Storia della chimica nucleare, campo di studio, aree, applicazioni

IL chimica nucleare È lo studio dei cambiamenti nella materia e del loro prodotto di proprietà dei fenomeni che si sono verificati nei nuclei dei loro atomi; Non studia la strada nel modo in cui i loro elettroni o i collegamenti con altri atomi dello stesso o elemento diverso interagiscono.

Questo ramo della chimica si concentra quindi sui nuclei e sulle energie rilasciate quando aggiungono o perdono alcune delle loro particelle; che sono chiamati nucleoni e quello per scopi chimici in sostanza sono costituiti da protoni e neutroni.

Trifoglio radioattivo. Fonte: Pixabay.

Molte reazioni nucleari consistono in un cambiamento nel numero di protoni e/o neutroni, che si traduce nella trasformazione di un elemento in un altro; Antico sogno degli alchimisti, che hanno provato a convertire inutilmente il metallo di piombo in oro.

Quanto sopra è forse la caratteristica più sorprendente delle reazioni nucleari. Tuttavia, tali trasformazioni rilasciano enormi quantità di energia, oltre alle particelle accelerate che riescono a penetrare e distruggere la questione che li circonda (come il DNA delle nostre cellule) a seconda della loro energia associata.

Cioè, in una reazione nucleare vengono rilasciati diversi tipi di radiazioni e quando un atomo o un isotopo rilascia radiazioni, si dice che sia radioattivo (radionucleidi). Alcune radiazioni possono essere innocue e persino benigne, usate per combattere le cellule tumorali o studiare l'effetto farmacologico di alcuni farmaci mediante marcatura radioattiva.

Altre radiazioni, tuttavia, sono distruttive e mortali al contatto minimo. Sfortunatamente, molte delle peggiori catastrofi della storia portano il simbolo della radioattività (trifoglio radioattivo, immagine superiore).

Dalle armi nucleari, agli episodi di Chernobyl e alla sventura dei rifiuti radioattivi e ai loro effetti sulla fauna, ci sono molti disastri innescati dall'energia nucleare. Ma, d'altra parte, l'energia nucleare garantirebbe l'indipendenza di altre fonti energetiche e i problemi di inquinamento che trasportano.

Sarebbe (probabilmente) l'energia pulita, in grado di alimentare le città per l'eternità e la tecnologia supererebbe i suoi limiti terreni.

Per raggiungere tutto ciò, a minimo costi umani (e planetari), sono necessari programmi scientifici, tecnologici, ecologici e politici per "domare" e "imitare" l'energia nucleare in modo sicuro e benefico per l'umanità e la sua crescita e la sua crescita energetica.

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Storia della chimica nucleare

Albores

Lasciando gli alchimisti e la pietra del loro filosofo in passato (sebbene i loro sforzi abbiano ripagato un'importanza vitale per la comprensione della chimica), la chimica nucleare è nata quando ciò che è noto dalla radioattività è stato rilevato per la prima volta.

Tutto è iniziato nella scoperta di raggi X per Wilhelm Conrad Röntgen (1895), all'Università di Wurzburg. Ha studiato i raggi catodici quando notò che avevano origine una strana fluorescenza, anche con l'apparato spento, in grado di trasferire la carta nera opaca che copriva i tubi all'interno dei quali furono sviluppati gli esperimenti.

Henri Bequerel, motivato dalle scoperte dei raggi X, progettò i propri esperimenti per studiarli da sali fluorescenti, che oscurarono le piastre fotografiche, protette da carta nera, quando erano eccitati dalla luce del sole.

È stato trovato accidentalmente (dal momento che il tempo a Parigi era nuvoloso all'epoca), che i sali di uranio oscuravano le piastre fotografiche, indipendentemente dalla fonte di luce che le avrebbe influite su. Ha concluso allora di aver trovato un nuovo tipo di radiazione: radioattività.

Lavori dei mariti Curie

Il lavoro di Bequerel è stato fonte di ispirazione per Marie Curie e Pierre Curie per approfondire il fenomeno della radioattività (termine coniato da Marie Curie).

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Pertanto, hanno cercato altri minerali (oltre a quelli dell'uranio) che avrebbero anche presentato quella proprietà, scoprendo che il minerale di Pechlenda è ancora più radioattivo e che quindi ha dovuto possedere altre sostanze radioattive. COME? Confrontando le correnti elettriche generate dalla ionizzazione di molecole gassose attorno ai campioni.

Della pechlenda minerale estratta, dopo anni di ardue opere di estrazioni e misurazioni radiometriche, la radio degli elementi radioattivi (100 mg di un campione di 2000 kg) e Polonio. Curie ha anche determinato la radioattività dell'elemento Torio.

Sfortunatamente, a quel punto gli effetti dannosi di tale radiazione iniziarono a essere scoperti.

Le misurazioni della radioattività sono state facilitate con lo sviluppo del contabile di Geiger (avendo Hans Geiger come Coinventor artefatto).

Il frazionamento del nucleo

Ernest Rutherford ha osservato che ogni radioisotopo aveva il suo tempo di decadimento, indipendentemente dalla temperatura, e che variava con la concentrazione e le caratteristiche dei nuclei.

Ha anche dimostrato che questi diminuzioni radioattive obbediscono a un primo cinetico, i cui tempi a metà vita (T_1/2), sono ancora molto utili. Pertanto, ogni sostanza emette la radioattività ha diverso T_1/2, che oscilla da secondi, giorni, fino a milioni di anni.

Oltre a tutto quanto sopra, un modello atomico proposto seguendo i risultati dei suoi esperimenti che irradiano con particelle alfa (nuclei di elio) un foglio d'oro molto sottile. Lavorando di nuovo con le particelle di alfas, ha raggiunto la trasmutazione degli atomi di azoto agli atomi di ossigeno; cioè, era riuscito a convertire un elemento in un altro.

In tal modo, è stato subito dimostrato che l'atomo non era indivisibile e anche meno quando è stato bombardato da particelle accelerate e neutroni "lenti".

Campo di studi

Pratica e teoria

Coloro che decidono di arrendersi per far parte degli specialisti della chimica nucleare possono optare per diversi campi di studio o ricerca, nonché diversi settori di lavoro. Come molti rami della scienza, possono dedicarsi alla pratica, o alla teoria (o entrambi allo stesso tempo) nei loro campi corrispondenti.

Un esempio cinematografico può essere visto nei film di supereroi, in cui gli scienziati fanno sì che un individuo acquisisca super potenze (come Hulk, The Fantastic Four, Spiderman e Dr. Manhattan).

Nella vita reale (almeno superficialmente), le sostanze chimiche nucleari sono contrarie alla progettazione di nuovi materiali in grado di resistere all'enorme resistenza nucleare.

Questi materiali, come la strumentazione, devono essere indistruttibili e abbastanza speciali da isolare l'emissione di radiazioni e le enormi temperature scatenate quando si avvia reazioni nucleari; Soprattutto, fusione nucleare.

Nella teoria, possono progettare simulazioni per stimare prima la fattibilità di determinati progetti e come migliorarli a basso costo e a un impatto negativo; o modelli matematici che consentono di svelare i misteri in sospeso del nucleo.

Studiano anche e posa.

Lavori tipici

Di seguito è riportato un breve elenco di opere tipiche che un chimico nucleare può esercitare:

-Dirigono la ricerca in laboratorio governativo, industriale o accademico.

-Elaborano centinaia di dati attraverso pacchetti statistici e analisi multivariate.

-Insegnare nelle università.

-Sviluppano fonti di radioattività sicure per varie applicazioni in cui coinvolgono un grande pubblico o da utilizzare nei dispositivi aerospaziali.

-Tecniche di progettazione e dispositivi che rilevano e monitorano la radioattività nell'ambiente.

-Garantiscono che nei laboratori le condizioni siano ottimali nella manipolazione del materiale radioattivo; che vengono a manipolare anche usando armi robot.

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-Come tecnici, mantengono i dosimetri e raccolgono campioni radioattivi.

le zone

La sezione precedente descritta in termini generali quali sono i compiti di un chimico nucleare sul posto di lavoro. Ora, è specificato un po 'di più sulle diverse aree in cui è presente l'uso o lo studio delle reazioni nucleari.

Radiochimica

Nella radio viene studiato il processo di radiazione in sé. Ciò significa che considera in profondità tutti i radioisotopi, così come il loro tempo di decadimento, le radiazioni che rilasciano (alfa, beta o gamma), il loro comportamento in diversi ambienti e le loro possibili applicazioni.

Questa è forse l'area della chimica nucleare che ha avanzato di più oggi per quanto riguarda gli altri. È stato incaricato di usare radioisotopi e dosi di radiazioni moderate in modo intelligente e amichevole.

Energia nucleare

In questo settore, sostanze chimiche nucleari, insieme a ricercatori di altre specialità, studio e progetta metodi sicuri e controllabili per sfruttare il prodotto di energia nucleare della fissione dei nuclei; cioè, del suo frazionamento.

Intende anche fare lo stesso con le reazioni di fusione nucleare, come quelle che volevano domare piccole stelle che contribuiscono alla loro energia; Con l'impedimento che le condizioni sono schiaccianti e non esiste materiale fisico in grado di resistere (immagina di bloccare il sole in una gabbia che non è fondata da un intenso calore).

L'energia nucleare può essere utilizzata per scopi benefici o per scopi di guerra, nello sviluppo di più armamenti.

Stoccaggio e rifiuti

Il problema che rappresenta le rifiuti nucleari è molto grave e minaccioso. È per questo motivo che in quest'area sono dedicati a escogitare strategie per "imprigionarle" in modo tale che le radiazioni che emettono non trasparenti il ​​loro guscio di contenimento; Coraza, che deve essere in grado di resistere a terremoti, inondazioni, alte pressioni e temperature, ecc.

Radioattività artificiale

Tutti gli elementi del traffico sono radioattivi. Sono stati sintetizzati da diverse tecniche, tra cui: bombardamento dei nuclei con neutroni o altre particelle accelerate.

Per fare ciò, sono stati realizzati acceleratori lineari o ciclotroni (che sono a forma di d). Al loro interno, le particelle accelerano a velocità vicine a quelle della luce (300.000 km/s), quindi si scontrano contro un bersaglio.

Pertanto, sono nati diversi elementi artificiali e radioattivi e che la loro abbondanza sulla Terra è nullo (sebbene possano esistere naturalmente nelle regioni del cosmo).

In alcuni acceleratori il potere delle collisioni è tale che si verifica una disintegrazione della materia. Analizzare i frammenti, che a malapena possono essere rilevati per la loro breve vita, è stato possibile saperne di più nel dipartimento il compendio delle particelle atomiche.

Applicazioni

Torri di raffreddamento di una centrale nucleare. Fonte: Pixabay.

Nell'immagine superiore sono mostrate due caratteristiche torri di raffreddamento delle centrali nucleari, la cui pianta può alimentare un'intera città elettrica; Ad esempio, lo stabilimento di Springfield, dove lavora Homero Simpson e da cui possiede Mr. Burns.

Quindi, le centrali nucleari utilizzano l'energia rilasciata dai reattori nucleari per fornire un bisogno di energia. Questa è l'applicazione ideale e promettente della chimica nucleare: energia illimitata.

Nel corso dell'articolo, è stata fatta menzione, in modo implicito, di numerose applicazioni di chimica nucleare. Altre applicazioni non così ovvie, ma sono presenti nella vita quotidiana, sono le seguenti.

Medicinale

Una tecnica per sterilizzare il materiale chirurgico è di irradiarlo con radiazioni gamma. Questo distrugge completamente i microrganismi che possono ospitare. Il processo è freddo, quindi alcuni materiali biologici, sensibili alle alte temperature, possono anche essere sottoposti a queste dosi di radiazioni.

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L'effetto farmacologico, la distribuzione e l'eliminazione di nuovi farmaci vengono valutati usando i radioisotopi. Con un rilevatore di radiazioni emesso, è possibile avere un'immagine reale della distribuzione del farmaco nel corpo.

Questa immagine consente di determinare per quanto tempo il farmaco agisce su determinati tessuti; Se non riesce a assorbire correttamente o se rimane al momento giusto.

Conservazione del cibo

Allo stesso modo, il cibo immagazzinato può essere irradiato con una dose moderata di radiazioni gamma. Ciò è responsabile dell'eliminazione e della distruzione dei batteri, mantenendo il cibo commestibile più a lungo.

Ad esempio, un pacchetto di fragole può essere mantenuto fresco dopo anche quindici giorni di conservazione attraverso questa tecnica. Le radiazioni sono così deboli che la superficie delle fragole non penetra; E quindi, non sono contaminati, né diventano "fragole radioattive".

Rilevatori di fumo

All'interno dei rilevatori di fumo ci sono solo pochi milligrammi d'America (²⁴¹SONO). Questo metallo radioattivo a queste quantità mostra radiazioni innocue per le persone presenti sotto i tetti.

Lui ²⁴¹AM emette particelle alfa e raggi gamma a bassa energia, questi raggi sono in grado di sfuggire al rivelatore. Particelle alfas -ioniche ionizzano le molecole di ossigeno e azoto dell'aria. All'interno del rivelatore, una differenza di tensione raccolta e ordina gli ioni, producendo una leggera corrente elettrica.

Gli ioni finiscono in diversi elettrodi. Quando il fumo entra nella camera interna del rivelatore, assorbe le particelle alfa e l'ionizzazione dell'aria viene interrotta. Di conseguenza, la corrente elettrica si ferma e un allarme è attivato.

Eliminazione dei parassiti

In agricoltura, sono state utilizzate radiazioni moderate per annientare gli insetti indesiderabili delle colture. Pertanto, viene evitato l'uso di insetticidi altamente inquinanti. In questo modo l'impatto negativo sui terreni, le acque sotterranee e le colture stesse sono ridotte.

Datazione

Con l'aiuto dei radioisotopi, è possibile determinare l'età di determinati oggetti. Negli studi archeologici questo è di grande interesse poiché consente di separare i campioni e posizionarli nei tempi corrispondenti. Il radioisotopo utilizzato per questa applicazione è, per eccellenza, carbonio 14 (¹⁴C). Il suo T_1/2 Sono 5700 anni e puoi uscire con campioni fino a 50.000 anni.

Il decadimento di ¹⁴C è stato usato appositamente per campioni biologici, ossa, fossili, ecc. Altri radioisotopi, come ²⁴⁸U, hai un T_1/2 milioni di anni. Quindi misurare le concentrazioni di ²⁴⁸U In un campione di meteoriti, sedimenti e minerali, può essere determinato se ha la stessa età della terra.

Riferimenti

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