KERNCHEMIE: GESCHICHTE, STUDIENBEREICH, BEREICHE, ANWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Die Kernchemie ist die Untersuchung von Änderungen der Produkteigenschaften von Materiephänomenen, die in Atomkernen auftreten; Es untersucht nicht die Art und Weise, wie 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.

Radioaktiver Klee. Quelle: Pixabay.

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 der 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 (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 von ihnen verursachten Verschmutzungsprobleme gewährleisten.

Es wäre (wahrscheinlich) saubere Energie, die Städte für eine 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 Wachstum zu „zähmen“ und nachzuahmen. energisch.

Geschichte der Kernchemie

Dämmerung

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 mit fluoreszierenden Salzen zu untersuchen, die fotografische Platten, 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.

Jobs der Curie-Ehepartner

Becquerels Arbeit diente Marie Curie und Pierre Curie als Inspirationsquelle, um sich mit dem Phänomen der Radioaktivität zu befassen (ein Begriff, der von Marie Curie geprägt wurde).

Daher suchten sie nach anderen Mineralien (neben Uran), die ebenfalls diese Eigenschaft 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 jahrelangen mühsamen Extraktionsarbeiten und radiometrischen 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.

Messungen der Radioaktivität wurden durch die Entwicklung des Geigerzählers (mit Hans Geiger als Miterfinder des Artefakts) erleichtert.

Kernfraktionierung

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 entsprechen, deren Halbwertszeiten (t _1/2 ) bis heute sehr nützlich sind. Somit hat jede Substanz, die Radioaktivität emittiert, ein anderes t _1/2 , das von Sekunden, Tagen bis zu Millionen von Jahren reicht.

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 erneut mit den Alpha-Partikeln und erreichte die Umwandlung von Stickstoffatomen in Sauerstoffatome. Das heißt, es war gelungen, 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.

Forschungsbereich

Praxis und Theorie

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 ebenso wie die Instrumente unzerstörbar und speziell genug 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 zu den niedrigsten Kosten und negativen Auswirkungen zu verbessern. oder mathematische Modelle, die es ermöglichen, die anstehenden Geheimnisse des Kerns zu enträtseln.

Ebenso untersuchen und schlagen sie Möglichkeiten zur Lagerung und / oder Behandlung von Atommüll vor, da die Zersetzung Milliarden von Jahren dauert und stark verschmutzt.

Typische Jobs

Hier ist eine kurze Liste typischer Aufgaben, die ein Nuklearchemiker ausführen kann:

-Direkte Forschung in staatlichen, industriellen oder akademischen Labors.

- Verarbeiten Sie Hunderte von Daten mithilfe von Statistikpaketen und multivariaten Analysen.

-Sie unterrichten Klassen an Universitäten.

-Entwickeln Sie sichere Radioaktivitätsquellen für verschiedene Anwendungen, an denen eine breite Öffentlichkeit beteiligt ist, oder für die Verwendung in Luft- und Raumfahrtgeräten.

-Design-Techniken und Geräte, die Radioaktivität in der Umgebung erkennen und überwachen.

-Garantie, dass die Laborbedingungen für den Umgang mit radioaktivem Material optimal sind; die sie sogar mit Roboterarmen manipulieren.

- Als Techniker warten sie Dosimeter und sammeln radioaktive Proben.

Bereiche

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.

Radiochemie

In der Radiochemie wird der Strahlungsprozess selbst untersucht. Dies bedeutet, dass alle Radioisotope sowie ihre Abklingzeit, die von ihnen freigesetzte Strahlung (Alpha, Beta oder Gamma), ihr Verhalten in verschiedenen Umgebungen und ihre möglichen Anwendungen eingehend berücksichtigt werden.

Dies ist vielleicht der Bereich der Kernchemie, der heute im Vergleich zu den anderen am weitesten fortgeschritten ist. Er war verantwortlich für die intelligente und freundliche Verwendung von Radioisotopen und moderaten Strahlungsdosen.

Kernenergie

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).

Atomkraft kann durchaus für wohltätige Zwecke oder für Kriegszwecke zur Entwicklung weiterer Waffen eingesetzt werden.

Lagerung und Abfall

Das Problem, das Atommüll darstellt, 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.

Künstliche Radioaktivität

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 gleich 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.

Anwendungen

Kühltürme eines Kernkraftwerks. Quelle: Pixabay.

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.

Dann nutzen Kernkraftwerke 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.

Medizin

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 solchen 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 sich ein reales Bild von der Verteilung des Arzneimittels im Körper machen.

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.

Lebensmittelkonservierung

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".

Rauchmelder

In den Rauchmeldern befinden sich nur wenige Milligramm Americium ( ²⁴¹ Uhr). Dieses radioaktive Metall in diesen Mengen weist eine Strahlung auf, die für Personen unter den Dächern harmlos ist.

Der ²⁴¹ Am sendet energiearme Alpha-Partikel und Gammastrahlen aus, die dem Detektor entweichen können. Alpha-Partikel ionisieren die Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der Luft. Im Inneren des Detektors 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.

Beseitigung von Schädlingen

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.

Dating

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 Kohlenstoff 14 ( ¹⁴ C) schlechthin . Sein t _1/2 ist 5700 Jahre alt und Proben können bis zu 50.000 Jahre alt datiert werden.

Der Zerfall von ¹⁴ ° C wurde speziell für biologische Proben, Skelette, Fossilien usw. verwendet. Andere Radioisotope wie ²⁴⁸ U sind _1/2 Millionen Jahre alt. Durch anschließende Messung der Konzentrationen von ²⁴⁸ U in einer Probe von Meteoriten, Sedimenten und Mineralien kann festgestellt werden, ob es sich um das gleiche Alter wie die Erde handelt.

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