QUÍMICA NUCLEAR: HISTÒRIA, CAMP D'ESTUDI, ÀREES, APLICACIONS - QUIMICA - 2024

La química nuclear és l'estudi dels canvis de la matèria i les seves propietats producte dels fenòmens esdevinguts en els nuclis dels seus àtoms; no estudia la manera en com interaccionen els seus electrons ni els seus enllaços amb altres àtoms de el mateix o de diferent element.

Aquesta branca de la química s'enfoca llavors en els nuclis i les energies alliberades quan s'addicionen o perden algunes de les seves partícules; a les quals se'ls criden nucleons, i que per a fins químics en essència consten de protons i neutrons.

Trèvol radioactiu. Font: Pixabay.

Moltes reaccions nuclears consisteixen d'un canvi en el nombre de protons i / o neutrons, el qual té com a conseqüència la transformació d'un element en un altre; antic somni dels alquimistes, que van intentar inútilment convertir el metall plom en or.

L'anterior dit és potser la característica més sorprenent de les reaccions nuclears. No obstant això, aquestes transformacions alliberen enormes quantitats d'energia, a més de partícules accelerades que aconsegueixen penetrar i destruir la matèria al seu voltant (com l'ADN de les nostres cèl·lules) depenent de la seva energia associada.

És a dir, en una reacció nuclear s'alliberen diferents tipus de radiacions, i quan un àtom o isòtop allibera radiació, es diu que és radioactiu (radionúclids). Algunes radiacions poden ser inofensives, i fins i tot, benignes, utilitzades per combatre cèl·lules cancerígenes o estudiar l'efecte farmacològic de certes drogues mitjançant marcatge radioactiu.

Altres radiacions en canvi, són destructives i mortals a el mínim contacte. Lamentablement, diverses de les pitjors catàstrofes en la història porten amb si el símbol de la radioactivitat (trèvol radioactiu, imatge superior).

Des de les armes nuclears, fins als episodis de Txernòbil i l'infortuni de les deixalles radioactives i els seus efectes en la fauna, són molts els desastres desencadenats per l'energia nuclear. Però, d'altra banda, l'energia nuclear garantiria la independència d'altres fonts d'energia i els problemes de contaminació que comporten.

Seria (probablement) energia neta, capaç d'alimentar ciutats per una eternitat, i la tecnologia superaria els seus límits terrenals.

Per aconseguir tot allò a el menor cost humà (i planetari), es necessiten de programes i esforços científics, tecnològics, ecològics, i polítics, per a "domar" i "mimetitzar" l'energia nuclear de manera segura i beneficiosa per a la humanitat i el seu creixement energètic.

Història de la química nuclear

albors

Deixant en el passat als alquimistes i la seva pedra filosofal (encara que els seus esforços hagin donat fruits de vital importància per a la comprensió de la química), la química nuclear va néixer quan es va detectar per primera vegada el que es coneix per radioactivitat.

Tot va començar en el descobriment dels raigs X per Wilhelm Conrad Röntgen (1895), a la Universitat de Wurzburg. Estudiava els raigs catòdics quan va notar que aquests originaven una estranya fluorescència, fins i tot amb l'aparell apagat, capaç de traspassar el paper negre opac que cobria els tubs dins el qual es desenvolupaven els experiments.

Henri Becquerel, motivat pels descobriments dels raigs X, va dissenyar els seus propis experiments per estudiar-los a partir de sals fluorescents, les quals enfosquien unes plaques fotogràfiques, protegides per paper negre, quan eren excitades per la llum de el sol.

Es va trobar accidentalment (ja que el temps a París estava ennuvolat en aquell temps), que les sals d'urani enfosquien les plaques fotogràfiques, independentment de la font de llum que incidís sobre elles. Va concloure llavors que havia donat amb un nou tipus de radiació: la radioactivitat.

Treballs dels esposos Curie

El treball de Becquerel va servir com a font d'inspiració a Marie Curie i Pierre Curie per aprofundir en el fenomen de la radioactivitat (terme encunyat per Marie Curie).

Així, van buscar altres minerals (a més dels d'urani) que també presentaran aquesta propietat, trobant que el mineral pechblenda és encara més radioactiu, i que per tant, havia de posseir altres substàncies radioactives. Com? Mitjançant la comparació dels corrents elèctrics generats per la ionització de les molècules gasoses entorn a les mostres.

De el mineral pechblenda va extreure, després d'anys d'ardus treballs d'extraccions i mesuraments radiomètriques, els elements radioactius ràdio (100 mg d'una mostra de 2000 kg) i poloni. Així mateix, Curie va determinar la radioactivitat de l'element tori.

Desgraciadament, per llavors començaven a descobrir-se els efectes nocius d'aquestes radiacions.

Els mesuraments de la radioactivitat es van facilitar amb el desenvolupament de l'comptador de Geiger (tenint a Hans Geiger com coinventor de l'artefacte).

El fraccionament de l'nucli

Ernest Rutherford va observar que cada radioisòtop presentava un temps de decaïment propi, independent de la temperatura, i que variava amb la concentració i les característiques dels nuclis.

Va demostrar igualment que aquests decaïments radioactius obeeixen una cinètica de primer ordre, els temps de vida mitjana (t _1/2), segueixen sent de molta utilitat actualment. Així, cada substància que emet radioactivitat té diferent t _1/2, el qual oscil·la des de segons, dies, fins a milions d'anys.

A més de tot l'anterior, va proposar un model atòmic arran dels resultats dels seus experiments irradiant amb partícules alfa (nuclis d'heli) una làmina molt prima d'or. Treballant novament amb les partícules alfes, va aconseguir la transmutació d'àtoms de nitrogen a àtoms d'oxigen; és a dir, havia aconseguit convertir un element en un altre.

A el fer-ho, es demostrava d'una vegada que l'àtom no era indivisible, i encara menys quan era bombardejat per partícules accelerades i neutrons "lents".

Camp d'estudi

Pràctica i teoria

Els que decideixen lliurar-se a formar part dels especialistes de la química nuclear poden optar per diversos camps d'estudi o recerca, així com diferents àmbits de treball. A l'igual que moltes branques de la ciència, poden dedicar-se a la pràctica, o la teoria (o ambdues a el mateix temps) en els seus corresponents camps.

Un exemple cinematogràfic s'aprecia en les pel·lícules de superherois, on els científics aconsegueixen que un individu adquireixi súper poders (com Hulk, els quatre fantàstics, Spiderman, i el Doctor Manhattan).

A la vida real (al menys superficialment), els químics nuclears busquen per contra dissenyar nous materials capaços de resistir l'enorme resistència nuclear.

Aquests materials, a l'igual que la instrumentació, han de ser prou indestructibles i especials per aïllar l'emissió de radiació i les enormes temperatures desencadenats a l'iniciar les reaccions nuclears; en especial, les de fusió nuclear.

En la teoria, poden dissenyar simulacions per estimar primer la viabilitat de certs projectes i com millorar-los a el menor cost i impacte negatiu; o models matemàtics que permetin esbrinar els misteris pendents de l'nucli.

Així mateix, estudien i plantegen maneres per emmagatzemar i / o tractar les deixalles nuclears, ja que demoren milers de milions d'anys a descompondre i són altament contaminants.

treballs típics

A continuació es té una breu llista dels treballs típics que pot exercir un químic nuclear:

-Dirigen investigacions en laboratoris governamentals, industrials o acadèmics.

-Procesan centenars de dades a través de paquets estadístics i anàlisi multivariant.

-Imparten classes en universitats.

-Desarrollan fonts de radioactivitat segures per a diverses aplicacions en les que involucrin un públic general, o per utilitzar-se en dispositius aeroespacials.

-Diseñan tècniques i dispositius que detectin i monitoreen la radioactivitat en el medi ambient.

-Garantizan que en els laboratoris les condicions siguin les òptimes en la manipulació de l'material radioactiu; el qual arriben a manipular fins i tot emprant braços robòtics.

-Com tècnics, fan manteniments als dosímetres i recullen mostres radioactives.

àrees

L'apartat anterior va descriure en termes generals quines són les tasques d'un químic nuclear al seu lloc de treball. Ara, s'especifica una mica més sobre diferents àrees en les quals està present l'ús o estudi de les reaccions nuclears.

radioquímica

A la radioquímica s'estudia el procés de radiació en si mateix. Això vol dir que considera profunditat tots els radioisòtops, a l'igual que el seu temps de decaïment, les radiacions que alliberen (alfa, beta o gamma), el seu comportament en diferents entorns, i les seves possibles aplicacions.

Aquesta és potser l'àrea de la química nuclear que més ha avançat avui en dia respecte a les altres. S'ha encarregat a utilitzar de manera intel·ligent i amigable dels radioisòtops i dosis moderades de radiació.

energia nuclear

En aquesta àrea els químics nuclears, juntament amb investigadors d'altres especialitats, estudien i dissenyen mètodes segurs i controlables per aprofitar l'energia nuclear producte de la fissió dels nuclis; és a dir, de la seva fraccionament.

Així mateix, es proposa fer el mateix amb les reaccions de fusió nuclear, com els que volguessin domesticar estrelles petites que aportin la seva energia; amb l'impediment que les condicions són aclaparadores i no hi ha material físic capaç de resistir (imagini tancar el sol en una gàbia que no es funda per la intensa calor).

L'energia nuclear bé pot utilitzar per a fins benèfics, o amb propòsits bèl·lics, en el desenvolupament de més armaments.

Emmagatzematge i deixalles

El problema que representen les deixalles nuclears és molt seriós i amenaçant. És per aquesta raó que en aquesta àrea es dediquen a idear estratègies per "empresonar-" de tal manera que la radiació que emeten no traspassi la seva cuirassa de contenció; cuirassa, que ha de ser capaç de resistir els terratrèmols, les inundacions, les elevades pressions i temperatures, etc.

radioactivitat artificial

Tots els elements transurànics són radioactius. Han estat sintetitzats mitjançant diferents tècniques, entre elles: el bombardeig de nuclis amb neutrons o altres partícules accelerades.

Per a això, s'ha fet ús d'acceleradors lineals o ciclotrons (els quals tenen forma de D). Dins d'ells, s'acceleren les partícules a velocitats properes a les de la llum (300.000 km / s), per després xocar contra un blanc.

Així, van néixer diversos elements artificials, radioactius, i que la seva abundància a la Terra és nul·la (tot i que potser sí hi hagi naturalment en regions de l'Cosmos).

En alguns acceleradors el poder de les col·lisions és tal, que ocorre una desintegració de la matèria. Analitzant els fragments, els quals amb prou feines poden detectar-se per el seu temps de vida tan curt, s'ha pogut conèixer més a fons el compendi de les partícules atòmiques.

aplicacions

Torres de refrigeració d'una central nuclear. Font: Pixabay.

A la imatge superior es mostren dues torres de refrigeració característiques de les centrals nuclears, la planta pot alimentar tota una ciutat d'energia elèctrica; per exemple, la planta de Springfield, on treballa Homer Simpson, i de la qual és propietari el senyor Burns.

Llavors, les centrals nuclears utilitzen l'energia alliberada dels reactors nuclears per produir una necessitat energètica. Aquest és l'aplicació ideal i prometedora de la química nuclear: energia il·limitada.

Al llarg de l'article s'ha fet esment, de manera implícita, de nombroses aplicacions de la química nuclear. Altres aplicacions no tan evidents, però que estan presents en la vida diària, són les següents a continuació.

Medicina

Una tècnica per esterilitzar el material quirúrgic consisteix en irradiar-lo amb radiació gamma. Aquesta destrueix completament els microorganismes que puguin albergar. El procés és fred, de manera que certs materials biològics, sensibles a les altes temperatures, poden ser sotmesos també a aquestes dosis de radiació.

L'efecte farmacològic, distribució i eliminació de les noves droga s'avalua mitjançant l'ús de radioisòtops. Amb un detector de radiació emesa, es pot tenir una imatge real de la distribució de la droga a l'organisme.

Aquesta imatge permet determinar per quant temps actua la droga sobre determinat teixit; si no aconsegueix absorbir apropiadament, o si roman a l'interior per més temps de l'adequat.

Conservació d'aliments

Similarment, es pot irradiar els aliments emmagatzemats amb una moderada dosi de radiació gamma. Aquesta s'encarrega d'eliminar i destruir els bacteris, mantenint els aliments comestibles l'engròs temps.

Per exemple, un paquet de maduixes pot mantenir-se fresc després de fins i tot quinze dies d'emmagatzematge mitjançant aquesta tècnica. La radiació és tan feble que no penetra la superfície de les maduixes; i per tant, no queden contaminades, ni es tornen "maduixes radioactives".

Detectors de fum

Dins dels detectors de fum es troba tot just uns mil·ligrams d'americi (²⁴¹ Am). Aquest metall radioactiu a aquestes quantitats exhibeix radiacions inofensives per a les persones presents sota els sostres.

El ²⁴¹ Am emet partícules alfa i raigs gamma de baixa energia, sent aquests raigs capaços d'escapar de l'detector. Les partícules alfes ionitzen a la molècules d'oxigen i nitrogen de l'aire. Dins el detector, una diferència de voltatge recol·lecta i ordena els ions, produint una lleu corrent elèctric.

Els ions acaben situant-se en diferents elèctrodes. Quan el fum entra a la càmera interna de l'detector, absorbeix les partícules alfa i s'interromp la ionització de l'aire. En conseqüència, s'atura el corrent elèctric i s'activa una alarma.

Eliminació de les plagues

En l'agricultura, s'ha emprat una radiació moderada per aniquilar els insectes indesitjables de les collites. Així, s'evita l'ús d'insecticides altament contaminants. D'aquesta manera es redueix l'impacte negatiu en els sòls, les aigües subterrànies i les collites en si mateixes.

datació

Amb l'ajuda dels radioisòtops, es pot determinar l'edat de certs objectes. En estudis arqueològics això és de gran interès ja que permet separar les mostres i situar-les en els seus corresponents temps. El radioisòtop utilitzat per a aquesta aplicació és, per excel·lència, el de carboni 14 (¹⁴ C). La seva t _1/2 és de 5700 anys, i es pot datar mostres fins de 50.000 anys d'antiguitat.

El decaïment de l' ¹⁴ C s'ha utilitzat especialment per a mostres biològiques, ossades, fòssils, etc. Altres radioisòtops, com el ²⁴⁸ O, té un t _1/2 de milions d'anys. Mesurant llavors les concentracions de ²⁴⁸ O en una mostra de meteorits, sediments i minerals, es pot determinar si aquesta té la mateixa edat de la Terra.

referències

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
2. Frank Kinard. (2019). Nuclear Chemistry. Recuperat de: chemistryexplained.com
3. Nuclear Chemistry. (Sf). Recuperat de: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Timeline for the History of Nuclear Chemistry. Precedeixen. Recuperat de: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (sf). Discovery of Radioactivity. Chemistry LibreTexts. Recuperat de: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (Sf). What Types of Jobs Do Nuclear Chemists Do? Work - Chron.com. Recuperat de: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Nuclear Chemistry. Recuperat de: en.wikipedia.org
8. American Chemical Society. (2019). Nuclear Chemistry. Chemistry Careers. Recuperat de: acs.org
9. Alan I. Waltar. (2003). The Medical, Agricultural, and Industrial Applications of Nuclear Technology. Pacific Northwest National Laboratory.