NUCLEAIRE CHEMIE: GESCHIEDENIS, VAKGEBIED, GEBIEDEN, TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2025

De nucleaire chemie is de studie van veranderingen in de producteigenschappen van materieverschijnselen die zich voordoen in atoomkernen; het bestudeert niet de manier waarop zijn elektronen interageren of hun bindingen met andere atomen van hetzelfde of een ander element.

Deze tak van chemie concentreert zich dan op de kernen en de energieën die vrijkomen wanneer ze een deel van hun deeltjes toevoegen of verliezen; die nucleonen worden genoemd en die voor chemische doeleinden in wezen bestaan ​​uit protonen en neutronen.

Radioactieve klaver. Bron: Pixabay.

Veel kernreacties bestaan ​​uit een verandering in het aantal protonen en / of neutronen, met als gevolg de transformatie van het ene element in het andere; oeroude droom van de alchemisten, die tevergeefs probeerden loodmetaal in goud te veranderen.

Dit is misschien wel het meest verrassende kenmerk van kernreacties. Dergelijke transformaties geven echter enorme hoeveelheden energie vrij, evenals versnelde deeltjes die erin slagen de materie om hen heen (zoals het DNA van onze cellen) te penetreren en te vernietigen, afhankelijk van de bijbehorende energie.

Dat wil zeggen, bij een nucleaire reactie komen verschillende soorten straling vrij, en wanneer een atoom of isotoop straling afgeeft, wordt gezegd dat het radioactief is (radionucliden). Sommige straling kan onschadelijk en zelfs goedaardig zijn, gebruikt om kankercellen te bestrijden of om het farmacologische effect van bepaalde medicijnen te bestuderen door middel van radioactieve labeling.

Andere stralingen zijn daarentegen destructief en dodelijk bij minimaal contact. Helaas dragen verschillende van de ergste rampen in de geschiedenis het symbool van radioactiviteit (radioactieve klaver, bovenste afbeelding).

Van kernwapens tot de afleveringen van Tsjernobyl en het ongeluk van radioactief afval en de gevolgen ervan voor wilde dieren: er zijn veel rampen die worden veroorzaakt door kernenergie. Maar aan de andere kant zou kernenergie de onafhankelijkheid van andere energiebronnen en de vervuilingsproblemen die ze veroorzaken, garanderen.

Het zou (waarschijnlijk) schone energie zijn die steden voor een eeuwigheid van stroom kan voorzien, en de technologie zou haar aardse grenzen overschrijden.

Om dit alles te bereiken tegen de laagste menselijke (en planetaire) kosten, zijn wetenschappelijke, technologische, ecologische en politieke programma's en inspanningen nodig om kernenergie te “temmen” en “na te bootsen” op een veilige en gunstige manier voor de mensheid en haar groei. energiek.

Geschiedenis van nucleaire chemie

Dageraad

Door de alchemisten en hun steen der wijzen in het verleden achter te laten (hoewel hun inspanningen vruchten hebben afgeworpen die van vitaal belang zijn voor het begrip van scheikunde), werd nucleaire scheikunde geboren toen wat bekend staat als radioactiviteit voor het eerst werd ontdekt.

Het begon allemaal met de ontdekking van röntgenstralen door Wilhelm Conrad Röntgen (1895), aan de Universiteit van Wurzburg. Hij bestudeerde kathodestralen toen hij merkte dat ze een vreemde fluorescentie veroorzaakten, zelfs als het apparaat was uitgeschakeld, die in staat was om door het ondoorzichtige zwarte papier te dringen dat de buizen bedekte waarin de experimenten werden uitgevoerd.

Henri Becquerel, gemotiveerd door de ontdekkingen van röntgenstralen, ontwierp zijn eigen experimenten om ze te bestuderen met behulp van fluorescerende zouten, die fotografische platen, beschermd door zwart papier, donkerder maakten wanneer ze werden opgewonden door zonlicht.

Per ongeluk werd ontdekt (aangezien het weer in Parijs op dat moment bewolkt was), dat uraniumzouten fotografische platen verdoezelden, ongeacht de lichtbron die erop viel. Hij concludeerde toen dat hij een nieuw type straling had gevonden: radioactiviteit.

Banen van de Curie-echtgenoten

Het werk van Becquerel diende als inspiratiebron voor Marie Curie en Pierre Curie om zich te verdiepen in het fenomeen radioactiviteit (een term die werd bedacht door Marie Curie).

Dus zochten ze naar andere mineralen (naast uranium) die ook deze eigenschap vertoonden, waarbij ze ontdekten dat het mineraal pekblende nog radioactiever is en dat het daarom andere radioactieve stoffen moet bevatten. Hoe? Door de elektrische stromen te vergelijken die worden gegenereerd door de ionisatie van gasmoleculen rond de monsters.

Na jaren van zware extractie en radiometrische metingen, extraheerde hij de radioactieve elementen radium (100 mg uit een monster van 2000 kg) en polonium uit het mineraal pekblende. Curie bepaalde ook de radioactiviteit van het element thorium.

Helaas werden tegen die tijd de schadelijke effecten van dergelijke straling ontdekt.

Metingen van radioactiviteit werden vergemakkelijkt door de ontwikkeling van de geigerteller (met Hans Geiger als mede-uitvinder van het artefact).

Nucleus fractionering

Ernest Rutherford merkte op dat elke radio-isotoop zijn eigen vervaltijd had, onafhankelijk van de temperatuur, en dat deze varieerde met de concentratie en kenmerken van de kernen.

Het toonde ook aan dat deze radioactieve verval kinetiek van de eerste orde gehoorzamen, waarvan de halfwaardetijden (t _1/2 ) vandaag de dag nog steeds erg bruikbaar zijn. Elke stof die radioactiviteit uitzendt, heeft dus een andere t _1/2 , die varieert van seconden, dagen tot miljoenen jaren.

Naast al het bovenstaande stelde hij een atoommodel voor als resultaat van de resultaten van zijn experimenten waarbij hij een zeer dunne laag goud bestraalde met alfadeeltjes (heliumkernen). Weer werkend met de alfadeeltjes, bereikte hij de transmutatie van stikstofatomen naar zuurstofatomen; met andere woorden, hij was erin geslaagd het ene element in het andere om te zetten.

Daarbij werd meteen aangetoond dat het atoom niet ondeelbaar was, en nog minder toen het werd gebombardeerd door versnelde deeltjes en "langzame" neutronen.

Studierichting

Praktijk en theorie

Degenen die besluiten om deel uit te maken van de nucleair chemie-specialist, kunnen kiezen uit verschillende studiegebieden of onderzoeksgebieden, evenals verschillende werkgebieden. Zoals veel takken van de wetenschap, kunnen ze worden gewijd aan de praktijk of theorie (of beide tegelijkertijd) in hun overeenkomstige vakgebieden.

Een cinematografisch voorbeeld is te zien in superheldenfilms, waarin wetenschappers een individu superkrachten laten verwerven (zoals de Hulk, de fantastische vier, Spiderman en Doctor Manhattan).

In het echte leven (althans oppervlakkig) proberen nucleaire chemici in plaats daarvan nieuwe materialen te ontwerpen die bestand zijn tegen enorme nucleaire weerstand.

Deze materialen moeten, net als de instrumenten, onverwoestbaar en speciaal genoeg zijn om de emissie van straling en de enorme temperaturen die vrijkomen bij het initiëren van kernreacties te isoleren; vooral die van kernfusie.

In theorie kunnen ze simulaties ontwerpen om eerst de haalbaarheid van bepaalde projecten in te schatten en hoe deze te verbeteren tegen de laagste kosten en negatieve impact; of wiskundige modellen die het mogelijk maken om de hangende mysteries van de kern te ontrafelen.

Evenzo bestuderen ze en stellen ze manieren voor om kernafval op te slaan en / of te behandelen, aangezien het miljarden jaren duurt om te ontbinden en het zeer vervuilend is.

Typische banen

Hier is een korte lijst met typische banen die een nucleair chemicus kan doen:

-Direct onderzoek in overheids-, industriële of academische laboratoria.

-Verwerk honderden gegevens via statistische pakketten en multivariate analyse.

-Ze geven lessen op universiteiten.

-Ontwikkel veilige radioactiviteitsbronnen voor verschillende toepassingen waarbij een algemeen publiek betrokken is, of voor gebruik in lucht- en ruimtevaartapparatuur.

-Ontwerptechnieken en apparaten die radioactiviteit in de omgeving detecteren en monitoren.

- Garanderen dat de laboratoriumomstandigheden optimaal zijn voor het hanteren van radioactief materiaal; die ze zelfs manipuleren met robotarmen.

-Als technici onderhouden ze dosismeters en verzamelen ze radioactieve monsters.

Gebieden

In de vorige paragraaf werd in algemene termen beschreven wat de taken zijn van een nucleair chemicus op zijn werkplek. Nu wordt er iets meer gespecificeerd over verschillende gebieden waarin het gebruik of onderzoek van kernreacties aanwezig is.

Radiochemie

Bij radiochemie wordt het stralingsproces zelf bestudeerd. Dit betekent dat het alle radio-isotopen diepgaand in beschouwing neemt, evenals hun vervaltijd, de straling die ze afgeven (alfa, bèta of gamma), hun gedrag in verschillende omgevingen en hun mogelijke toepassingen.

Dit is misschien het gebied van de nucleaire chemie dat tegenwoordig het meest is gevorderd in vergelijking met de andere. Hij heeft de leiding gehad over het intelligent en vriendelijk gebruik van radio-isotopen en gematigde stralingsdoses.

Kernenergie

Op dit gebied bestuderen en ontwerpen nucleaire chemici, samen met onderzoekers van andere specialiteiten, veilige en controleerbare methoden om te profiteren van kernenergie die wordt geproduceerd door de splijting van kernen; dat wil zeggen, van zijn fractionering.

Evenzo wordt voorgesteld hetzelfde te doen met kernfusiereacties, zoals degenen die kleine sterren willen temmen die hun energie leveren; met de belemmering dat de omstandigheden overweldigend zijn en er geen fysiek materiaal is dat ze kan weerstaan ​​(stel je voor dat je de zon opsluit in een kooi die niet smelt vanwege de intense hitte).

Kernenergie kan heel goed worden gebruikt voor liefdadigheidsdoeleinden, of voor oorlogsdoeleinden, om meer wapens te ontwikkelen.

Opslag en afval

Het probleem van kernafval is zeer ernstig en bedreigend. Het is om deze reden dat ze in dit gebied toegewijd zijn aan het bedenken van strategieën om hen zo 'op te sluiten' dat de straling die ze uitzenden niet door hun omhulsel heen kan dringen; shell, die aardbevingen, overstromingen, hoge drukken en temperaturen enz. moet kunnen weerstaan.

Kunstmatige radioactiviteit

Alle transurane elementen zijn radioactief. Ze zijn gesynthetiseerd met behulp van verschillende technieken, waaronder: het bombarderen van kernen met neutronen of andere versnelde deeltjes.

Hiervoor is gebruik gemaakt van lineaire versnellers of cyclotrons (die D-vormig zijn). Binnenin worden de deeltjes versneld tot snelheden die dicht bij die van het licht liggen (300.000 km / s) en botsen ze vervolgens op een doelwit.

Zo werden verschillende kunstmatige, radioactieve elementen geboren, en hun overvloed op aarde is nihil (hoewel ze van nature kunnen voorkomen in gebieden van de kosmos).

Bij sommige versnellers is de kracht van botsingen zodanig dat materie uiteenvalt. Door de fragmenten te analyseren, die vanwege hun korte levensduur nauwelijks kunnen worden gedetecteerd, is het mogelijk om meer te weten te komen over het compendium van atomaire deeltjes.

Toepassingen

Koeltorens van een kerncentrale. Bron: Pixabay.

De afbeelding hierboven toont twee koeltorens die kenmerkend zijn voor kerncentrales, waarvan de centrale een hele stad van elektriciteit kan voorzien; bijvoorbeeld de fabriek in Springfield, waar Homer Simpson werkt, en die eigendom is van Mr. Burns.

Vervolgens gebruiken kerncentrales de energie die vrijkomt uit kernreactoren om in een energiebehoefte te voorzien. Dit is de ideale en veelbelovende toepassing van nucleaire chemie: onbeperkte energie.

Door het hele artikel heen wordt impliciet melding gemaakt van talrijke toepassingen van nucleaire chemie. Andere toepassingen die niet zo voor de hand liggend zijn, maar die wel in het dagelijks leven aanwezig zijn, zijn de volgende.

Geneesmiddel

Een techniek voor het steriliseren van chirurgisch materiaal is het bestralen met gammastraling. Dit vernietigt volledig de micro-organismen die ze kunnen herbergen. Het proces is koud, dus bepaalde biologische materialen, die gevoelig zijn voor hoge temperaturen, kunnen ook aan dergelijke stralingsdoses worden blootgesteld.

Het farmacologische effect, de distributie en eliminatie van de nieuwe geneesmiddelen wordt geëvalueerd door het gebruik van radio-isotopen. Met een uitgezonden stralingsdetector kunt u een echt beeld krijgen van de verdeling van het medicijn in het lichaam.

Deze afbeelding maakt het mogelijk om te bepalen hoe lang het medicijn inwerkt op een bepaald weefsel; als het niet goed wordt opgenomen of als het langer binnen blijft dan voldoende is.

Bewaring van voedsel

Evenzo kan opgeslagen voedsel worden bestraald met een matige dosis gammastraling. Dit is verantwoordelijk voor het elimineren en vernietigen van bacteriën, waardoor voedsel langer eetbaar blijft.

Met deze techniek kan bijvoorbeeld een pakje aardbeien zelfs na 15 dagen opslag vers worden gehouden. De straling is zo zwak dat deze niet het oppervlak van de aardbeien doordringt; en daarom zijn ze niet besmet, noch worden ze "radioactieve aardbeien".

Rookmelders

In de rookmelders zit slechts een paar milligram americium ( ²⁴¹ Am). Dit radioactieve metaal vertoont in deze hoeveelheden straling die onschadelijk is voor mensen die onder de daken aanwezig zijn.

De ²⁴¹ Am zendt laag-energetische alfadeeltjes en gammastralen uit, die aan de detector kunnen ontsnappen. Alfadeeltjes ioniseren de zuurstof- en stikstofmoleculen in de lucht. Binnenin de detector verzamelt een spanningsverschil de ionen, die een lichte elektrische stroom produceren.

De ionen komen bij verschillende elektroden terecht. Wanneer rook de interne kamer van de detector binnendringt, absorbeert het alfadeeltjes en wordt de ionisatie van de lucht verstoord. Als gevolg hiervan wordt de elektrische stroom gestopt en wordt een alarm geactiveerd.

Bestrijding van ongedierte

In de landbouw is matige straling gebruikt om ongewenste insecten op gewassen te doden. Zo wordt het gebruik van zeer vervuilende insecticiden vermeden. Dit vermindert de negatieve impact op de bodem, het grondwater en de gewassen zelf.

Dating

Met behulp van radio-isotopen kan de ouderdom van bepaalde objecten worden bepaald. Bij archeologisch onderzoek is dit van groot belang, omdat het de mogelijkheid biedt de monsters te scheiden en op hun overeenkomstige tijdstippen te plaatsen. Het radio-isotoop dat voor deze toepassing wordt gebruikt, is bij uitstek koolstof 14 ( ¹⁴ C). De t _1/2 is 5700 jaar en monsters kunnen tot 50.000 jaar oud worden gedateerd.

Het verval van ¹⁴ C is vooral gebruikt voor biologische monsters, skeletten, fossielen, enz. Andere radio-isotopen, zoals ²⁴⁸ U, zijn t _1/2 miljoen jaar oud. Door vervolgens de concentraties van ²⁴⁸ U te meten in een monster van meteorieten, sedimenten en mineralen, kan worden vastgesteld of deze even oud is als de aarde.

Referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren.
2. Frank Kinard. (2019). Nucleaire chemie. Hersteld van: chemistryexplained.com
3. Nucleaire chemie. (sf). Hersteld van: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Tijdlijn voor de geschiedenis van nucleaire chemie. Ze gaan vooraf. Hersteld van: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (zd). Ontdekking van radioactiviteit. Chemie LibreTexts. Hersteld van: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (sf). Welke soorten banen doen nucleair chemici? Werk - Chron.com. Hersteld van: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Nucleaire chemie. Hersteld van: en.wikipedia.org
8. American Chemical Society. (2019). Nucleaire chemie. Scheikunde carrières. Hersteld van: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). De medische, agrarische en industriële toepassingen van nucleaire technologie. Pacific Northwest National Laboratory.