ЯДЕРНАЯ ХИМИЯ: ИСТОРИЯ, НАПРАВЛЕНИЯ, НАПРАВЛЕНИЯ, ПРИМЕНЕНИЯ - ХИМИЯ - 2026

Ядерная химия является исследование изменений свойств продукта от явлений материи происходило в ядрах атомов; он не изучает то, как его электроны взаимодействуют или их связи с другими атомами того же или другого элемента.

Затем эта ветвь химии фокусируется на ядрах и энергиях, высвобождаемых при добавлении или потере части своих частиц; которые называются нуклонами и которые для химических целей состоят в основном из протонов и нейтронов.

Клевер радиоактивный. Источник: Pixabay.

Многие ядерные реакции состоят из изменения числа протонов и / или нейтронов, что, как следствие, приводит к превращению одного элемента в другой; Древняя мечта алхимиков, тщетно пытавшихся превратить металлический свинец в золото.

Это, пожалуй, самая удивительная характеристика ядерных реакций. Однако такие преобразования высвобождают огромное количество энергии, а также ускоренные частицы, которым удается проникнуть и разрушить окружающую их материю (например, ДНК наших клеток) в зависимости от связанной с ними энергии.

То есть в ядерной реакции высвобождаются разные типы излучения, и когда атом или изотоп выделяют излучение, он считается радиоактивным (радионуклиды). Некоторое излучение может быть безвредным и даже безобидным, использоваться для борьбы с раковыми клетками или изучения фармакологического действия определенных лекарств с помощью радиоактивной маркировки.

Другие же излучения разрушительны и смертельны при минимальном контакте. К сожалению, некоторые из самых ужасных катастроф в истории несут в себе символ радиоактивности (радиоактивный клевер, верхнее изображение).

От ядерного оружия до чернобыльских эпизодов и несчастий, связанных с радиоактивными отходами и их воздействием на дикую природу, существует множество бедствий, вызванных ядерной энергией. Но, с другой стороны, ядерная энергия будет гарантировать независимость от других источников энергии и проблем загрязнения, которые они вызывают.

Это (вероятно) будет чистая энергия, способная обеспечивать города энергией на вечность, а технология превзойдет свои земные пределы.

Чтобы достичь всего этого с наименьшими человеческими (и планетарными) затратами, необходимы научные, технологические, экологические и политические программы и усилия, чтобы «приручить» и «имитировать» ядерную энергию безопасным и выгодным образом для человечества и его роста. энергичный.

История ядерной химии

Рассвет

Оставив алхимиков и их философский камень в прошлом (хотя их усилия принесли жизненно важные плоды для понимания химии), ядерная химия родилась, когда впервые была обнаружена так называемая радиоактивность.

Все началось с открытия рентгеновских лучей Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1895 г.) в Вюрцбургском университете. Он изучал катодные лучи, когда заметил, что они вызывают странную флуоресценцию, даже при выключенном устройстве, способную проникать через непрозрачную черную бумагу, покрывающую трубки, в которых проводились эксперименты.

Анри Беккерель, вдохновленный открытиями рентгеновских лучей, разработал свои собственные эксперименты по их изучению, используя флуоресцентные соли, которые затемняли фотопластинки, защищенные черной бумагой, когда они возбуждались солнечным светом.

Случайно (так как погода в Париже в то время была пасмурной) было обнаружено, что соли урана заслоняют фотографические пластинки, независимо от источника света, падающего на них. Затем он пришел к выводу, что открыл новый тип излучения: радиоактивность.

Работа супругов Кюри

Работа Беккереля послужила источником вдохновения для Марии Кюри и Пьера Кюри, чтобы углубиться в феномен радиоактивности (термин, введенный Марией Кюри).

Таким образом, они искали другие минералы (помимо урана), которые также проявляли это свойство, и обнаружили, что минеральная урановая обманка еще более радиоактивна и, следовательно, она должна содержать другие радиоактивные вещества. Как? Путем сравнения электрических токов, возникающих при ионизации молекул газа вокруг образцов.

После многих лет кропотливой работы по добыче и радиометрических измерений он извлек радиоактивные элементы радий (100 мг из 2000 кг пробы) и полоний из минеральной настурановой обманки. Также Кюри определил радиоактивность элемента торий.

К сожалению, к тому времени уже начали обнаруживаться вредные эффекты такого излучения.

Измерения радиоактивности были облегчены с разработкой счетчика Гейгера (соавтором артефакта был Ганс Гейгер).

Фракционирование ядер

Эрнест Резерфорд заметил, что каждый радиоизотоп имеет собственное время распада, независимо от температуры, и что оно зависит от концентрации и характеристик ядер.

Он также продемонстрировал, что эти радиоактивные распады подчиняются кинетике первого порядка, период полураспада которых (t _1/2 ) все еще очень полезен сегодня. Таким образом, каждое вещество, излучающее радиоактивность, имеет различный t _1/2 , который колеблется от секунд, дней до миллионов лет.

В дополнение ко всему вышесказанному, он предложил атомную модель в результате результатов своих экспериментов по облучению очень тонкого листа золота альфа-частицами (ядрами гелия). Снова работая с альфа-частицами, он добился превращения атомов азота в атомы кислорода; то есть ему удалось преобразовать один элемент в другой.

При этом сразу было продемонстрировано, что атом не является неделимым, и тем более при бомбардировке его ускоренными частицами и «медленными» нейтронами.

Область исследования

Практика и теория

Те, кто решит стать специалистами в области ядерной химии, могут выбирать из разных областей обучения или исследований, а также из разных областей работы. Как и многие отрасли науки, они могут быть посвящены практике или теории (или обоим одновременно) в соответствующих областях.

Кинематографический пример можно увидеть в фильмах о супергероях, где ученые заставляют человека приобретать суперсилы (такие как Халк, фантастическая четверка, Человек-паук и Доктор Манхэттен).

В реальной жизни (по крайней мере, на первый взгляд) химики-ядерщики вместо этого стремятся создать новые материалы, способные выдержать огромное ядерное сопротивление.

Эти материалы, как и приборы, должны быть прочными и достаточно специальными, чтобы изолировать излучение и огромные температуры, возникающие при инициировании ядерных реакций; особенно ядерный синтез.

Теоретически они могут спроектировать моделирование, чтобы сначала оценить осуществимость определенных проектов и способы их улучшения с наименьшими затратами и негативным воздействием; или математические модели, которые позволяют разгадывать нерешенные тайны ядра.

Точно так же они изучают и предлагают способы хранения и / или обработки ядерных отходов, поскольку разложение занимает миллиарды лет и сильно загрязняет окружающую среду.

Типичные вакансии

Вот краткий список типичных работ, которые может выполнять химик-ядерщик:

-Прямые исследования в государственных, промышленных или академических лабораториях.

-Обработка сотен данных с помощью статистических пакетов и многомерного анализа.

-Они преподают в вузах.

-Разработка безопасных источников радиоактивности для различных применений с участием населения или для использования в аэрокосмических устройствах.

-Разработка методов и устройств, обнаруживающих и контролирующих радиоактивность в окружающей среде.

-Гарантировать, что лабораторные условия оптимальны для работы с радиоактивными материалами; которыми они даже манипулируют, используя роботизированные руки.

- Как технические специалисты, они обслуживают дозиметры и собирают радиоактивные пробы.

Области

В предыдущем разделе в общих чертах описывались задачи химика-ядерщика на его рабочем месте. Теперь еще немного уточняется о различных областях, в которых присутствует использование или изучение ядерных реакций.

радиохимия

В радиохимии изучается сам радиационный процесс. Это означает, что он рассматривает все радиоизотопы по глубине, а также время их распада, испускаемое ими излучение (альфа, бета или гамма), их поведение в различных средах и их возможные применения.

Возможно, это та область ядерной химии, которая сегодня наиболее продвинулась по сравнению с другими. Он отвечал за разумное и дружелюбное использование радиоизотопов и умеренных доз радиации.

Ядерная энергия

В этой области химики-ядерщики вместе с исследователями других специальностей изучают и разрабатывают безопасные и контролируемые методы использования ядерной энергии, получаемой при делении ядер; то есть его фракционирования.

Точно так же предлагается сделать то же самое с реакциями ядерного синтеза, например, с теми, кто хотел бы приручить маленькие звезды, которые обеспечивают свою энергию; с препятствием, что условия подавляющие и нет физического материала, способного им противостоять (представьте, что вы поместили солнце в клетку, которая не тает из-за сильной жары).

Ядерная энергия вполне может быть использована в благотворительных целях или в военных целях, для разработки большего количества оружия.

Хранение и отходы

Проблема, которую представляют собой ядерные отходы, очень серьезна и опасна. Именно по этой причине в этой области они занимаются разработкой стратегий «заключения их в тюрьму» таким образом, чтобы излучение, которое они излучают, не проникало через их защитную оболочку; оболочка, которая должна выдерживать землетрясения, наводнения, высокие давления и температуры и т. д.

Искусственная радиоактивность

Все трансурановые элементы радиоактивны. Они были синтезированы с использованием различных технологий, включая бомбардировку ядер нейтронами или другими ускоренными частицами.

Для этого использовались линейные ускорители или циклотроны (D-образные). Внутри них частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света (300 000 км / с), а затем сталкиваются с целью.

Таким образом, родилось несколько искусственных радиоактивных элементов, и их количество на Земле равно нулю (хотя они могут существовать естественным образом в регионах Космоса).

В некоторых ускорителях сила столкновений такова, что происходит распад вещества. Путем анализа фрагментов, которые трудно обнаружить из-за их короткого срока службы, можно было больше узнать о компендиуме атомных частиц.

Приложения

Градирни атомной электростанции. Источник: Pixabay.

На изображении выше показаны две типичные для атомных электростанций градирни, которые могут снабжать электричеством весь город; Например, завод в Спрингфилде, где работает Гомер Симпсон, принадлежит мистеру Бернсу.

Затем атомные электростанции используют энергию, выделяемую ядерными реакторами, для удовлетворения потребностей в энергии. Это идеальное и многообещающее применение ядерной химии: неограниченная энергия.

На протяжении всей статьи косвенно упоминались многочисленные приложения ядерной химии. Другие приложения, не столь очевидные, но присутствующие в повседневной жизни, приведены ниже.

Лекарство

Один из методов стерилизации хирургического материала - облучение его гамма-излучением. Это полностью уничтожает микроорганизмы, которые они могут содержать. Процесс холодный, поэтому некоторые биологические материалы, чувствительные к высоким температурам, также могут подвергаться таким дозам излучения.

Фармакологический эффект, распространение и устранение новых лекарств оценивается с помощью радиоизотопов. С помощью детектора испускаемого излучения вы можете получить реальную картину распределения лекарства в организме.

Это изображение позволяет определить, как долго препарат действует на определенную ткань; если он не впитывается должным образом или остается в помещении дольше, чем необходимо.

Консервация продуктов

Точно так же хранящиеся продукты можно облучить умеренной дозой гамма-излучения. Это отвечает за устранение и уничтожение бактерий, сохраняя пищу съедобной в течение более длительного времени.

Например, с помощью этого метода упаковка с клубникой может быть свежей даже после 15 дней хранения. Излучение настолько слабое, что не проникает через поверхность клубники; и поэтому они не заражены и не становятся «радиоактивной клубникой».

Детекторы дыма

Внутри дымовых извещателей находится всего несколько миллиграммов америция ( ²⁴¹ Am). Этот радиоактивный металл в таких количествах безвреден для людей, находящихся под крышами.

²⁴¹ Am излучает энергию низкого альфа - частицы и гамма - лучи, эти лучи будучи в состоянии избежать детектора. Альфа-частицы ионизируют молекулы кислорода и азота в воздухе. Внутри детектора разность напряжений собирает и упорядочивает ионы, производя небольшой электрический ток.

Ионы попадают на разные электроды. Когда дым попадает во внутреннюю камеру извещателя, он поглощает альфа-частицы, и ионизация воздуха нарушается. Следовательно, электрический ток прекращается и срабатывает сигнализация.

Устранение вредителей

В сельском хозяйстве умеренное излучение используется для уничтожения нежелательных насекомых на сельскохозяйственных культурах. Таким образом, избегается использование сильно загрязняющих инсектицидов. Это снижает негативное воздействие на почвы, грунтовые воды и сами посевы.

Знакомства

С помощью радиоизотопов можно определить возраст определенных объектов. В археологических исследованиях это представляет большой интерес, поскольку позволяет разделять образцы и помещать их в соответствующее время. Радиоизотоп, используемый для этого приложения, представляет собой преимущественно углерод 14 ( ¹⁴ C). Его t _1/2 составляет 5700 лет, а возраст образцов может быть до 50 000 лет.

Распад ¹⁴ C использовался особенно для биологических образцов, скелетов, окаменелостей и т. Д. Другие радиоизотопы, такие как ²⁴⁸ U, имеют возраст _1/2 миллиона лет. Затем измеряя концентрацию ²⁴⁸ U в образце метеоритов, отложений и минералов, можно определить, является ли он того же возраста, что и Земля.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Фрэнк Кинард. (2019). Ядерная химия. Получено с: chemistryexplained.com
3. Ядерная химия. (SF). Получено с: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Хронология истории ядерной химии. Они предшествуют. Получено с: prevden.com
5. Сара Э. и Ниса С. (б. Д.). Открытие радиоактивности. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
6. Скоттсдейл, Бренда. (SF). Какую работу выполняют химики-ядерщики? Работа - Chron.com. Получено с: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Ядерная химия. Получено с: en.wikipedia.org
8. Американское химическое общество. (2019). Ядерная химия. Карьера в химии. Получено с: acs.org
9. Алан Э. Уолтар. (2003). Применение ядерных технологий в медицине, сельском хозяйстве и промышленности. Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория.