História da química nuclear, campo de estudo, áreas, aplicações

O Química nuclear É o estudo das mudanças na matéria e suas propriedades do produto dos fenômenos que ocorreram nos núcleos de seus átomos; Não estuda a maneira como seus elétrons ou vínculos com outros átomos do mesmo ou diferente elemento interage.

Esse ramo da química se concentra nos núcleos e nas energias liberadas quando adicionam ou perdem algumas de suas partículas; que são chamados de núcleos e para fins químicos em essência, eles consistem em prótons e nêutrons.

Trevo radioativo. Fonte: Pixabay.

Muitas reações nucleares consistem em uma mudança no número de prótons e/ou nêutrons, o que resulta na transformação de um elemento em outro; Sonho antigo dos alquimistas, que tentaram converter inutilmente o chumbo metal em ouro.

O exposto acima é talvez a característica mais surpreendente das reações nucleares. No entanto, essas transformações liberam grandes quantidades de energia, além de partículas aceleradas que conseguem penetrar e destruir a matéria ao seu redor (como o DNA de nossas células), dependendo de sua energia associada.

Ou seja, em uma reação nuclear, diferentes tipos de radiação são liberados e, quando um átomo ou isótopo libera radiação, diz -se que é radioativo (radionucleids). Alguma radiação pode ser inofensiva e até benigna, usada para combater células cancerígenas ou estudar o efeito farmacológico de certos medicamentos por marcação radioativa.

Outra radiação, no entanto, é destrutiva e mortal para o contato mínimo. Infelizmente, várias das piores catástrofes da história carregam o símbolo da radioatividade (trevo radioativo, imagem superior).

Das armas nucleares, a episódios de Chernobyl e o infortúnio dos resíduos radioativos e seus efeitos na fauna, há muitos desastres desencadeados pela energia nuclear. Mas, por outro lado, a energia nuclear garantiria a independência de outras fontes de energia e os problemas de poluição que eles carregam.

Seria (provavelmente) energia limpa, capaz de alimentar cidades para a eternidade, e a tecnologia excederia seus limites terrestres.

Para alcançar tudo isso com o menor custo humano (e planetário), são necessários programas científicos, tecnológicos, ecológicos e políticos para "domar" e imitar a energia nuclear com segurança e benéfica para a humanidade e seu crescimento e seu crescimento energético.

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História da química nuclear

Albores

Deixando os alquimistas e a pedra de seu filósofo no passado (embora seus esforços tenham pago a importância vital para a compreensão da química), a química nuclear nasceu quando o que é conhecido pela radioatividade foi detectado pela primeira vez.

Tudo começou na descoberta de raios X para Wilhelm Conrad Röntgen (1895), na Universidade de Wurzburg. Ele estudou raios de cátodo quando percebeu que eles originaram uma estranha fluorescência, mesmo com o aparelho, capaz de transferir o papel preto opaco que cobria os tubos nos quais os experimentos foram desenvolvidos.

Henri Becquerel, motivado pelas descobertas dos raios X, projetou seus próprios experimentos para estudá -los a partir de sais fluorescentes, que escureciam placas fotográficas, protegidas por papel preto, quando foram animadas pela luz solar.

Foi acidentalmente encontrado (já que o tempo em Paris estava nublado na época), que os sais de urânio escureceram as placas fotográficas, independentemente da fonte de luz que os afetaria. Ele concluiu então que havia encontrado um novo tipo de radiação: radioatividade.

Trabalhos de Curie Maridos

O trabalho de Becquerel serviu como fonte de inspiração para Marie Curie e Pierre Curie para se aprofundar no fenômeno da radioatividade (termo cunhado por Marie Curie).

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Assim, eles procuraram outros minerais (além dos de urânio) que também apresentariam essa propriedade, descobrindo que o minério de Pechblenda é ainda mais radioativo e, portanto, tinha que possuir outras substâncias radioativas. Como? Comparando as correntes elétricas geradas pela ionização de moléculas gasosas ao redor das amostras.

Dos pechblenda minerais extraídos, após anos de árduos obras de extrações e medições radiométricas, o rádio radioativo elementos (100 mg de uma amostra de 2000 kg) e Polonio. Curie também determinou a radioatividade do elemento Torio.

Infelizmente, até então, os efeitos nocivos de tal radiação começaram a ser descobertos.

As medições de radioatividade foram facilitadas com o desenvolvimento do contador de Geiger (tendo Hans Geiger como um coinventor de artefato).

O fracionamento do núcleo

Ernest Rutherford observou que cada radioisótopo tinha seu próprio tempo de decaimento, independentemente da temperatura, e que variava com a concentração e as características dos núcleos.

Ele também demonstrou que esses declínios radioativos obedecem a um cinético de primeira ordem, cujos tempos de meia -vida (t_1/2), eles ainda são muito úteis. Assim, cada substância emite a radioatividade tem diferente t_1/2, que oscila de segundos, dias, até milhões de anos.

Além de tudo isso acima, um modelo atômico proposto após os resultados de seus experimentos irradiando com partículas alfa (núcleos de hélio) uma folha muito fina de ouro. Trabalhando novamente com partículas Alfas, ele alcançou a transmutação de átomos de nitrogênio a átomos de oxigênio; isto é, ele conseguiu converter um elemento em outro.

Ao fazer isso, foi demonstrado imediatamente que o átomo não era indivisível e ainda menos quando foi bombardeado por partículas aceleradas e nêutrons "lentos".

Campo de estudo

Prática e teoria

Aqueles que decidem se render para fazer parte dos especialistas da química nuclear podem optar por vários campos de estudo ou pesquisa, bem como diferentes campos de trabalho. Como muitos ramos da ciência, eles podem se dedicar a praticar, ou a teoria (ou ambos ao mesmo tempo) em seus campos correspondentes.

Um exemplo cinematográfico pode ser visto em filmes de super -heróis, onde os cientistas conseguem um indivíduo para adquirir super poderes (como Hulk, The Fantastic Quours, Spiderman e Dr. Manhattan).

Na vida real (pelo menos superficialmente), os produtos químicos nucleares são contrários ao design de novos materiais capazes de resistir à enorme resistência nuclear.

Esses materiais, como a instrumentação, devem ser indestrutíveis e especiais o suficiente para isolar a emissão de radiação e as enormes temperaturas desencadeadas ao iniciar reações nucleares; Especialmente, fusão nuclear.

Na teoria, eles podem projetar simulações para estimar primeiro a viabilidade de certos projetos e como melhorá -las a menor custo e impacto negativo; ou modelos matemáticos que permitem desvendar os mistérios pendentes do núcleo.

Eles também estudam e posam.

Empregos típicos

Abaixo está uma breve lista de obras típicas que um químico nuclear pode exercer:

-Eles direcionam pesquisas em laboratórios governamentais, industriais ou acadêmicos.

-Eles processam centenas de dados por meio de pacotes estatísticos e análise multivariada.

-Ensinar em universidades.

-Eles desenvolvem fontes de radioatividade segura para várias aplicações nas quais envolvem um público em geral ou para serem usados ​​em dispositivos aeroespaciais.

-Técnicas e dispositivos de design que detectam e monitoram a radioatividade no ambiente.

-Eles garantem que, em laboratórios, as condições são ótimas na manipulação do material radioativo; que vêm manipular mesmo usando braços robóticos.

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-Como técnicos, eles mantêm os dosmetros e coletam amostras radioativas.

Áreas

A seção anterior descrita em termos gerais quais são as tarefas de um químico nuclear em seu local de trabalho. Agora, é especificado um pouco mais sobre diferentes áreas em que o uso ou estudo de reações nucleares está presente.

Radioquímica

No rádio, o processo de radiação em si é estudado. Isso significa que considera todos os radioisótopos em profundidade, bem como seu tempo de decaimento, a radiação que libera (alfa, beta ou gama), seu comportamento em diferentes ambientes e suas possíveis aplicações.

Essa talvez seja a área de química nuclear que mais avançou hoje em relação aos outros. Ele está encarregado de usar radioisótopos e doses de radiação moderada de maneira inteligente e amigável.

Energia nuclear

Nesta área, produtos químicos nucleares, juntamente com pesquisadores de outras especialidades, estudos e projetos de métodos seguros e controláveis ​​para aproveitar o produto de energia nuclear da fissão dos núcleos; isto é, de seu fracionamento.

Também pretende fazer o mesmo com as reações de fusão nuclear, como aquelas que queriam domar pequenas estrelas que contribuem com sua energia; Com o impedimento de que as condições são esmagadoras e não há material físico capaz de resistir a elas (imagine travar o sol em uma gaiola que não é fundada por calor intenso).

A energia nuclear pode ser usada para fins benéficos ou para fins de guerra, no desenvolvimento de mais armamentos.

Armazenamento e desperdício

O problema que o desperdício nuclear representa é muito sério e ameaçador. É por esse motivo que, nessa área, eles se dedicam a elaborar estratégias para "aprisioná -las" de tal maneira que a radiação que eles emitem não transpare sua concha de contenção; Coraza, que deve ser capaz de resistir a terremotos, inundações, altas pressões e temperaturas, etc.

Radioatividade artificial

Todos os elementos de tráfego são radioativos. Eles foram sintetizados por diferentes técnicas, incluindo: bombardeio de núcleos com nêutrons ou outras partículas aceleradas.

Para fazer isso, aceleradores lineares ou ciclotrons (que são moldados como d) foram feitos. Dentro deles, as partículas aceleram a velocidades próximas às da luz (300.000 km/s) e depois colide contra um alvo.

Assim, vários elementos radioativos artificiais nasceram e que sua abundância na Terra é nula (embora possam existir naturalmente nas regiões do Cosmos).

Em alguns aceleradores, o poder das colisões é tal que uma desintegração da matéria ocorre. Analisando os fragmentos, que mal podem ser detectados por sua curta vida, foi possível saber mais no departamento o compêndio de partículas atômicas.

Formulários

Torres de resfriamento de uma usina nuclear. Fonte: Pixabay.

Na imagem superior, são mostradas duas torres de resfriamento características de usinas nucleares, cuja planta pode alimentar uma cidade de eletricidade inteira; Por exemplo, a fábrica de Springfield, onde Homero Simpson trabalha, e do qual o Sr. Burns possui.

Em seguida, as usinas nucleares usam a energia liberada dos reatores nucleares para fornecer uma necessidade energética. Esta é a aplicação ideal e promissora da química nuclear: energia ilimitada.

Ao longo do artigo, mencionar, de maneira implícita, de inúmeras aplicações de química nuclear foram feitas. Outras aplicações não tão óbvias, mas estão presentes na vida cotidiana, são as seguintes abaixo.

Medicamento

Uma técnica para esterilizar o material cirúrgico é irradiá -lo com radiação gama. Isso destrói completamente os microorganismos que podem abrigar. O processo é frio; portanto, certos materiais biológicos, sensíveis a altas temperaturas, também podem ser submetidos a essas doses de radiação.

Pode atendê -lo: alcanes ramificados

O efeito farmacológico, a distribuição e a eliminação de novos medicamentos são avaliados usando radioisótopos. Com um detector de radiação emitido, você pode ter uma imagem real da distribuição de medicamentos no corpo.

Esta imagem permite determinar quanto tempo o medicamento age em determinado tecido; Se não conseguir absorver corretamente, ou se permanecer dentro da hora certa.

Conservação de Alimentos

Da mesma forma, os alimentos armazenados podem ser irradiados com uma dose moderada de radiação gama. Isso é responsável por eliminar e destruir bactérias, mantendo alimentos comestíveis por mais tempo.

Por exemplo, um pacote de morango pode ser mantido fresco após quinze dias de armazenamento através desta técnica. A radiação é tão fraca que a superfície dos morangos não penetra; E, portanto, eles não estão contaminados, nem se tornam "morangos radioativos".

Detectores de fumaça

Dentro dos detectores de fumaça, existem apenas alguns miligramas da América (²⁴¹SOU). Este metal radioativo para essas quantidades exibe radiação inofensiva para as pessoas presentes sob os telhados.

Ele ²⁴¹Sou emite partículas alfa e raios gama de baixa energia, esses raios sendo capazes de escapar do detector. Partículas alfas -ionic ionizam moléculas de oxigênio e nitrogênio. Dentro do detector, uma diferença de tensão coletou e ordena os íons, produzindo uma ligeira corrente elétrica.

Os íons acabam em diferentes eletrodos. Quando a fumaça entra na câmara interna do detector, absorve partículas alfa e a ionização do ar é interrompida. Consequentemente, a corrente elétrica para e um alarme é ativado.

Eliminação de pragas

Na agricultura, a radiação moderada tem sido usada para aniquilar os insetos indesejáveis ​​das culturas. Assim, o uso de inseticidas altamente poluentes é evitado. Dessa maneira, o impacto negativo nos solos, águas subterrâneas e colheitas são reduzidas.

Namorando

Com a ajuda dos radioisótopos, a idade de certos objetos pode ser determinada. Nos estudos arqueológicos, isso é de grande interesse, pois permite separar as amostras e colocá -las em seus tempos correspondentes. O radioisótopo usado para este aplicativo é, por excelência, carbono 14 (¹⁴C). Dele t_1/2 São 5700 anos e você pode namorar amostras de até 50.000 anos.

A deterioração de ¹⁴C tem sido usado especialmente para amostras biológicas, ossos, fósseis, etc. Outros radioisótopos, como ²⁴⁸Você, você tem um t_1/2 milhões de anos. Depois medir as concentrações de ²⁴⁸U Em uma amostra de meteoritos, sedimentos e minerais, pode -se determinar se tiver a mesma idade da terra.

Referências

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