כימיה גרעינית: היסטוריה, תחום לימוד, תחומים, יישומים - כִּימִיָה - 2025

הכימיה הגרעינית היא חקר שינויים במאפייני המוצר של תופעות משנה אירע גרעיני אטומים; הוא אינו חוקר את האופן שבו האלקטרונים שלו מתקשרים או קשריהם עם אטומים אחרים מאותו או אלמנט אחר.

ענף הכימיה הזה מתמקד אז בגרעינים ובאנרגיות המשתחררות כשהם מוסיפים או מאבדים חלק מהחלקיקים שלהם; שנקראים נוקלאונים, אשר למטרות כימיות מורכבות בעיקר מפרוטונים וניוטונים.

תלתן רדיואקטיבי. מקור: Pixabay.

תגובות גרעיניות רבות מורכבות משינוי במספר הפרוטונים ו / או הנויטרונים, אשר כתוצאה מכך הפיכת יסוד אחד לאחר; חלום עתיק של האלכימאים, שניסו לשווא להפוך מתכת להוביל לזהב.

זה אולי המאפיין המפתיע ביותר של תגובות גרעיניות. עם זאת, טרנספורמציות כאלה משחררות כמויות אדירות של אנרגיה, כמו גם חלקיקים מואצים שמצליחים לחדור ולהשמיד את החומר סביבם (כמו ה- DNA של התאים שלנו) בהתאם לאנרגיה שלהם.

כלומר בתגובה גרעינית משתחררים סוגים שונים של קרינה, וכאשר אטום או איזוטופ משחררים קרינה אומרים שהוא רדיואקטיבי (רדיונוקלידים). חלק מהקרינה עלולה להיות בלתי מזיקה, ואף שפירה, המשמשת למאבק בתאי סרטן או לחקור את ההשפעה הפרמקולוגית של תרופות מסוימות באמצעות תיוג רדיואקטיבי.

לעומת זאת, קרינות אחרות הרסניות וקטלניות במגע המינימלי. לרוע המזל, כמה מהקטסטרופות הגרועות בהיסטוריה נושאות את סמל הרדיואקטיביות (תלתן רדיואקטיבי, תמונה עליונה).

מכלי נשק גרעיניים, לפרקי צ'רנוביל והצער של הפסולת הרדיואקטיבית והשפעותיו על חיות הבר, ישנם אסונות רבים שגורמים אנרגיה גרעינית. אך מצד שני, אנרגיה גרעינית תבטיח עצמאות ממקורות אנרגיה אחרים ובעיות הזיהום שהם גורמים.

זו תהיה (ככל הנראה) אנרגיה נקייה, המסוגלת להניע ערים לנצח, והטכנולוגיה תחרוג מגבולותיה הארציים.

כדי להשיג את כל זה בעלות האנושית (והפלנטרית) הנמוכה ביותר, נדרשות תוכניות ומאמצי מדע, טכנולוגיה, אקולוגיה ופוליטית כדי "לאלף" ו"חיקוי "אנרגיה גרעינית באופן בטוח ומועיל לאנושות ולצמיחתה. נִמרָץ.

היסטוריה של כימיה גרעינית

שַׁחַר

לאחר שהשאירה את האלכימאים ואת אבן הפילוסוף שלהם (אף על פי שמאמציהם נשאו פרי חשיבות חיונית להבנת הכימיה), כימיה גרעינית נולדה כאשר התגלה לראשונה מה שמכונה רדיואקטיביות.

הכל התחיל בגילוי צילומי רנטגן על ידי וילהלם קונרד רונטגן (1895), באוניברסיטת ורצבורג. הוא בחן את קרני הקתודה כשהבחין שמקורם בפלואורסצנט מוזר, אפילו כשהמכשיר כבוי, מסוגל לחדור אל הנייר השחור אטום שכיסה את הצינורות שבהם בוצעו הניסויים.

אנרי בקרל, שהונע על ידי תגליות קרני הרנטגן, תכנן את הניסויים שלו כדי לחקור אותם באמצעות מלחי ניאון, שהחשיכו צלחות צילום, מוגנות על ידי נייר שחור, כאשר התלהבו מאור השמש.

נמצא בטעות (מכיוון שמזג האוויר בפריז היה מעונן באותה תקופה), כי מלחי אורניום טשטשו צלחות צילום, ללא קשר למקור האור שנפל עליהם. לאחר מכן הוא הגיע למסקנה שמצא סוג חדש של קרינה: רדיואקטיביות.

משרות של בני הזוג קארי

עבודתו של בקרקל שימשה כמקור השראה למארי קירי ופייר קירי להתעמק בתופעת הרדיואקטיביות (מונח שטבע מארי קירי).

לפיכך, הם חיפשו מינרלים אחרים (בנוסף לאורניום) שהציגו גם את המאפיין הזה, ומצאו כי המזלג המינרלי הוא אפילו יותר רדיואקטיבי, ועל כן עליו להכיל חומרים רדיואקטיביים אחרים. אֵיך? על ידי השוואה בין הזרמים החשמליים הנוצרים על ידי יינון מולקולות גז סביב הדגימות.

לאחר שנים של עבודות מיצוי מפרכות ומדידות רדיומטריות, הוא חילץ את האלמנטים הרדיואקטיביים רדיום (100 מ"ג מדגם של 2000 ק"ג) ואת הפולוניום מהכדורה המינרלית. כמו כן, קירי קבעה את הרדיואקטיביות של היסוד תוריום.

לרוע המזל, אז כבר החלו להתגלות ההשפעות המזיקות של קרינה כזו.

מדידות הרדיואקטיביות הקלו עם התפתחותו של דלפק גייגר (בהיותו של הנס גייגר כממציא משותף של החפץ).

שבר גרעין

ארנסט רתרפורד ציין שלכל רדיואיסוטופ היה זמן ריקבון משלו, ללא תלות בטמפרטורה, וכי הוא משתנה עם הריכוז והתכונות של הגרעינים.

זה גם הדגים כי דעיכה רדיואקטיבית זו מצייתת לקינטיקה מסדר ראשון, שחיי מחצית החיים שלהם (t _1/2 ) עדיין מועילים מאוד כיום. לפיכך, לכל חומר הפולט רדיואקטיביות יש _{1/2 1/2} שונה , הנעה בין שניות, ימים, למיליוני שנים.

בנוסף לכל האמור לעיל, הוא הציע מודל אטומי כתוצאה מתוצאות הניסויים שלו שהקרינו דף זהב דק מאוד עם חלקיקי אלפא (גרעיני הליום). כאשר עבד שוב עם חלקיקי האלפא הוא השיג את ההעברה של אטומי חנקן לאטומי חמצן; במילים אחרות, הוא הצליח להמיר אלמנט אחד לאחר.

בכך הראה מיד כי האטום אינו ניתן לחלוקה, ופחות כאשר הופצץ על ידי חלקיקים מואצים ונויטרונים "איטיים".

תחום הלימוד

תרגול ותיאוריה

מי שמחליט להיות חלק ממומחי הכימיה הגרעינית יכול לבחור מבין כמה תחומי לימוד או מחקר, כמו גם תחומי עבודה שונים. כמו ענפי מדע רבים, הם יכולים להיות מוקדשים לתרגול, או לתיאוריה (או שניהם בו זמנית) בתחומם המקביל.

דוגמא קולנועית נראית בסרטי גיבורי על, בהם מדענים גורמים לאדם לרכוש כוחות על (כמו "האלק", הארבעה הפנטסטיים, ספיידרמן ודוקטור מנהטן).

בחיים האמיתיים (לפחות באופן שטחי) כימאים גרעיניים במקום מבקשים לעצב חומרים חדשים המסוגלים לעמוד בפני התנגדות גרעינית עצומה.

חומרים אלה, כמו המכשור, חייבים להיות בלתי ניתנים להפרעה ומיוחדים מספיק בכדי לבודד את פליטת הקרינה ואת הטמפרטורות העצומות שנפרקות בעת פתיחת תגובות גרעיניות; במיוחד אלה של היתוך גרעיני.

בתיאוריה, הם יכולים לתכנן הדמיות כדי להעריך תחילה את היתכנותם של פרויקטים מסוימים וכיצד לשפר אותם בעלות הנמוכה ביותר והשפעה שלילית; או מודלים מתמטיים המאפשרים לחשוף את התעלומות העומדות בפני הגרעין.

באופן דומה, הם לומדים ומציעים דרכים לאגור ו / או לטפל בפסולת גרעינית, מכיוון שלוקח מיליארדי שנים לפרק והיא מזהמת מאוד.

עבודות טיפוסיות

להלן רשימה קצרה של עבודות טיפוסיות שכימאי גרעיני יכול לבצע:

- מחקר ישיר במעבדות ממשלתיות, תעשייתיות או אקדמיות.

לעבד מאות נתונים באמצעות חבילות סטטיסטיות וניתוח רב משתנים.

הם מלמדים שיעורים באוניברסיטאות.

- פיתוח מקורות רדיואקטיביות בטוחים ליישומים שונים שמעורבים בהם קהל הרחב, או לשימוש במכשירי חלל.

-תכנן טכניקות ומכשירים המאתרים ומנטרים רדיואקטיביות בסביבה.

להבטיח שתנאי המעבדה הם מיטביים לטיפול בחומר רדיואקטיבי; שהם אפילו מתמרנים באמצעות נשק רובוטי.

כטכנאים, הם שומרים על מדי מימדים ואוספים דגימות רדיואקטיביות.

אזורים

החלק הקודם תיאר באופן כללי את המשימות של כימאי גרעיני במקום עבודתו. כעת, מעט יותר מצוין על תחומים שונים בהם נמצא השימוש או המחקר בתגובות גרעיניות.

רדיוכימיה

בתחום הרדיוכימיה נלמד תהליך הקרינה עצמו. המשמעות היא שהיא מחשיבה לעומק את כל הרדיואיזוטופים, כמו גם את זמן ההתפרקות שלהם, את הקרינה שהם משחררים (אלפא, בטא או גמא), את התנהגותם בסביבות שונות ואת היישומים האפשריים שלהם.

זה אולי תחום הכימיה הגרעינית שהתקדם הכי הרבה כיום בהשוואה לאחרים. הוא היה אחראי על השימוש ברדיואיזוטופים ובמינונים של קרינה מתונה בצורה אינטליגנטית וידידותית.

אנרגיה גרעינית

בתחום זה, כימאים גרעיניים, יחד עם חוקרים ממומחיות אחרות, בוחנים ומתכננים שיטות בטוחות ושולטות כדי לנצל אנרגיה גרעינית המיוצרת על ידי ביקוע גרעינים; כלומר, מהשבריר שלה.

כמו כן, מוצע לעשות את אותו הדבר עם תגובות היתוך גרעיני, כמו אלה שרוצים לאלף כוכבים קטנים המספקים את האנרגיה שלהם; מתוך מניעה שהתנאים מהממים ואין חומר פיזי המסוגל להתנגד להם (דמיין לנעול את השמש בכלוב שלא נמס בגלל החום העז).

כוח גרעיני יכול בהחלט לשמש למטרות צדקה, או למטרות מלחמה, בפיתוח נשק נוסף.

אחסון ופסולת

הבעיה שמייצגת הפסולת הגרעינית היא חמורה ומאיימת מאוד. מסיבה זו, בתחום זה הם מחויבים לתכנן אסטרטגיות "לכלוא אותם" באופן שהקרינה שהם מפגינים אינה חודרת למעטפת ההכלה שלהם; מעטפת, אשר חייבת להיות מסוגלת לעמוד בפני רעידות אדמה, שיטפונות, לחצים גבוהים וטמפרטורות וכו '.

רדיואקטיביות מלאכותית

כל האלמנטים הטרנס-אורניים הם רדיואקטיביים. הם סונתזו בטכניקות שונות, כולל: הפצצת גרעינים עם נויטרונים או חלקיקים מואצים אחרים.

לשם כך נעשה שימוש במאיצים או ציקלוטרונים לינאריים (שהם בצורת D). בתוכם, החלקיקים מואצים למהירויות קרובות לאלה של אור (300,000 קמ"ש) ואז מתנגשים במטרה.

לפיכך, נולדו כמה אלמנטים מלאכותיים ורדיואקטיביים, ושפעם על כדור הארץ אפסי (אם כי הם עשויים להתקיים באופן טבעי באזורים של הקוסמוס).

בחלק מהמאיצים כוח ההתנגשויות הוא כזה שמתרחשת התפוררות של החומר. על ידי ניתוח השברים, שכמעט לא ניתן לאתר בגלל תוחלת החיים הקצרה שלהם, ניתן היה ללמוד יותר על קומפנדיום של חלקיקים אטומיים.

יישומים

מגדלי קירור של תחנת כוח גרעינית. מקור: Pixabay.

בתמונה למעלה נראה שני מגדלי קירור האופייניים לתחנות כוח גרעיניות, שהמפעל שלהם יכול לספק לעיר שלמה חשמל; לדוגמא, מפעל ספרינגפילד, בו עובד הומר סימפסון, ובבעלות מר בורנס.

ואז, תחנות כוח גרעיניות משתמשות באנרגיה המשתחררת מכורים גרעיניים בכדי לספק צורך אנרגיה. זהו היישום האידיאלי והמבטיח של כימיה גרעינית: אנרגיה בלתי מוגבלת.

לאורך המאמר הוזכר, באופן מרומז, על מספר יישומים רבים של כימיה גרעינית. להלן יישומים אחרים שאינם ברורים כל כך, אך קיימים בחיי היומיום.

תרופה

אחת הטכניקות לעיקור חומר כירורגי היא הקרנתו בקרינת גמא. זה הורס לחלוטין את המיקרואורגניזמים שהם עשויים להכיל. התהליך קר, ולכן חומרים ביולוגיים מסוימים, הרגישים לטמפרטורות גבוהות, יכולים להיות נתונים למינון קרינה שכזה.

ההערכה של ההשפעה הפרמקולוגית, הפצתם וחיסולם של התרופות החדשות נעשית באמצעות שימוש ברדיואיזוטופים. בעזרת גלאי קרינה שנפלט אתה יכול לקבל תמונה אמיתית של התפלגות התרופה בגוף.

תמונה זו מאפשרת לקבוע כמה זמן התרופה פועלת על רקמה מסוימת; אם הוא לא מצליח לספוג כראוי, או אם הוא נשאר בתוך הבית למשך זמן רב יותר מאשר מספיק.

שימור מזון

באופן דומה ניתן להקרין מזון מאוחסן במינון מתון של קרינת גמא. זה אחראי על חיסול והשמדת חיידקים, שמירה על אוכל אכיל למשך זמן רב יותר.

לדוגמה, חבילה של תותים יכולה להיות כל הזמן רעננה לאחר אפילו 15 יום אחסון בטכניקה זו. הקרינה כה חלשה שהיא לא חודרת לפני השטח של התותים; ולכן הם אינם מזוהמים ואינם הופכים ל"תות תות רדיואקטיביות ".

גלאי עשן

בתוך גלאי העשן יש רק מיליגרם אמריקני בודד ( ²⁴¹ Am). מתכת רדיואקטיבית זו בכמויות אלה מציגה קרינה בלתי מזיקה לאנשים שנמצאים מתחת לגגות.

ה- ²⁴¹ Am פולט חלקיקי אלפא בעלי אנרגיה נמוכה וקרני גאמה, והקרניים הללו מצליחות להימלט מהגלאי. חלקיקי אלפא מייננים את מולקולות החמצן והחנקן באוויר. בתוך הגלאי, הפרש מתח אוסף ומזמין את היונים, ומייצר זרם חשמלי קל.

היונים בסופו של דבר באלקטרודות שונות. כאשר עשן נכנס לתא הפנימי של הגלאי הוא סופג חלקיקי אלפא והיינון של האוויר מופרע. כתוצאה מכך, הזרם החשמלי מופסק ומופעלת אזעקה.

חיסול מזיקים

בחקלאות נעשה שימוש בקרינה מתונה כדי להרוג חרקים לא רצויים בגידולים. לפיכך, יש להימנע משימוש בקוטלי חרקים מזהמים ביותר. זה מקטין את ההשפעה השלילית על קרקעות, מי תהום והיבולים עצמם.

הכרויות

בעזרת רדיואיזוטופים ניתן לקבוע את גילם של חפצים מסוימים. במחקרים ארכיאולוגיים זה מעניין מאוד מכיוון שהוא מאפשר להפריד את הדגימות ולמקם בזמנם המקביל. הרדיואיזוטופ המשמש ליישום זה הוא מצוין פחמן 14 ( ¹⁴ צלזיוס). T שלה _1/2 הוא 5700 שנים, ודוגמאות ניתן לתארך עד 50,000 שנים.

ריקבון ¹⁴ C שימש במיוחד לדגימות ביולוגיות, שלדים, מאובנים וכו '. רדיואיזוטופים אחרים, כמו ²⁴⁸ U, הם בני _1/2 מיליון שנה. עד אז מדידת הריכוזים של ²⁴⁸ U במדגם של מטאוריטים, משקעים ומינרלים, ניתן לקבוע אם מדובר באותו גיל כמו כדור הארץ.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. פרנק קינרד. (2019). כימיה גרעינית. התאושש מ: chemistryexplained.com
3. כימיה גרעינית. (sf). התאושש מ: sas.upenn.edu
4. מזור מאט. (2019). ציר זמן לתולדות הכימיה הגרעינית. הם קודמים. התאושש מ: preceden.com
5. שרה א 'וניסה ש' (נ '). גילוי הרדיואקטיביות. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
6. סקוטסדייל, ברנדה. (sf). אילו סוגי משרות עושים כימאים גרעיניים? עבודה - Chron.com. התאושש מ: work.chron.com
7. ויקיפדיה. (2019). כימיה גרעינית. התאושש מ: en.wikipedia.org
8. החברה הכימית האמריקאית. (2019). כימיה גרעינית. קריירה כימית. התאושש מ: acs.org
9. אלן א. ​​וולטר. (2003). היישומים הרפואיים, החקלאיים והתעשייתיים של טכנולוגיה גרעינית. המעבדה הלאומית הצפונית-מערבית של האוקיאנוס השקט.