الكيمياء النووية: التاريخ ، مجال الدراسة ، المجالات والتطبيقات

الكيمياء النووية هي دراسة التغيرات في المادة وخصائصها الناتجة عن الظواهر التي حدثت في نواة ذراتها ؛ لا تدرس الطريقة التي تتفاعل بها إلكتروناتها أو روابطها مع ذرات أخرى لنفس العنصر أو مختلفة.

يركز هذا الفرع من الكيمياء بعد ذلك على النوى والطاقات المنبعثة عندما تضيف أو تفقد بعض جزيئاتها ؛ والتي تسمى النيوكليونات ، والتي للأغراض الكيميائية تتكون أساسا من البروتونات والنيوترونات.

تتألف العديد من ردود الفعل النووية من تغيير في عدد البروتونات و / أو النيوترونات ، مما يؤدي إلى تحويل عنصر إلى آخر ؛ الحلم القديم من الكيميائيين ، الذين حاولوا عبثا تحويل الرصاص المعدني إلى ذهب.

ما سبق قد يكون أبرز ميزة للتفاعلات النووية. ومع ذلك ، فإن هذه التحولات تطلق كميات هائلة من الطاقة ، فضلاً عن جسيمات متسارعة تعمل على اختراق وتدمير المسألة من حولها (مثل الحمض النووي لخلايانا) اعتمادًا على الطاقة المرتبطة بها.

وهذا يعني أنه في تفاعل نووي يتم إطلاق أنواع مختلفة من الإشعاع ، وعندما تنشر ذرة أو نظير إشعاعي ، يُقال إنها تكون إشعاعية (النويدات المشعة). قد تكون بعض الإشعاعات غير ضارة ، بل حميدة ، تستخدم لمحاربة الخلايا السرطانية أو دراسة التأثير الدوائي لبعض الأدوية عن طريق وضع العلامات المشعة.

الإشعاعات الأخرى ، من ناحية أخرى ، مدمرة ومميتة في أدنى اتصال. لسوء الحظ ، تحمل العديد من أسوأ الكوارث في التاريخ رمز النشاط الإشعاعي (البرسيم المشع ، الصورة العليا).

من الأسلحة النووية إلى حلقات تشيرنوبيل ومحنة النفايات المشعة وتأثيرها على الحياة البرية ، تحدث العديد من الكوارث بسبب الطاقة النووية. ولكن ، من ناحية أخرى ، فإن الطاقة النووية ستضمن استقلال مصادر الطاقة الأخرى ومشاكل التلوث التي تسببها.

ستكون (على الأرجح) طاقة نظيفة ، قادرة على إطعام المدن إلى الأبد ، والتكنولوجيا ستتجاوز حدودها الأرضية.

لتحقيق كل هذا بأقل تكلفة بشرية (وكواكب) ، هناك حاجة لبرامج وجهود علمية وتكنولوجية وإيكولوجية وسياسية "لترويض" و "محاكاة" الطاقة النووية بطريقة آمنة ومفيدة للبشرية ونموها. الطاقة.

تاريخ الكيمياء النووية

البوريس

ترك الكيميائيين وحجر الفيلسوف في الماضي (على الرغم من أن جهودهم قد أثمرت أهمية حيوية لفهم الكيمياء) ، ولدت الكيمياء النووية عندما تم اكتشافها لأول مرة ما يعرف باسم النشاط الإشعاعي.

بدأ كل شيء باكتشاف الأشعة السينية من قبل فيلهلم كونراد رونتجن (1895) ، في جامعة فورتسبورغ. درس أشعة الكاثود عندما لاحظ أن هذه نشأت مضان غريب ، حتى مع إيقاف تشغيل الجهاز ، وقادر على عبور ورقة سوداء معتمة التي تغطي الأنابيب التي أجريت فيها التجارب.

صمم هنري بيكريل ، مدفوعًا باكتشافات الأشعة السينية ، تجاربه الخاصة لدراستها من أملاح الفلورسنت ، التي حجبت لوحات الصور الفوتوغرافية ، المحمية بالورق الأسود ، عندما تحمسها أشعة الشمس.

لقد وجد بالصدفة (لأن الطقس في باريس كان غائما في ذلك الوقت) ، أن أملاح اليورانيوم حجبت لوحات الصور الفوتوغرافية ، بغض النظر عن مصدر الضوء الذي أثر عليها. وخلص بعد ذلك إلى أنه وجد نوعًا جديدًا من الإشعاع: النشاط الإشعاعي.

وظائف الأزواج كوري

خدم عمل بيكريل كمصدر إلهام لماري كوري وبيير كوري لدراسة ظاهرة النشاط الإشعاعي (مصطلح صاغه ماري كوري).

وهكذا ، بحثوا عن معادن أخرى (إلى جانب معادن اليورانيوم) التي قدمت تلك الخاصية أيضًا ، ووجدوا أن معدن pitchblende هو أكثر نشاطًا إشعاعيًا ، وبالتالي ، يجب أن يمتلك مواد مشعة أخرى. كيف؟ بمقارنة التيارات الكهربائية الناتجة عن تأين الجزيئات الغازية حول العينات.

من المعادن hornblende ، بعد سنوات من الاستخراج الشاق والقياسات الإشعاعية ، استخرج راديو العناصر المشعة (100 ملغ من عينة 2000 كلغ) والبولونيوم. بالإضافة إلى ذلك ، حدد كوري النشاط الإشعاعي لعنصر الثوريوم.

لسوء الحظ ، بحلول ذلك الوقت بدأت الآثار الضارة لمثل هذا الإشعاع يتم اكتشافها.

تم تسهيل قياسات النشاط الإشعاعي من خلال تطوير عداد جيجر (مع وجود هانز جيجر كمخترع مشارك للجهاز).

تجزئة النواة

لاحظ إرنست روثرفورد أن كل نظير مشع لديه وقت تحلل خاص به ، بغض النظر عن درجة الحرارة ، وأنه يختلف مع تركيز وخصائص النواة.

كما أظهر أن هذه التحلل الإشعاعي يطيع حركية من الدرجة الأولى ، والتي لا تزال فترات نصف عمرها ( ر 1/2 ) مفيدة للغاية اليوم. وبالتالي ، فإن كل مادة تنبعث من النشاط الإشعاعي لها t 1/2 مختلفة ، والتي تتراوح بين ثواني وأيام وملايين السنين.

بالإضافة إلى كل ما سبق ، اقترح نموذجًا ذريًا استنادًا إلى نتائج تجاربه التي تشعيعت بجزيئات ألفا (نوى الهيليوم) ورقائق ذهبية رقيقة للغاية. العمل مرة أخرى مع جزيئات ألفاس ، حقق تحويل ذرات النيتروجين إلى ذرات الأكسجين. أي أنه تمكن من تحويل عنصر إلى آخر.

عند القيام بذلك ، ظهر مرة واحدة وإلى الأبد أن الذرة لم تكن قابلة للتجزئة ، ناهيك عن قصفها بالجزيئات المتسارعة والنيوترونات "البطيئة".

مجال الدراسة

الممارسة والنظرية

يمكن لأولئك الذين يقررون الاستسلام ليكونوا جزءًا من المتخصصين في الكيمياء النووية اختيار العديد من مجالات الدراسة أو البحث ، بالإضافة إلى مجالات العمل المختلفة. مثل العديد من فروع العلوم ، يمكنهم الانخراط في الممارسة ، أو النظرية (أو كليهما في نفس الوقت) في مجالاتهم المقابلة.

يمكن رؤية مثال سينمائي في أفلام البطل الخارق ، حيث يحصل العلماء على فرد لاكتساب قوى عظمى (مثل Hulk ، و Fantastic Four ، و Spiderman ، و Doctor Manhattan).

في الحياة الواقعية (على الأقل سطحيًا) ، يسعى الكيميائيون النوويون بدلاً من ذلك إلى تصميم مواد جديدة قادرة على تحمل المقاومة النووية الهائلة.

يجب أن تكون هذه المواد ، وكذلك الأجهزة ، غير قابلة للتدمير بشكل خاص وخاص بما فيه الكفاية لعزل انبعاث الإشعاع ودرجات الحرارة الهائلة التي تطلق في بداية التفاعلات النووية ؛ خاصة تلك الانصهار النووي.

من الناحية النظرية ، يمكنهم تصميم عمليات المحاكاة لتقدير أولاً صلاحية بعض المشاريع وكيفية تحسينها بأقل تكلفة وأثر سلبي ؛ أو النماذج الرياضية التي تسمح لكشف أسرار النواة المعلقة.

كما يقومون بدراسة واقتراح طرق لتخزين و / أو معالجة النفايات النووية ، حيث يستغرقون مليارات السنين لتحللها وتلوثها بدرجة كبيرة.

أعمال نموذجية

فيما يلي قائمة مختصرة بالوظائف النموذجية التي يمكن أن يقوم بها الكيميائي النووي:

البحوث المباشرة في المختبرات الحكومية أو الصناعية أو الأكاديمية.

المئات من عملية البيانات من خلال الحزم الإحصائية وتحليل متعدد المتغيرات.

- دروس فردية في الجامعات.

-تطوير مصادر النشاط الإشعاعي الآمنة لمختلف التطبيقات التي تشمل عامة الناس ، أو للاستخدام في أجهزة الفضاء الجوي.

- تصميم التقنيات والأجهزة التي تكشف وتراقب النشاط الإشعاعي في البيئة.

- تأكد من أن ظروف المختبرات هي الأمثل في التعامل مع المواد المشعة ؛ التي حتى التلاعب باستخدام الأسلحة الآلية.

- كفنيين ، يحافظون على مقاييس الجرعات وجمع العينات المشعة.

المناطق

تم وصف القسم السابق بعبارات عامة ما هي مهام الكيميائي النووي في مكان عملك. الآن ، يتم تحديد المزيد حول المناطق المختلفة التي يوجد فيها استخدام أو دراسة التفاعلات النووية.

الكيمياء الإشعاعية

في الكيمياء الإشعاعية ، تتم دراسة عملية الإشعاع نفسها. هذا يعني أنه يأخذ في الاعتبار جميع النظائر المشعة في العمق ، وكذلك وقت تحللها ، والإشعاعات التي تطلقها (ألفا ، بيتا أو غاما) ، وسلوكها في بيئات مختلفة ، وتطبيقاتها الممكنة.

ربما هذا هو مجال الكيمياء النووية الذي تقدم اليوم أكثر من غيره. تم تكليفه باستخدام النظائر المشعة وجرعات معتدلة من الإشعاع بذكاء وودية.

الطاقة النووية

في هذا المجال ، يقوم الكيميائيون النوويون ، إلى جانب باحثين من تخصصات أخرى ، بدراسة وتصميم طرق آمنة يمكن السيطرة عليها لتسخير الطاقة النووية الناتجة عن انشطار النوى ؛ وهذا هو ، تجزئة لها.

أيضًا ، يُقترح القيام بنفس الشيء مع تفاعلات الاندماج النووي ، مثل أولئك الذين يرغبون في تدجين النجوم الصغيرة التي تساهم في طاقتهم ؛ مع وجود عائق مفاده أن الظروف غامرة ولا توجد مادة مادية قادرة على مقاومتها (تخيل وضع أشعة الشمس في قفص لا تقوم عليه الحرارة الشديدة).

قد تستخدم الطاقة النووية للأغراض الخيرية أو لأغراض الحرب في تطوير المزيد من الأسلحة.

التخزين والنفايات

المشكلة التي تشكلها النفايات النووية خطيرة للغاية وتهدد. ولهذا السبب ، يكرسون في هذا المجال لوضع استراتيجيات "لسجنهم" بطريقة لا تتجاوز الإشعاعات المنبعثة منها غلاف الاحتواء الخاص بهم ؛ قذيفة ، والتي يجب أن تكون قادرة على تحمل الزلازل والفيضانات والضغوط العالية ودرجات الحرارة ، الخ

النشاط الإشعاعي الاصطناعي

جميع العناصر عبر اليورانيوم مشعة. تم تصنيعها من خلال تقنيات مختلفة ، من بينها: قصف النواة بالنيوترونات أو الجسيمات الأخرى المتسارعة.

لهذا ، تم استخدام مسرعات خطية أو سيكلوترونات (التي لها شكل D). في داخلها ، تتسارع الجسيمات بسرعة قريبة من سرعة الضوء (300000 كم / ث) ، ثم تصطدم بهدف.

وهكذا ، ولدت العديد من العناصر الاصطناعية المشعة ، ووفرة هذه الأرض على الصفر (على الرغم من أنها قد توجد بشكل طبيعي في مناطق الكون).

في بعض المعجلات ، تكون قوة التصادم كبيرة بحيث يحدث تفكك للمادة. من خلال تحليل الشظايا التي بالكاد يمكن اكتشافها خلال فترة حياتها القصيرة ، تمكنا من معرفة المزيد عن خلاصة الجسيمات الذرية.

تطبيقات

تُظهر الصورة العلوية برجين تبريد مميزين لمحطات الطاقة النووية ، حيث يمكن لمحطتها تشغيل مدينة كهرباء بأكملها ؛ على سبيل المثال ، مصنع سبرينغفيلد ، حيث يعمل هومر سيمبسون ، والذي يمتلكه السيد بيرنز.

ثم ، تستخدم محطات الطاقة النووية الطاقة المنبعثة من المفاعلات النووية لتوفير احتياجات الطاقة. هذا هو التطبيق المثالي والواعد للكيمياء النووية: طاقة غير محدودة.

خلال المقالة ، تم ذكر ضمني للعديد من تطبيقات الكيمياء النووية. التطبيقات الأخرى ليست واضحة ، ولكنها موجودة في الحياة اليومية ، هي التالية:

دواء

إحدى أساليب تعقيم المواد الجراحية هي تشعيعها بأشعة جاما. هذا يدمر تماما الكائنات الحية الدقيقة التي قد تؤوي. تكون العملية باردة ، لذا يمكن أن تتعرض بعض المواد البيولوجية الحساسة للحرارة العالية لهذه الجرعات الإشعاعية.

يتم تقييم التأثير الدوائي وتوزيع الأدوية الجديدة والقضاء عليها من خلال استخدام النظائر المشعة. مع جهاز كشف الإشعاع المنبعث ، يمكنك الحصول على صورة حقيقية لتوزيع الدواء في الجسم.

تسمح هذه الصورة بتحديد مدة عمل الدواء على أنسجة معينة ؛ إذا لم يتمكن من امتصاص نفسه بشكل صحيح ، أو إذا بقي في الداخل لفترة أطول من كافية.

حفظ الأغذية

وبالمثل ، يمكن تعريض الأطعمة المخزنة بجرعة متوسطة من إشعاعات جاما. هذا هو المسؤول عن القضاء على البكتيريا وتدميرها ، والحفاظ على الأطعمة الصالحة للأكل لفترة أطول.

على سبيل المثال ، يمكن الاحتفاظ بحزمة من الفراولة طازجة بعد خمسة عشر يومًا من التخزين باستخدام هذه التقنية. الإشعاع ضعيف لدرجة أنه لا يخترق سطح الفراولة ؛ وبالتالي ، فهي ليست ملوثة ، ولا تصبح "فراولة مشعة".

كاشفات الدخان

داخل كاشفات الدخان لا يوجد سوى بضعة ملليغرام من الأمريسيوم (241Am). يظهر هذا المعدن المشع بتلك الكميات إشعاعات غير ضارة للأشخاص الموجودين تحت الأسطح.

241Am تنبعث جزيئات ألفا وأشعة جاما منخفضة الطاقة ، وهذه الأشعة قادرة على الهروب من كاشف. تقوم جسيمات ألفاس بتأين جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الهواء. داخل الكاشف ، يجمع فرق الجهد ويطلب الأيونات ، مما ينتج تيار كهربائي بسيط.

يتم وضع الأيونات في أقطاب مختلفة. عندما يدخل الدخان الغرفة الداخلية للكاشف ، فإنه يمتص جزيئات ألفا وينقطع تأين الهواء. نتيجة لذلك ، يتم إيقاف التيار الكهربائي ويتم تنشيط التنبيه.

القضاء على الآفات

في الزراعة ، استخدم الإشعاع المعتدل لقتل الحشرات غير المرغوب فيها للمحاصيل. وبالتالي ، يتم تجنب استخدام المبيدات الحشرية شديدة التلوث. هذا يقلل من التأثير السلبي على التربة والمياه الجوفية والمحاصيل نفسها.

التي يرجع تاريخها

بمساعدة النظائر المشعة ، يمكن تحديد عمر كائنات معينة. في الدراسات الأثرية ، هذا أمر ذو أهمية كبيرة لأنه يسمح بفصل العينات ووضعها في أوقاتها المقابلة. النظائر المشعة المستخدمة لهذا التطبيق هي ، بامتياز ، الكربون 14 (14C). يبلغ طولها t 1/2 5700 عامًا ، ويمكن أن يصل عمرها إلى 50000 عام.

تم استخدام انحلال 14C خاصة للعينات البيولوجية والعظام والحفريات ، إلخ. النظائر المشعة الأخرى ، مثل 248U ، لها نصف مليون سنة. عن طريق قياس تركيزات 248 U في عينة من النيازك والرواسب والمعادن ، يمكن تحديد ما إذا كان لديه نفس عمر الأرض.