KIMIA NUKLEAR: SEJARAH, BIDANG PENGAJIAN, BIDANG, APLIKASI - KIMIA - 2026

The kimia nuklear adalah kajian tentang perubahan sifat produk daripada fenomena perkara berlaku dalam nukleus atom; ia tidak mengkaji cara elektronnya berinteraksi atau ikatannya dengan atom lain yang sama atau unsur yang berbeza.

Cabang kimia ini kemudian memfokuskan pada nukleus dan tenaga yang dibebaskan apabila mereka menambah atau kehilangan sebahagian zarahnya; yang dipanggil nukleon, dan yang untuk tujuan kimia pada dasarnya terdiri daripada proton dan neutron.

Semanggi radioaktif. Sumber: Pixabay.

Banyak tindak balas nuklear terdiri daripada perubahan bilangan proton dan / atau neutron, yang sebagai akibatnya transformasi satu unsur menjadi unsur lain; impian kuno alkimia, yang berusaha sia-sia untuk mengubah logam plumbum menjadi emas.

Ini mungkin merupakan ciri reaksi nuklear yang paling mengejutkan. Walau bagaimanapun, transformasi sedemikian membebaskan sejumlah besar tenaga, serta zarah-zarah yang dipercepat yang berjaya menembusi dan memusnahkan bahan di sekelilingnya (seperti DNA sel kita) bergantung kepada tenaga yang berkaitan.

Maksudnya, dalam reaksi nuklear pelbagai jenis radiasi dilepaskan, dan ketika atom atau isotop melepaskan radiasi, ia dikatakan radioaktif (radionuklida). Sebilangan sinaran tidak berbahaya, bahkan jinak, digunakan untuk melawan sel barah atau mengkaji kesan farmakologi ubat tertentu dengan pelabelan radioaktif.

Sebaliknya, sinaran lain boleh merosakkan dan mematikan pada hubungan minimum. Malangnya, beberapa malapetaka terburuk dalam sejarah membawa simbol radioaktiviti (semanggi radioaktif, gambar atas).

Dari senjata nuklear, hingga episod Chernobyl dan kemalangan sisa radioaktif dan kesannya terhadap hidupan liar, terdapat banyak bencana yang disebabkan oleh tenaga nuklear. Tetapi, di sisi lain, tenaga nuklear akan menjamin kebebasan dari sumber tenaga lain dan masalah pencemaran yang ditimbulkannya.

Ini (mungkin) adalah tenaga bersih, mampu menggerakkan bandar-bandar untuk selama-lamanya, dan teknologinya akan melebihi had duniawi.

Untuk mencapai semua ini dengan kos manusia (dan planet) yang paling rendah, program dan usaha saintifik, teknologi, ekologi, dan politik diperlukan untuk "menjinakkan" dan "meniru" tenaga nuklear dengan cara yang selamat dan bermanfaat bagi umat manusia dan pertumbuhannya. bertenaga.

Sejarah kimia nuklear

Subuh

Meninggalkan alkimia dan batu ahli falsafah mereka pada masa lalu (walaupun usaha mereka telah menghasilkan buah yang sangat penting untuk memahami kimia), kimia nuklear lahir ketika apa yang dikenali sebagai radioaktiviti pertama kali dikesan.

Semuanya bermula dengan penemuan sinar-X oleh Wilhelm Conrad Röntgen (1895), di University of Wurzburg. Dia sedang mengkaji sinar katod ketika dia memperhatikan bahawa mereka berasal pendarfluor yang aneh, walaupun dengan alat yang dimatikan, mampu menembus kertas hitam legap yang menutupi tiub di mana eksperimen dijalankan.

Henri Becquerel, termotivasi oleh penemuan sinar-X, merancang eksperimennya sendiri untuk mempelajarinya menggunakan garam pendarfluor, yang menggelapkan plat fotografi, dilindungi oleh kertas hitam, ketika mereka teruja oleh sinar matahari.

Ia didapati secara tidak sengaja (sejak cuaca di Paris mendung pada waktu itu), bahawa garam uranium mengaburkan plat fotografi, tanpa mengira sumber cahaya yang jatuh ke atasnya. Dia kemudian membuat kesimpulan bahawa dia telah menemui jenis radiasi baru: radioaktiviti.

Pekerjaan pasangan Curie

Karya Becquerel berfungsi sebagai sumber inspirasi bagi Marie Curie dan Pierre Curie untuk menyelidiki fenomena radioaktiviti (istilah yang diciptakan oleh Marie Curie).

Oleh itu, mereka mencari mineral lain (selain uranium) yang juga menunjukkan sifat ini, mendapati bahawa mineral pitchblende lebih radioaktif, dan oleh itu, ia mesti mempunyai bahan radioaktif lain. Bagaimana? Dengan membandingkan arus elektrik yang dihasilkan oleh pengionan molekul gas di sekitar sampel.

Setelah bertahun-tahun melakukan kerja pengekstrakan dan pengukuran radiometrik, ia mengekstraksi unsur radioaktif radium (100 mg dari sampel 2000 kg) dan polonium dari mineral pitchblende. Juga, Curie menentukan radioaktiviti unsur thorium.

Malangnya, pada masa itu kesan-kesan berbahaya dari radiasi tersebut telah mula diketahui.

Pengukuran radioaktif difasilitasi dengan pengembangan kaunter Geiger (menjadikan Hans Geiger sebagai penemu artifak bersama).

Pecahan nukleus

Ernest Rutherford memerhatikan bahawa setiap radioisotop mempunyai waktu peluruhannya sendiri, tidak bergantung pada suhu, dan ia berbeza dengan kepekatan dan ciri-ciri inti.

Dia juga menunjukkan bahawa peluruhan radioaktif ini mematuhi kinetika peringkat pertama, yang separuh hayatnya (t _1/2 ) masih sangat berguna hingga kini. Oleh itu, setiap bahan yang memancarkan radioaktiviti mempunyai t _1/2 yang berbeza , yang berkisar antara detik, hari, hingga berjuta-juta tahun.

Sebagai tambahan kepada semua perkara di atas, dia mencadangkan model atom berdasarkan hasil eksperimennya yang memancarkan kepingan emas yang sangat tipis dengan zarah alfa (inti helium). Bekerja semula dengan zarah alfa, dia mencapai transmutasi atom nitrogen ke atom oksigen; ia berjaya mengubah satu elemen menjadi elemen lain.

Dengan berbuat demikian, seketika ditunjukkan bahwa atom itu tidak dapat dipisahkan, dan bahkan lebih kecil lagi ketika dihujani oleh zarah-zarah yang dipercepat dan neutron "lambat".

Bidang pengajian

Amalan dan teori

Mereka yang memutuskan untuk menjadi sebahagian daripada pakar kimia nuklear boleh memilih pelbagai bidang kajian atau penyelidikan, serta bidang pekerjaan yang berbeza. Seperti banyak cabang sains, mereka boleh dikhaskan untuk latihan, atau teori (atau keduanya pada masa yang sama) dalam bidang yang sesuai.

Contoh sinematik dilihat dalam filem superhero, di mana para saintis meminta seseorang memperoleh kekuatan super (seperti Hulk, empat yang hebat, Spiderman, dan Doctor Manhattan).

Dalam kehidupan nyata (sekurang-kurangnya secara dangkal), ahli kimia nuklear sebaliknya berusaha merancang bahan baru yang mampu menahan ketahanan nuklear yang sangat besar.

Bahan-bahan ini, seperti instrumen, mesti tidak dapat dihancurkan dan cukup istimewa untuk mengasingkan pancaran radiasi dan suhu yang sangat besar yang dilancarkan ketika memulakan reaksi nuklear; terutamanya peleburan nuklear.

Secara teori, mereka dapat merancang simulasi untuk terlebih dahulu mengira kemungkinan projek tertentu dan bagaimana memperbaikinya dengan kos terendah dan kesan negatif; atau model matematik yang memungkinkan untuk membongkar misteri nukleus yang belum selesai.

Begitu juga, mereka mengkaji dan mencadangkan cara menyimpan dan / atau merawat sisa nuklear, kerana memerlukan berbilion tahun untuk mengurai dan sangat mencemarkan.

Pekerjaan biasa

Berikut adalah senarai pendek pekerjaan biasa yang boleh dilakukan oleh ahli kimia nuklear:

-Penyelidikan langsung di makmal kerajaan, industri atau akademik.

-Proses ratusan data melalui pakej statistik dan analisis multivariate.

-Mereka mengajar kelas di universiti.

-Membangunkan sumber radioaktiviti yang selamat untuk pelbagai aplikasi yang melibatkan orang awam, atau untuk digunakan dalam peranti aeroangkasa.

-Reka bentuk teknik dan peranti yang mengesan dan memantau radioaktiviti di persekitaran.

-Jamin bahawa keadaan makmal adalah optimum untuk mengendalikan bahan radioaktif; yang bahkan mereka manipulasi menggunakan senjata robotik.

-Sebagai juruteknik, mereka mengekalkan dosimeter dan mengumpulkan sampel radioaktif.

Kawasan-kawasan

Bahagian sebelumnya menerangkan secara umum apa tugas ahli kimia nuklear di tempat kerjanya. Sekarang, sedikit lagi dinyatakan mengenai pelbagai bidang di mana penggunaan atau kajian reaksi nuklear hadir.

Radiokimia

Dalam radiokimia, proses penyinaran itu sendiri dikaji. Ini bermaksud bahawa ia mempertimbangkan secara mendalam semua radioisotop, serta waktu peluruhannya, radiasi yang mereka lepaskan (alpha, beta atau gamma), tingkah laku mereka dalam lingkungan yang berbeda, dan kemungkinan penerapannya.

Ini mungkin bidang kimia nuklear yang paling maju hari ini berbanding yang lain. Dia bertugas menggunakan radioisotop dan dos radiasi sederhana dengan cara yang cerdas dan ramah.

Tenaga nuklear

Di kawasan ini, ahli kimia nuklear, bersama dengan penyelidik dari kepakaran lain, mengkaji dan merancang kaedah yang selamat dan terkawal untuk memanfaatkan tenaga nuklear yang dihasilkan oleh pembelahan inti; iaitu pecahannya.

Demikian juga, dicadangkan untuk melakukan hal yang sama dengan reaksi peleburan nuklear, seperti mereka yang ingin menjinakkan bintang kecil yang memberikan tenaga mereka; dengan halangan bahawa keadaannya meluap-luap dan tidak ada bahan fizikal yang mampu menahannya (bayangkan membungkus matahari di dalam sangkar yang tidak cair kerana panas terik).

Tenaga nuklear dapat digunakan untuk tujuan amal, atau untuk tujuan perang, dalam mengembangkan lebih banyak senjata.

Penyimpanan dan sisa

Masalah yang ditunjukkan oleh sisa nuklear sangat serius dan mengancam. Oleh sebab itulah, di daerah ini mereka berdedikasi untuk merancang strategi untuk "memenjarakan mereka" sedemikian rupa sehingga radiasi yang mereka pancarkan tidak menembusi cangkang penahan mereka; tempurung, yang mesti dapat menahan gempa bumi, banjir, tekanan dan suhu tinggi, dll.

Radioaktiviti buatan

Semua unsur transuran adalah radioaktif. Mereka telah disintesis menggunakan teknik yang berbeza, termasuk: pengeboman inti dengan neutron atau partikel pecutan lain.

Untuk ini, penggunaan akselerator linier atau siklotron (yang berbentuk D) telah dibuat. Di dalamnya, zarah-zarah dipercepat ke kecepatan yang dekat dengan cahaya (300.000 km / s), dan kemudian bertabrakan dengan sasaran.

Oleh itu, beberapa unsur buatan, radioaktif dilahirkan, dan kelimpahannya di Bumi tidak ada (walaupun mereka mungkin wujud secara semula jadi di wilayah-wilayah di Cosmos).

Dalam beberapa pemecut, kekuatan perlanggaran sedemikian rupa sehingga terjadi perpecahan jirim. Dengan menganalisis serpihan, yang hampir tidak dapat dikesan kerana jangka hayatnya yang pendek, telah memungkinkan untuk mempelajari lebih lanjut mengenai kompendium zarah atom.

Permohonan

Menara penyejuk loji tenaga nuklear. Sumber: Pixabay.

Gambar di atas menunjukkan dua menara penyejuk yang menjadi ciri loji tenaga nuklear, yang kilangnya dapat membekalkan elektrik ke seluruh bandar; sebagai contoh, kilang Springfield, tempat Homer Simpson bekerja, dan dimiliki oleh Mr Burns.

Kemudian, loji tenaga nuklear menggunakan tenaga yang dikeluarkan dari reaktor nuklear untuk membekalkan keperluan tenaga. Ini adalah aplikasi kimia nuklear yang ideal dan menjanjikan: tenaga tanpa had.

Sepanjang artikel itu, secara tersirat telah disebutkan banyak aplikasi kimia nuklear. Aplikasi lain yang tidak begitu jelas, tetapi terdapat dalam kehidupan seharian, adalah seperti berikut.

Ubat

Salah satu teknik untuk mensterilkan bahan pembedahan adalah menyinari dengan sinaran gamma. Ini memusnahkan sepenuhnya mikroorganisma yang mungkin disembunyikannya. Prosesnya sejuk, jadi bahan biologi tertentu, sensitif terhadap suhu tinggi, juga boleh dikenakan dos radiasi tersebut.

Kesan farmakologi, pengedaran dan penghapusan ubat-ubatan baru dinilai melalui penggunaan radioisotop. Dengan alat pengesan radiasi yang dipancarkan, anda dapat mengetahui gambaran sebenar pengedaran ubat di dalam badan.

Gambar ini memungkinkan untuk menentukan berapa lama ubat tersebut bertindak pada tisu tertentu; jika ia tidak dapat diserap dengan betul, atau jika ia tinggal di dalam rumah lebih lama daripada yang mencukupi.

Pengawetan makanan

Begitu juga, makanan yang disimpan dapat disinari dengan dos radiasi gamma sederhana. Ini bertanggungjawab untuk menghilangkan dan memusnahkan bakteria, menjaga makanan yang dapat dimakan untuk jangka masa yang lebih lama.

Sebagai contoh, sebungkus strawberi dapat disimpan segar walaupun penyimpanan selama 15 hari menggunakan teknik ini. Sinarannya sangat lemah sehingga tidak menembusi permukaan strawberi; dan oleh itu, mereka tidak tercemar, juga tidak menjadi "strawberi radioaktif".

Pengesan asap

Di dalam alat pengesan asap hanya beberapa miligram amerika ( ²⁴¹ Pagi). Logam radioaktif pada jumlah ini menunjukkan sinaran yang tidak berbahaya bagi orang yang hadir di bawah bumbung.

The ²⁴¹ Am memancarkan zarah alfa tenaga yang rendah dan sinar gamma, sinar dapat melarikan diri pengesan. Zarah alfa mengionkan molekul oksigen dan nitrogen di udara. Di dalam alat pengesan, perbezaan voltan mengumpul dan memerintahkan ion, menghasilkan sedikit arus elektrik.

Ion berakhir pada elektrod yang berbeza. Apabila asap memasuki ruang dalaman pengesan, ia menyerap zarah alfa dan pengionan udara terganggu. Akibatnya, arus elektrik dihentikan dan penggera diaktifkan.

Penghapusan perosak

Dalam pertanian, radiasi sederhana telah digunakan untuk membunuh serangga yang tidak diingini pada tanaman. Oleh itu, penggunaan racun serangga yang sangat mencemarkan dapat dielakkan. Ini mengurangkan kesan negatif terhadap tanah, air bawah tanah dan tanaman itu sendiri.

Janji temu

Dengan bantuan radioisotop, usia objek tertentu dapat ditentukan. Dalam kajian arkeologi ini sangat menarik kerana membolehkan sampel dipisahkan dan diletakkan pada masa yang sesuai. Radioisotop yang digunakan untuk aplikasi ini adalah karbon 14 ( ¹⁴ C). Berukuran _{1/2 tahun} adalah 5700 tahun, dan sampelnya boleh berumur sehingga 50,000 tahun.

Pereputan ¹⁴ C telah digunakan terutamanya untuk sampel biologi, kerangka, fosil, dll. Radioisotop lain, seperti ²⁴⁸ U, berumur _1/2 juta tahun. Dengan mengukur kepekatan ²⁴⁸ U dalam sampel meteorit, sedimen dan mineral, ia dapat ditentukan jika umurnya sama dengan Bumi.

Rujukan

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kimia. (Edisi ke-8.) Pembelajaran CENGAGE.
2. Frank Kinard. (2019). Kimia Nuklear. Dipulihkan dari: chemistryexplained.com
3. Kimia Nuklear. (sf). Dipulihkan dari: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Garis Masa untuk Sejarah Kimia Nuklear. Mereka mendahului. Dipulihkan dari: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Penemuan Radioaktiviti. LibreTexts Kimia. Dipulihkan dari: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (sf). Apakah Jenis Pekerjaan Yang Dilakukan Ahli Kimia Nuklear? Kerja - Chron.com. Dipulihkan dari: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Kimia Nuklear. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
8. Persatuan Kimia Amerika. (2019). Kimia Nuklear. Kerjaya Kimia. Dipulihkan dari: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Aplikasi Perubatan, Pertanian, dan Industri Teknologi Nuklear. Makmal Nasional Pasifik Barat Laut.