radioaktiv merking.

Andre stråler er derimot destruktive og dødelige ved minstekontakt. Dessverre bærer flere av de verste katastrofene i historien symbolet på radioaktivitet (radioaktiv kløver, toppbilde).

Fra atomvåpen, til Tsjernobyl-episodene og ulykken med radioaktivt avfall og dets innvirkning på dyrelivet, er det mange katastrofer utløst av atomenergi. Men på den annen side ville kjernekraft garantere uavhengighet fra andre energikilder og forurensningsproblemene de forårsaker.

Det ville (sannsynligvis) være ren energi, i stand til å drive byer i en evighet, og teknologien ville overskride dens jordiske grenser.

For å oppnå alt dette til den laveste menneskelige (og planetariske) kostnad, er vitenskapelige, teknologiske, økologiske og politiske programmer og innsats nødvendig for å "temme" og "etterligne" kjernekraft på en trygg og gunstig måte for menneskeheten og dens vekst. energisk.

Historie om kjernekjemi

Soloppgang

Å forlate alkymistene og deres filosofstein i fortiden (selv om deres innsats har båret frukter av vital betydning for forståelsen av kjemi), ble kjernekjemi født da det som kalles radioaktivitet først ble oppdaget.

Det hele startet med oppdagelsen av røntgenstråler av Wilhelm Conrad Röntgen (1895) ved University of Wurzburg. Han studerte katodestråler da han la merke til at de hadde en merkelig fluorescens, selv med enheten slått av, i stand til å trenge gjennom det ugjennomsiktige, svarte papiret som dekket rørene som eksperimentene ble utført i.

Henri Becquerel, motivert av røntgenoppdagelsen oppdaget, designet sine egne eksperimenter for å studere dem ved hjelp av lysstoffrør, som mørklagt fotografiske plater, beskyttet av svart papir, da de ble begeistret for sollys.

Det ble funnet ved et uhell (siden været i Paris var skyet på den tiden), at uransalter skjulte fotografiske plater, uavhengig av lyskilden som falt på dem. Han konkluderte da med at han hadde funnet en ny type stråling: radioaktivitet.

Jobber med ektefellene i Curie

Becquerels arbeid tjente som en inspirasjonskilde for Marie Curie og Pierre Curie til å fordype seg i fenomenet radioaktivitet (et begrep skapt av Marie Curie).

Dermed så de etter andre mineraler (i tillegg til uran) som også presenterte denne egenskapen, og fant ut at mineralet pitchblende er enda mer radioaktivt, og at det derfor må ha andre radioaktive stoffer. Hvordan? Ved å sammenligne de elektriske strømningene generert ved ionisering av gassmolekyler rundt prøvene.

Etter mange års vanskelig arbeid og radiometriske målinger, ekstraherte han de radioaktive elementene radium (100 mg fra en 2000 kg prøve) og polonium fra mineralet pitchblende. Curie bestemte også radioaktiviteten til elementet thorium.

Dessverre begynte da de skadelige effektene av slik stråling å bli oppdaget.

Målinger av radioaktivitet ble lagt til rette med utviklingen av Geiger-telleren (med Hans Geiger som en medoppfinner av gjenstanden).

Nukleusfraksjonering

Ernest Rutherford observerte at hver radioisotop hadde sin egen forfallstid, uavhengig av temperatur, og at den varierte med konsentrasjonen og egenskapene til kjernen.

Det demonstrerte også at disse radioaktive forfall adlyder førsteordens kinetikk, hvis halveringstid (t _1/2 ) fremdeles er veldig nyttig i dag. Dermed har hvert stoff som avgir radioaktivitet en annen t _1/2 , som varierer fra sekunder, dager til millioner av år.

I tillegg til alt det ovennevnte, foreslo han en atommodell som et resultat av resultatene fra eksperimentene hans som bestråler et veldig tynt gullark med alfapartikler (heliumkjerner). Arbeidet igjen med alfapartiklene oppnådde han transmutasjonen av nitrogenatomer til oksygenatomer; med andre ord, han hadde klart å konvertere ett element til et annet.

Dermed ble det vist på en gang at atomet ikke var udelelig, og enda mindre når det ble bombardert av akselererte partikler og "langsomme" nøytroner.

Fagfelt

Praksis og teori

De som bestemmer seg for å bli en del av kjernekjemi-spesialistene, kan velge mellom flere studieretninger eller forskningsfelt, samt forskjellige arbeidsfelt. Som mange grener av vitenskap, kan de vies til praksis, eller teori (eller begge deler samtidig) i de tilsvarende feltene.

Et filmisk eksempel sees i superheltfilmer, der forskere får et individ til å skaffe seg superkrefter (som Hulken, de fantastiske fire, Spiderman og Doctor Manhattan).

I det virkelige liv (i det minste overfladisk) søker atomkjemikere i stedet å designe nye materialer som er i stand til å motstå enorm kjernefysisk motstand.

Disse materialene, som instrumenteringen, må være tilstrekkelig uforgjengelige og spesielle for å isolere stråleutslippet og de enorme temperaturene som slippes løs når de starter kjernefysiske reaksjoner; spesielt de med kjernefusjon.

I teorien kan de designe simuleringer for først å estimere muligheten for visse prosjekter og hvordan de kan forbedres til lavest mulig pris og negativ innvirkning. eller matematiske modeller som gjør det mulig å avdekke de ventende mysteriene i kjernen.

På samme måte studerer og foreslår man måter å lagre og / eller behandle atomavfall, siden det tar milliarder av år å spaltes og er svært forurensende.

Typiske jobber

Her er en kort liste over typiske jobber som en kjemisk kjemiker kan gjøre:

-Direkte forskning i myndigheter, industrielle eller akademiske laboratorier.

- Behandle hundrevis av data gjennom statistiske pakker og multivariat analyse.

-De underviser i universiteter.

-Utvikle sikre radioaktivitetskilder for forskjellige applikasjoner som involverer allmennheten, eller for bruk i romfartøyenheter.

-Design teknikker og enheter som oppdager og overvåker radioaktivitet i miljøet.

-Garanti at laboratorieforholdene er optimale for håndtering av radioaktivt materiale; som de til og med manipulerer ved hjelp av robotarmer.

-Som teknikere vedlikeholder de dosimetere og samler radioaktive prøver.

Områder

Den forrige delen beskrev generelt sett hva som er oppgavene til en kjemisk kjemiker på arbeidsplassen hans. Nå spesifiseres litt mer om forskjellige områder der bruken eller undersøkelsen av kjernefysiske reaksjoner er til stede.

radiokjemi

I radiokjemi studeres selve strålingsprosessen. Dette betyr at den vurderer i dybden alle radioisotoper, så vel som deres forfallstid, strålingen de frigjør (alfa, beta eller gamma), deres oppførsel i forskjellige miljøer og deres mulige applikasjoner.

Dette er kanskje det området kjernekjemi som har avansert mest i dag sammenlignet med de andre. Han har hatt ansvaret for å bruke radioisotoper og moderate doser stråling på en intelligent og vennlig måte.

Kjernekraft

I dette området studerer og utformer kjemiske kjemikere sammen med forskere fra andre spesialiteter sikre og kontrollerbare metoder for å dra nytte av kjernekraft produsert ved klyvning av kjerner; det vil si av dens fraksjonering.

På samme måte foreslås det å gjøre det samme med kjernefysiske fusjonsreaksjoner, for eksempel de som ønsker å temme små stjerner som gir deres energi; med hinder for at forholdene er overveldende og at det ikke er noe fysisk materiale som er i stand til å motstå dem (tenk å omslutte solen i et bur som ikke smelter på grunn av den intense varmen).

Atomkraft kan godt brukes til veldedige formål, eller til krigsformål, for å utvikle flere våpen.

Lagring og avfall

Problemet som atomavfall representerer er veldig alvorlig og truende. Det er av denne grunn at de på dette området er opptatt av å utforme strategier for å "fengsle dem" på en slik måte at strålingen de avgir ikke trenger gjennom deres inneslutningsskall; skall, som må tåle jordskjelv, flom, høyt trykk og temperaturer, etc.

Kunstig radioaktivitet

Alle transuraniske elementer er radioaktive. De er blitt syntetisert ved bruk av forskjellige teknikker, inkludert: bombardement av kjerner med nøytroner eller andre akselererte partikler.

For dette er det benyttet lineære akseleratorer eller syklotroner (som er D-formet). Inni i dem akselereres partiklene til hastigheter nær lysets (300.000 km / s), og kolliderer deretter med et mål.

Dermed ble flere kunstige, radioaktive elementer født, og deres overflod på jorden er null (selv om de kan eksistere naturlig i regioner i kosmos).

I noen akseleratorer er kraften i kollisjoner slik at det oppstår en oppløsning av materie. Ved å analysere fragmentene, som knapt kan påvises på grunn av deres korte levetid, har det vært mulig å lære mer om kompendiet til atompartikler.

applikasjoner

Kjøletårn fra et kjernekraftverk. Kilde: Pixabay.

Bildet over viser to kjøletårn som er karakteristiske for kjernekraftverk, hvis anlegg kan forsyne en hel by med strøm; for eksempel Springfield-anlegget, der Homer Simpson jobber, og eies av Mr. Burns.

Deretter bruker kjernekraftverk energien som frigjøres fra atomreaktorer for å forsyne et energibehov. Dette er den ideelle og lovende bruken av kjernekjemi: ubegrenset energi.

Gjennom hele artikkelen har det blitt nevnt implisitt mange utgaver av kjernekjemi. Andre applikasjoner som ikke er så åpenbare, men som er til stede i dagliglivet, er følgende nedenfor.

Medisin

En teknikk for sterilisering av kirurgisk materiale er å bestråle det med gammastråling. Dette ødelegger mikroorganismene som de måtte ha. Prosessen er kald, så visse biologiske materialer, følsomme for høye temperaturer, kan også bli utsatt for slike stråledoser.

Den farmakologiske effekten, distribusjonen og eliminasjonen av de nye legemidlene vurderes ved bruk av radioisotoper. Med en utsendt strålingsdetektor kan du ha et reelt bilde av distribusjonen av stoffet i kroppen.

Dette bildet gjør det mulig å bestemme hvor lenge stoffet virker på et visst vev; hvis den ikke klarer å absorbere ordentlig, eller hvis den forblir innendørs lenger enn det som er tilstrekkelig.

Konservering av mat

Tilsvarende kan lagret mat bestråles med en moderat dose gammastråling. Dette er ansvarlig for å eliminere og ødelegge bakterier, holde maten spiselig i lengre tid.

For eksempel kan en pakke jordbær holdes frisk etter til og med 15 dagers lagring ved bruk av denne teknikken. Strålingen er så svak at den ikke trenger inn i overflaten til jordbærene; og derfor er de ikke forurenset, og blir heller ikke "radioaktive jordbær".

Røykvarslere

Inne i røykvarslerne er det bare noen få milligram americium ( ²⁴¹ Am). Dette radioaktive metallet i disse mengder viser stråling ufarlig for mennesker som er til stede under takene.

Den ²⁴¹ Am avgir et lavt energi alfa-partikler og gammastråling, disse strålene være i stand til å unnslippe detektoren. Alfapartikler ioniserer oksygen- og nitrogenmolekylene i luften. Inne i detektoren samler og bestiller en spenningsforskjell ionene, og gir en svak elektrisk strøm.

Ionene havner på forskjellige elektroder. Når røyk kommer inn i detektorens indre kammer, absorberer den alfa-partikler og ionisering av luften blir forstyrret. Følgelig stoppes den elektriske strømmen og en alarm aktiveres.

Eliminering av skadedyr

I landbruket har man brukt moderat stråling for å drepe uønskede insekter på avlinger. Dermed unngås bruk av sterkt forurensende insektmidler. Dette reduserer den negative innvirkningen på jord, grunnvann og selve avlingene.

Dating

Ved hjelp av radioisotoper kan alderen på visse gjenstander bestemmes. I arkeologiske studier er dette av stor interesse siden det gjør at prøvene kan skilles ut og plasseres i de tilsvarende tider. Radioisotopen brukt for denne applikasjonen er karbon 14 ( ¹⁴ C) par excellence . T _1/2 er 5700 år, og prøver kan dateres opp til 50 000 år gamle.

Forfallet på ¹⁴ C har blitt brukt spesielt for biologiske prøver, bein, fossiler, etc. Andre radioisotoper, for eksempel ²⁴⁸ U, er _1/2 million år gamle. Ved å deretter måle konsentrasjonene på ²⁴⁸ U i en prøve av meteoritter, sedimenter og mineraler, kan det bestemmes om det er samme alder som Jorden.

referanser

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kjemi. (8. utg.). CENGAGE Læring.
2. Frank Kinard. (2019). Kjernekjemi. Gjenopprettet fra: chemistryexplained.com
3. Kjernekjemi. (SF). Gjenopprettet fra: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Tidslinje for historien om kjernekjemi. De går foran. Gjenopprettet fra: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Oppdagelse av radioaktivitet. Kjemi LibreTexts. Gjenopprettet fra: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (SF). Hva slags jobber gjør kjernekjemikere? Arbeid - Chron.com. Gjenopprettet fra: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Kjernekjemi. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
8. American Chemical Society. (2019). Kjernekjemi. Kjemikarrierer. Gjenopprettet fra: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Medisinske, landbruksmessige og industrielle anvendelser av kjerneteknologi. Pacific Northwest National Laboratory.