Das Kernchemie Es ist das Studium der Veränderungen der Materie und ihrer Eigenschaften als Folge der Phänomene, die in den Kernen ihrer Atome stattfinden; untersucht nicht die Art und Weise, in der seine Elektronen interagieren oder ihre Bindungen mit anderen Atomen desselben oder eines anderen Elements.
Dieser Zweig der Chemie konzentriert sich dann auf die Kerne und die Energien, die freigesetzt werden, wenn sie einige ihrer Teilchen hinzufügen oder verlieren; die Nukleonen genannt werden und für chemische Zwecke im Wesentlichen aus Protonen und Neutronen bestehen.
Viele Kernreaktionen bestehen aus einer Änderung der Anzahl der Protonen und / oder Neutronen, was zur Folge hat, dass ein Element in ein anderes umgewandelt wird. alter Traum von Alchemisten, die vergeblich versuchten, Bleimetall in Gold zu verwandeln.
Dies ist vielleicht das überraschendste Merkmal von Kernreaktionen. Solche Transformationen setzen jedoch enorme Energiemengen sowie beschleunigte Partikel frei, die es schaffen, die Materie um sie herum (wie die DNA unserer Zellen) in Abhängigkeit von der damit verbundenen Energie zu durchdringen und zu zerstören..
Das heißt, bei einer Kernreaktion werden verschiedene Arten von Strahlung freigesetzt, und wenn ein Atom oder Isotop Strahlung freisetzt, spricht man von Radioaktivität (Radionukliden). Einige Strahlen können harmlos und sogar gutartig sein, um Krebszellen zu bekämpfen oder die pharmakologische Wirkung bestimmter Arzneimittel durch radioaktive Markierung zu untersuchen.
Andere Strahlungen hingegen sind bei minimalem Kontakt zerstörerisch und tödlich. Leider tragen einige der schlimmsten Katastrophen der Geschichte das Symbol der Radioaktivität mit sich (radioaktiver Klee, oberes Bild).
Von Atomwaffen über die Tschernobyl-Episoden bis hin zum Unglück radioaktiver Abfälle und ihren Auswirkungen auf wild lebende Tiere gibt es viele Katastrophen, die durch Kernenergie ausgelöst werden. Andererseits würde die Kernenergie die Unabhängigkeit von anderen Energiequellen und die damit verbundenen Verschmutzungsprobleme gewährleisten..
Es wäre (wahrscheinlich) saubere Energie, die Städte für die Ewigkeit mit Strom versorgen könnte, und die Technologie würde ihre irdischen Grenzen überschreiten.
Um all dies zu den niedrigsten menschlichen (und planetarischen) Kosten zu erreichen, sind wissenschaftliche, technologische, ökologische und politische Programme und Anstrengungen erforderlich, um die Kernenergie auf sichere und vorteilhafte Weise für die Menschheit und ihr energetisches Wachstum zu „zähmen“ und nachzuahmen.
Artikelverzeichnis
Die Alchemisten und der Stein ihres Philosophen blieben in der Vergangenheit zurück (obwohl ihre Bemühungen Früchte getragen haben, die für das Verständnis der Chemie von entscheidender Bedeutung sind). Die Kernchemie wurde geboren, als erstmals die sogenannte Radioaktivität entdeckt wurde..
Alles begann mit der Entdeckung von Röntgenstrahlen durch Wilhelm Conrad Röntgen (1895) an der Universität Würzburg. Er untersuchte Kathodenstrahlen, als er bemerkte, dass sie selbst bei ausgeschaltetem Gerät eine seltsame Fluoreszenz erzeugten, die in das undurchsichtige schwarze Papier eindringen konnte, das die Röhren bedeckte, in denen die Experimente durchgeführt wurden..
Henri Becquerel, motiviert durch die Entdeckungen von Röntgenstrahlen, entwarf seine eigenen Experimente, um sie aus fluoreszierenden Salzen zu untersuchen, die Fotoplatten, die durch schwarzes Papier geschützt waren, verdunkelten, wenn sie vom Sonnenlicht angeregt wurden..
Es wurde versehentlich festgestellt (da das Wetter in Paris zu dieser Zeit bewölkt war), dass Uransalze fotografische Platten verdeckten, unabhängig von der Lichtquelle, die auf sie fiel. Dann kam er zu dem Schluss, dass er eine neue Art von Strahlung gefunden hatte: Radioaktivität.
Becquerels Arbeit diente Marie Curie und Pierre Curie als Inspirationsquelle, um sich mit dem Phänomen der Radioaktivität auseinanderzusetzen (ein Begriff, der von Marie Curie geprägt wurde)..
Daher suchten sie nach anderen Mineralien (neben Uran), die diese Eigenschaft ebenfalls aufwiesen, und stellten fest, dass das Mineral Pechblende noch radioaktiver ist und daher andere radioaktive Substanzen enthalten muss. Wie? Durch Vergleich der elektrischen Ströme, die durch die Ionisierung von Gasmolekülen um die Proben erzeugt werden.
Nach Jahren mühsamer Extraktion und radiometrischer Messungen extrahierte er die radioaktiven Elemente Radium (100 mg aus einer 2000 kg-Probe) und Polonium aus der mineralischen Pechblende. Curie bestimmte auch die Radioaktivität des Elements Thorium.
Leider wurden zu diesem Zeitpunkt die schädlichen Auswirkungen einer solchen Strahlung entdeckt..
Radioaktivitätsmessungen wurden durch die Entwicklung des Geigerzählers erleichtert (mit Hans Geiger als Miterfinder des Artefakts).
Ernest Rutherford beobachtete, dass jedes Radioisotop unabhängig von der Temperatur seine eigene Zerfallszeit hatte und dass es mit der Konzentration und den Eigenschaften der Kerne variierte..
Er zeigte auch, dass diese radioaktiven Zerfälle der Kinetik erster Ordnung gehorchen, deren Halbwertszeiten (t1/2), sind heute noch sehr nützlich. Somit hat jede Substanz, die Radioaktivität emittiert, unterschiedliche t1/2, Das reicht von Sekunden, Tagen bis zu Millionen von Jahren.
Zusätzlich zu all dem schlug er ein Atommodell vor, das auf den Ergebnissen seiner Experimente basiert und eine sehr dünne Goldschicht mit Alpha-Partikeln (Heliumkernen) bestrahlt. Er arbeitete wieder mit Alpha-Partikeln und erreichte die Umwandlung von Stickstoffatomen in Sauerstoffatome. das heißt, er hatte es geschafft, ein Element in ein anderes umzuwandeln.
Dabei wurde sofort gezeigt, dass das Atom nicht unteilbar war, und noch weniger, wenn es von beschleunigten Teilchen und "langsamen" Neutronen bombardiert wurde..
Diejenigen, die sich entscheiden, Teil der Spezialisten für Kernchemie zu werden, können aus verschiedenen Studien- oder Forschungsbereichen sowie aus verschiedenen Arbeitsbereichen wählen. Wie viele Wissenschaftszweige können sie sich in ihren entsprechenden Bereichen der Praxis oder der Theorie (oder beiden gleichzeitig) widmen.
Ein filmisches Beispiel sind Superheldenfilme, in denen Wissenschaftler eine Person dazu bringen, Superkräfte zu erwerben (wie den Hulk, die fantastischen vier, Spiderman und Doctor Manhattan)..
Im wirklichen Leben (zumindest oberflächlich) versuchen Kernchemiker stattdessen, neue Materialien zu entwickeln, die enormen nuklearen Widerständen standhalten können..
Diese Materialien müssen wie die Instrumente ausreichend unzerstörbar und speziell sein, um die Emission von Strahlung und die enormen Temperaturen zu isolieren, die bei der Auslösung von Kernreaktionen freigesetzt werden. vor allem die der Kernfusion.
Theoretisch können sie Simulationen entwerfen, um zunächst die Machbarkeit bestimmter Projekte abzuschätzen und sie bei geringsten Kosten und negativen Auswirkungen zu verbessern. oder mathematische Modelle, die es ermöglichen, die anstehenden Geheimnisse des Kerns zu enträtseln.
Sie untersuchen und schlagen auch Möglichkeiten zur Lagerung und / oder Behandlung von Atommüll vor, da die Zersetzung Milliarden von Jahren dauert und stark verschmutzt..
Hier ist eine kurze Liste typischer Aufgaben, die ein Nuklearchemiker ausführen kann:
-Führen Sie Forschungen in staatlichen, industriellen oder akademischen Labors durch.
-Verarbeiten Sie Hunderte von Daten mithilfe von Statistikpaketen und multivariaten Analysen.
-Sie unterrichten an Universitäten.
-Sie entwickeln sichere Radioaktivitätsquellen für verschiedene Anwendungen, an denen eine breite Öffentlichkeit beteiligt ist, oder für die Verwendung in Luft- und Raumfahrtgeräten.
-Entwurfstechniken und Geräte zur Erkennung und Überwachung der Radioaktivität in der Umgebung.
-Sie garantieren, dass die Laborbedingungen für den Umgang mit radioaktivem Material optimal sind. die sie sogar mit Roboterarmen manipulieren können.
-Als Techniker warten sie Dosimeter und sammeln radioaktive Proben.
Im vorherigen Abschnitt wurde allgemein beschrieben, welche Aufgaben ein Nuklearchemiker an seinem Arbeitsplatz hat. Nun wird etwas mehr über verschiedene Bereiche spezifiziert, in denen die Verwendung oder Untersuchung von Kernreaktionen vorhanden ist..
In der Radiochemie wird der Strahlungsprozess selbst untersucht. Dies bedeutet, dass alle Radioisotope in der Tiefe sowie ihre Abklingzeit, die von ihnen freigesetzte Strahlung (Alpha, Beta oder Gamma), ihr Verhalten in verschiedenen Umgebungen und ihre möglichen Anwendungen berücksichtigt werden..
Dies ist vielleicht der Bereich der Kernchemie, der heute im Vergleich zu den anderen am weitesten fortgeschritten ist. Er war verantwortlich für den intelligenten und freundlichen Einsatz von Radioisotopen und moderaten Strahlungsdosen.
In diesem Bereich untersuchen und entwerfen Kernchemiker zusammen mit Forschern anderer Fachrichtungen sichere und kontrollierbare Methoden, um die durch die Spaltung von Kernen erzeugte Kernenergie zu nutzen. das heißt, von seiner Fraktionierung.
Ebenso wird vorgeschlagen, dasselbe mit Kernfusionsreaktionen zu tun, beispielsweise mit solchen, die kleine Sterne zähmen möchten, die ihre Energie liefern. mit dem Hindernis, dass die Bedingungen überwältigend sind und es kein physisches Material gibt, das ihnen widerstehen kann (stellen Sie sich vor, Sie schließen die Sonne in einen Käfig ein, der aufgrund der starken Hitze nicht schmilzt)..
Die Kernenergie kann entweder für wohltätige Zwecke oder für Kriegszwecke zur Entwicklung weiterer Waffen verwendet werden..
Das Problem der Atommüllfälle ist sehr ernst und bedrohlich. Aus diesem Grund widmen sie sich in diesem Bereich der Entwicklung von Strategien, um sie so "einzusperren", dass die von ihnen emittierte Strahlung nicht in ihre Schutzhülle eindringt. Schale, die Erdbeben, Überschwemmungen, hohen Drücken und Temperaturen usw. standhalten muss..
Alle transuranischen Elemente sind radioaktiv. Sie wurden unter Verwendung verschiedener Techniken synthetisiert, einschließlich: Beschuss von Kernen mit Neutronen oder anderen beschleunigten Teilchen.
Hierzu wurden Linearbeschleuniger oder Zyklotrons (die D-förmig sind) verwendet. In ihnen werden die Partikel auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit (300.000 km / s) beschleunigt und kollidieren dann mit einem Ziel.
So wurden mehrere künstliche radioaktive Elemente geboren, und ihre Häufigkeit auf der Erde ist Null (obwohl sie in Regionen des Kosmos auf natürliche Weise existieren können)..
Bei einigen Beschleunigern ist die Kraft von Kollisionen derart, dass eine Auflösung der Materie auftritt. Durch die Analyse der Fragmente, die aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer kaum nachweisbar sind, konnte mehr über das Kompendium der Atompartikel erfahren werden..
Das Bild oben zeigt zwei Kühltürme, die für Kernkraftwerke charakteristisch sind und deren Anlage eine ganze Stadt mit Strom versorgen kann. Zum Beispiel das Werk in Springfield, in dem Homer Simpson arbeitet und das Mr. Burns gehört.
Kernkraftwerke nutzen also die aus Kernreaktoren freigesetzte Energie, um einen Energiebedarf zu decken. Dies ist die ideale und vielversprechende Anwendung der Kernchemie: unbegrenzte Energie.
In dem gesamten Artikel wurden implizit zahlreiche Anwendungen der Kernchemie erwähnt. Andere Anwendungen, die nicht so offensichtlich sind, aber im täglichen Leben vorhanden sind, sind die folgenden.
Eine Technik zum Sterilisieren von chirurgischem Material besteht darin, es mit Gammastrahlung zu bestrahlen. Dadurch werden die Mikroorganismen, die sie möglicherweise beherbergen, vollständig zerstört. Der Prozess ist kalt, so dass bestimmte biologische Materialien, die gegenüber hohen Temperaturen empfindlich sind, auch diesen Strahlungsdosen ausgesetzt werden können..
Die pharmakologische Wirkung, Verteilung und Eliminierung der neuen Arzneimittel wird unter Verwendung von Radioisotopen bewertet. Mit einem Detektor für emittierte Strahlung können Sie ein reales Bild der Verteilung des Arzneimittels im Körper erhalten.
Dieses Bild ermöglicht es zu bestimmen, wie lange das Medikament auf ein bestimmtes Gewebe wirkt; wenn es nicht richtig absorbiert oder länger als ausreichend im Haus bleibt.
Ebenso können gelagerte Lebensmittel mit einer moderaten Dosis Gammastrahlung bestrahlt werden. Dies ist verantwortlich für die Beseitigung und Zerstörung von Bakterien, wodurch Lebensmittel länger essbar bleiben.
Beispielsweise kann eine Packung Erdbeeren mit dieser Technik auch nach 15 Tagen Lagerung frisch gehalten werden. Die Strahlung ist so schwach, dass sie die Oberfläche der Erdbeeren nicht durchdringt; und deshalb sind sie weder kontaminiert noch werden sie zu "radioaktiven Erdbeeren".
In Rauchmeldern befinden sich nur wenige Milligramm Americium (241A.M.). Dieses radioaktive Metall in diesen Mengen zeigt Strahlung, die für Personen, die sich unter den Dächern befinden, harmlos ist..
Das 241Am emittiert Alpha-Partikel und energiearme Gammastrahlen, die dem Detektor entweichen können. Alpha-Partikel ionisieren Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der Luft. Im Detektor sammelt und ordnet eine Spannungsdifferenz die Ionen und erzeugt einen leichten elektrischen Strom..
Die Ionen landen an verschiedenen Elektroden. Wenn Rauch in die Innenkammer des Detektors gelangt, absorbiert er Alpha-Partikel und die Ionisierung der Luft wird unterbrochen. Folglich wird der elektrische Strom gestoppt und ein Alarm aktiviert.
In der Landwirtschaft wurde mäßige Strahlung verwendet, um unerwünschte Insekten auf Feldfrüchten abzutöten. Somit wird der Einsatz stark verschmutzender Insektizide vermieden. Dies reduziert die negativen Auswirkungen auf Böden, Grundwasser und die Pflanzen selbst..
Mit Hilfe von Radioisotopen kann das Alter bestimmter Objekte bestimmt werden. In archäologischen Studien ist dies von großem Interesse, da die Proben getrennt und zu den entsprechenden Zeiten platziert werden können. Das für diese Anwendung verwendete Radioisotop ist schlechthin Kohlenstoff 14 (14C). Seine t1/2 Es ist 5700 Jahre alt und die Proben können bis zu 50.000 Jahre alt sein.
Der Verfall von 14C wurde speziell für biologische Proben, Knochen, Fossilien usw. verwendet. Andere Radioisotope wie 248U, habe eine t1/2 von Millionen von Jahren. Bis dahin werden die Konzentrationen von gemessen 248U in einer Probe von Meteoriten, Sedimenten und Mineralien kann festgestellt werden, ob es das gleiche Alter wie die Erde hat.
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