NÜKLEER KIMYA: TARIH, ÇALIŞMA ALANI, ALANLAR, UYGULAMALAR - KIMYA - 2024

Çekirdek kimyası ürün özelliklerinin değişiklikleri çalışmadır arasında önemli olayları atomu çekirdeklerinin oluştu; elektronlarının etkileşimini veya aynı veya farklı bir elementin diğer atomları ile bağlarını incelemiyor.

Bu kimya dalı daha sonra çekirdeklere ve parçacıklarından bazılarını eklediklerinde veya kaybettiklerinde açığa çıkan enerjilere odaklanır; Nükleon olarak adlandırılan ve kimyasal amaçlar için esas olarak proton ve nötronlardan oluşan.

Radyoaktif yonca. Kaynak: Pixabay.

Çoğu nükleer reaksiyon, protonların ve / veya nötronların sayısındaki bir değişiklikten oluşur ve sonuç olarak bir elementin diğerine dönüşümü olur; kurşun metali altına dönüştürmek için boşuna uğraşan simyacıların eski rüyası.

Bu belki de nükleer reaksiyonların en şaşırtıcı özelliğidir. Bununla birlikte, bu tür dönüşümler muazzam miktarda enerji açığa çıkarır ve aynı zamanda, ilişkili enerjilerine bağlı olarak etraflarındaki maddeye (hücrelerimizin DNA'sı gibi) nüfuz etmeyi ve yok etmeyi başaran hızlandırılmış parçacıklar da verir.

Yani bir nükleer reaksiyonda farklı tipte radyasyon salınır ve bir atom veya izotop radyasyon saldığında radyoaktif olduğu söylenir (radyonüklitler). Bazı radyasyon, kanser hücrelerine karşı savaşmak veya radyoaktif etiketleme yoluyla bazı ilaçların farmakolojik etkisini incelemek için zararsız ve hatta iyi huylu olabilir.

Diğer yandan diğer radyasyonlar, minimum temasla yıkıcı ve ölümcüldür. Ne yazık ki, tarihteki en kötü felaketlerin birçoğu radyoaktivite sembolünü taşıyor (radyoaktif yonca, en üstteki resim).

Nükleer silahlardan Çernobil olaylarına, radyoaktif atıkların talihsizliğine ve vahşi yaşam üzerindeki etkilerine kadar, nükleer enerjinin tetiklediği birçok felaket var. Ancak öte yandan nükleer enerji, diğer enerji kaynaklarından ve yol açtığı kirlilik sorunlarından bağımsızlığı garanti edecektir.

Şehirlere sonsuza kadar güç sağlayabilecek (muhtemelen) temiz enerji olacak ve teknoloji dünyevi sınırlarını aşacaktı.

Tüm bunları en düşük insan (ve gezegensel) maliyetle başarmak için, nükleer enerjiyi insanlık ve büyümesi için güvenli ve faydalı bir şekilde "evcilleştirmek" ve "taklit etmek" için bilimsel, teknolojik, ekolojik ve politik programlara ve çabalara ihtiyaç vardır. enerjik.

Nükleer kimyanın tarihi

Şafak

Simyacıları ve filozoflarının taşını geçmişte bırakarak (çabaları kimyanın anlaşılması için hayati öneme sahip meyvelerini vermiş olsa da), nükleer kimya radyoaktivite olarak bilinen ilk tespit edildiğinde doğdu.

Her şey Wurzburg Üniversitesi'nde Wilhelm Conrad Röntgen (1895) tarafından X-ışınlarının keşfiyle başladı. Cihaz kapalı olsa bile, deneylerin gerçekleştirildiği tüpleri kaplayan opak siyah kağıda nüfuz edebilen garip bir floresan oluşturduklarını fark ettiğinde katot ışınlarını inceliyordu.

X-ışınlarının keşiflerinden motive olan Henri Becquerel, güneş ışığından heyecanlandıklarında siyah kağıtla korunan fotoğraf plakalarını koyulaştıran floresan tuzları kullanarak bunları incelemek için kendi deneylerini tasarladı.

Uranyum tuzlarının, üzerlerine düşen ışık kaynağına bakılmaksızın fotoğraf plakalarını gizlediği tesadüfen bulundu (o sırada Paris'te hava bulutlu olduğu için). Daha sonra yeni bir radyasyon türü bulduğu sonucuna vardı: radyoaktivite.

Curie eşlerinin işleri

Becquerel'in çalışması, Marie Curie ve Pierre Curie'nin radyoaktivite fenomenini (Marie Curie tarafından icat edilen bir terim) araştırmaları için ilham kaynağı oldu.

Bu nedenle, bu özelliği sunan diğer mineralleri (uranyuma ek olarak) aradılar, mineral ziftblendin daha da radyoaktif olduğunu ve bu nedenle başka radyoaktif maddelere sahip olması gerektiğini buldular. Nasıl? Örneklerin etrafındaki gaz moleküllerinin iyonlaşmasıyla oluşan elektrik akımlarını karşılaştırarak.

Yıllar süren zorlu ekstraksiyon çalışmaları ve radyometrik ölçümlerden sonra, radyoaktif elementleri radyum (2000 kg'lık bir numuneden 100 mg) ve mineral ziftblendinden polonyum çıkardı. Ayrıca Curie, toryum elementinin radyoaktivitesini belirledi.

Ne yazık ki, o zamana kadar bu tür radyasyonun zararlı etkileri keşfedilmeye başlandı.

Geiger sayacının geliştirilmesiyle (eserin ortak mucidi Hans Geiger olmasıyla) radyoaktivite ölçümleri kolaylaştırıldı.

Çekirdek fraksiyonasyonu

Ernest Rutherford, her radyoizotopun sıcaklıktan bağımsız olarak kendi bozulma süresine sahip olduğunu ve çekirdeklerin konsantrasyonu ve özelliklerine göre değiştiğini gözlemledi.

Ayrıca, bu radyoaktif bozunmaların, yarı ömürleri (t _1/2 ) bugün hala çok yararlı olan birinci dereceden kinetiğe uyduğunu da gösterdi . Böylece, radyoaktivite yayan her maddenin saniyeler, günler ve milyonlarca yıl arasında değişen farklı bir t _{1 / 2'si} vardır.

Yukarıdakilerin hepsine ek olarak, çok ince bir altın tabakasını alfa parçacıkları (helyum çekirdeği) ile ışınlayan deneylerinin sonucu olarak bir atom modeli önerdi. Alfa parçacıklarıyla tekrar çalışarak nitrojen atomlarının oksijen atomlarına dönüşümünü başardı; başka bir deyişle, bir öğeyi diğerine dönüştürmeyi başarmıştı.

Bunu yaparken, atomun bölünemez olmadığı ve hızlandırılmış parçacıklar ve "yavaş" nötronlar tarafından bombalandığında daha da az olduğu görüldü.

Çalışma alanı

Uygulama ve teori

Nükleer kimya uzmanlarının bir parçası olmaya karar verenler, çeşitli çalışma veya araştırma alanlarının yanı sıra farklı çalışma alanlarından birini seçebilirler. Birçok bilim dalı gibi, ilgili alanlarda uygulamaya veya teoriye (veya aynı anda her ikisine) ayrılabilirler.

Bilim adamlarının bir bireye süper güçler (Hulk, fantastik dörtlü, Örümcek Adam ve Doktor Manhattan gibi) elde etmesini sağlayan süper kahraman filmlerinde sinematik bir örnek görülür.

Gerçek hayatta (en azından yüzeysel olarak), nükleer kimyagerler bunun yerine muazzam nükleer dirence dayanabilecek yeni malzemeler tasarlamaya çalışırlar.

Bu malzemeler, enstrümantasyon gibi, yeterince yok edilemez ve radyasyon emisyonunu ve nükleer reaksiyonları başlatırken ortaya çıkan muazzam sıcaklıkları izole etmek için özel olmalıdır; özellikle nükleer füzyona ait olanlar.

Teorik olarak, ilk önce belirli projelerin fizibilitesini ve bunların en düşük maliyet ve olumsuz etkiyle nasıl iyileştirilebileceğini tahmin etmek için simülasyonlar tasarlayabilirler; veya çekirdeğin bekleyen gizemlerini çözmeye izin veren matematiksel modeller.

Aynı şekilde, ayrışması milyarlarca yıl aldığından ve son derece kirletici olduğundan, nükleer atıkları depolamak ve / veya işlemek için yollar araştırır ve önerirler.

Tipik işler

İşte bir nükleer kimyagerin yapabileceği tipik işlerin kısa bir listesi:

-Devlet, endüstriyel veya akademik laboratuvarlarda doğrudan araştırma.

- İstatistiksel paketler ve çok değişkenli analizler aracılığıyla yüzlerce veriyi işleyin.

-Üniversitelerde ders veriyorlar.

-Genel bir halkın dahil olduğu çeşitli uygulamalar için veya havacılık cihazlarında kullanım için güvenli radyoaktivite kaynakları geliştirin.

- Ortamdaki radyoaktiviteyi algılayan ve izleyen teknikler ve cihazlar tasarlayın.

- Laboratuvar koşullarının radyoaktif materyalin işlenmesi için optimal olduğunu garanti edin; hatta robotik kollar kullanarak manipüle ediyorlar.

- Teknisyen olarak dozimetrelerin bakımını yaparlar ve radyoaktif numuneler toplarlar.

alanlar

Bir önceki bölüm genel olarak bir nükleer kimyacının işyerindeki görevlerinin neler olduğunu açıkladı. Şimdi, nükleer reaksiyonların kullanımının veya çalışmasının mevcut olduğu farklı alanlar hakkında biraz daha belirtildi.

Radyokimya

Radyokimyada, radyasyon sürecinin kendisi incelenir. Bu, tüm radyoizotopları derinlemesine, bozunma sürelerini, saldıkları radyasyonu (alfa, beta veya gama), farklı ortamlardaki davranışlarını ve olası uygulamalarını dikkate aldığı anlamına gelir.

Bu belki de bugün diğerlerine kıyasla en çok ilerlemiş olan nükleer kimya alanıdır. Radyoizotopları ve makul dozlarda radyasyonu akıllı ve dostane bir şekilde kullanmaktan sorumlu olmuştur.

Nükleer enerji

Bu alanda, nükleer kimyagerler, diğer uzmanlık alanlarından araştırmacılar ile birlikte, çekirdeklerin bölünmesiyle üretilen nükleer enerjiden yararlanmak için güvenli ve kontrol edilebilir yöntemler araştırır ve tasarlar; yani, parçalanmasının.

Benzer şekilde, enerjilerine katkıda bulunan küçük yıldızları evcilleştirmek isteyenler gibi, nükleer füzyon reaksiyonları için de aynısının yapılması önerilmektedir; Koşulların bunaltıcı olduğu ve bunlara direnebilecek fiziksel bir materyalin olmadığı engeliyle (yoğun ısı nedeniyle erimeyen bir kafese güneşi kapattığınızı hayal edin).

Nükleer güç, hayır amaçlı veya savaş amaçlı daha fazla silah geliştirmede kullanılabilir.

Depolama ve atık

Nükleer atığın temsil ettiği sorun çok ciddi ve tehdit edici. Bu nedenle, bu alanda, yaydıkları radyasyonun muhafaza kabuklarına nüfuz etmeyeceği şekilde "onları hapsetmek" için stratejiler geliştirmeye kendilerini adamışlardır; depreme, sellere, yüksek basınç ve sıcaklıklara vb. dayanabilmesi gereken kabuk

Yapay radyoaktivite

Tüm transuranik elementler radyoaktiftir. Çekirdeklerin nötronlarla veya diğer hızlandırılmış parçacıklarla bombardımanı gibi farklı teknikler kullanılarak sentezlenmişlerdir.

Bunun için doğrusal hızlandırıcılar veya siklotronlar (D-şekilli) kullanılmıştır. İçlerinde, parçacıklar ışığınkine yakın hızlara (300.000 km / s) hızlandırılır ve ardından bir hedefle çarpışır.

Böylece, birkaç yapay, radyoaktif element doğdu ve Dünya'daki bollukları sıfırdır (Kozmos bölgelerinde doğal olarak var olsalar da).

Bazı hızlandırıcılarda, çarpışmaların gücü, maddenin parçalanmasını sağlayacak kadar güçlüdür. Kısa ömürleri nedeniyle tespit edilemeyen fragmanların analizi ile atomik parçacıkların özeti hakkında daha fazla bilgi edinmek mümkün olmuştur.

Uygulamalar

Bir nükleer santralin soğutma kuleleri. Kaynak: Pixabay.

Yukarıdaki görüntü, santrali tüm şehre elektrik sağlayabilen, nükleer santrallere özgü iki soğutma kulesini göstermektedir; örneğin, Homer Simpson'ın çalıştığı ve Bay Burns'e ait olan Springfield fabrikası.

Daha sonra nükleer santraller, enerji ihtiyacını karşılamak için nükleer reaktörlerden açığa çıkan enerjiyi kullanır. Bu, nükleer kimyanın ideal ve umut verici uygulamasıdır: sınırsız enerji.

Makale boyunca, nükleer kimyanın sayısız uygulamasından dolaylı olarak bahsedildi. Çok belirgin olmayan ancak günlük hayatta mevcut olan diğer uygulamalar aşağıdadır.

İlaç

Cerrahi materyali sterilize etmek için bir teknik, onu gama radyasyonu ile ışınlamaktır. Bu, barındırabilecekleri mikroorganizmaları tamamen yok eder. Süreç soğuktur, bu nedenle yüksek sıcaklıklara duyarlı bazı biyolojik malzemeler de bu tür radyasyon dozlarına maruz kalabilir.

Yeni ilaçların farmakolojik etkisi, dağılımı ve ortadan kaldırılması radyoizotoplar kullanılarak değerlendirilir. Yayılan bir radyasyon dedektörü ile ilacın vücuttaki dağılımının gerçek bir resmine sahip olabilirsiniz.

Bu görüntü, ilacın belirli bir dokuya ne kadar süre etki ettiğini belirlemeyi mümkün kılar; düzgün emilmezse veya içeride yeterli olandan daha uzun süre kalırsa.

Gıda koruması

Benzer şekilde, depolanan yiyecekler, orta dozda gama radyasyonu ile ışınlanabilir. Bu, bakterileri yok etmek ve yok etmek, yiyecekleri daha uzun süre yenilebilir tutmaktan sorumludur.

Örneğin, bir paket çilek bu teknik kullanılarak 15 günlük depolamadan sonra bile taze tutulabilir. Radyasyon o kadar zayıftır ki çileklerin yüzeyine nüfuz etmez; ve bu nedenle kontamine olmazlar ve "radyoaktif çilek" haline gelmezler.

Duman dedektörleri

Duman dedektörlerinin içinde sadece birkaç miligram amerikum ( ²⁴¹ Am) bulunur. Bu miktarlardaki bu radyoaktif metal, çatıların altında bulunan insanlara zararsız radyasyon sergiler.

²⁴¹ Am düşük enerji alfa parçacıkları ve gama ışınları, dedektör kaçmak durumdayken bu ışınlar yayar. Alfa parçacıkları havadaki oksijen ve nitrojen moleküllerini iyonize eder. Detektörün içinde, hafif bir elektrik akımı üreterek, bir voltaj farkı iyonları toplar ve düzenler.

İyonlar farklı elektrotlarda son bulur. Duman dedektörün iç bölmesine girdiğinde alfa parçacıklarını emer ve havanın iyonlaşması bozulur. Sonuç olarak, elektrik akımı durdurulur ve bir alarm etkinleştirilir.

Zararlıların yok edilmesi

Tarımda, ekinlerdeki istenmeyen böcekleri öldürmek için orta düzeyde radyasyon kullanılmıştır. Böylece, yüksek derecede kirletici böcek öldürücülerin kullanımından kaçınılır. Bu, topraklar, yeraltı suları ve mahsuller üzerindeki olumsuz etkiyi azaltır.

Flört

Radyoizotoplar yardımıyla belirli nesnelerin yaşı belirlenebilir. Arkeolojik çalışmalarda bu, örneklerin ayrılmasına ve ilgili zamanlarına yerleştirilmesine izin verdiği için büyük ilgi görüyor. Bu uygulama için kullanılan radyoizotop, mükemmel karbon 14 ( ¹⁴ C) 'dir. T _1/2 değeri 5700 yıldır ve numuneler 50.000 yıla kadar tarihlendirilebilir.

¹⁴ C bozunum özellikle biyolojik örnekler, iskeletler, fosiller vb. İçin kullanılmıştır. ²⁴⁸ U gibi diğer radyoizotoplar t _1/2 milyon yaşında. Daha sonra bir göktaşı, tortu ve mineral örneğinde ²⁴⁸ U konsantrasyonları ölçülerek, Dünya ile aynı yaşta olup olmadığı belirlenebilir.

Referanslar

1. Whitten, Davis, Peck ve Stanley. (2008). Kimya. (8. baskı). CENGAGE Öğrenme.
2. Frank Kinard. (2019). Nükleer Kimya. Chemistryexplained.com'dan kurtarıldı
3. Nükleer Kimya. (Sf). Sas.upenn.edu'dan kurtarıldı
4. Mazur Matt. (2019). Nükleer Kimya Tarihi için Zaman Çizelgesi. Önceden gelirler. Prekeden.com'dan kurtarıldı
5. Sarah E. ve Nyssa S. (nd). Radyoaktivitenin Keşfi. Kimya LibreTexts. Chem.libretexts.org adresinden kurtarıldı
6. Scottsdale, Brenda. (Sf). Nükleer Kimyagerler Ne Tür İşler Yapar? İş - Chron.com. Work.chron.com adresinden kurtarıldı
7. Vikipedi. (2019). Nükleer Kimya. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
8. Amerikan Kimya Derneği. (2019). Nükleer Kimya. Kimya Kariyerleri. Acs.org'dan kurtarıldı
9. Alan E. Waltar. (2003). Nükleer Teknolojinin Tıbbi, Tarımsal ve Endüstriyel Uygulamaları. Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı.