Nuklearna hemija

Alfa raspad je jedna vrsta radioaktivnog raspada, u kojem atomsko jezgro emituje alfa česticu, i time se transformiše (ili „raspada“) u atom sa masenim brojem smanjenim za 4 i atomskim brojem smanjenim za 2.
Nuklearna reakcija

Nuklearna hemija je polje hemije koje se bavi radioaktivnošću, nuklearnim procesima i svojstvima.[1][2] Ona je hemija radioaktivnih elemenata poput aktinoida, radijuma i radona, zajedno sa hemijom opreme (npr. nuklearnih reaktora) koja je dizajnirana za izvođenje nuklearnih procesa. Ona obuhvata koroziju površina i ponašanje pod normalnim i abnormalnim uslovima rada. Jedna značajna oblast je ponašanje objekata i materijala nakon deponovanja na skladišta nuklearnog otpada.

Nuklearna hemija obuhvata izučavanje hemijskih efekata radijacione apsorpcije na životinje, biljke i druge materijale. Radijaciona hemija kontroliše znatan deo radijacione biologije pošto radijacija utiče na živa bića na molekulskom nivou. Drugim rečima, radijacija menja biomolekule unutar organizma, time se menjaju hemijski procesi unutar organizma, i te biohemijske promene imaju biološke ishode. Nuklearna hemija nalazi primenu u medicinskim tretmanima (kao što je radioterapija kancera) i omogućava poboljšanje tih tretmana.

Nuklearna hemija obuhvata izučavanje produkcije i primene radioaktivnih izvora za širok opseg procesa. Među njima su radioterapija u medicinskim aplikacijama; upotreba radioaktivnih trejsera u industriji, nauci i životnoj sredini; i upotreba radijacije za modifikovanje materijala kao što su polimeri.[3]

Ona takođe obuhvata izučavanje i upotrebu nuklearnih procesa u neradioaktivnim oblastima. Na primer, nuklearno magnetno rezonantna (NMR) spektroskopija se rutinski koristi u sintetičkoj organskoj hemiji i fizičkoj hemiji, kao i za strukturnu analizu u makromolekulskoj hemiji.

Istorija

Nakon Vilhelm Rendgenovog otkrića X-zraka 1882. godine, mnogi naučnici su počeli da rade na jonizujućem zračenju. Jedan od njih bio je Anri Bekerel, koji je istraživao vezu između fosforescencije i zacrnjenja fotografskih ploča. Kada je Bekerel (radeći u Francuskoj) otkrio da je, bez spoljnog izvora energije, uranijum generisao zrake koji su mogli da zacrne (ili zamagle) fotografsku ploču, otkrivena je radioaktivnost. Marija Kiri (radeći u Parizu) i njen suprug Pjer Kiri izolovali su dva nova radioaktivna elementa iz rude uranijuma. Oni su radiometrijskim metodama identifikovali u kom toku se radioaktivnost zadržala nakon svakog hemijskog razdvajanja. Oni su razdvojili uranijumovu rudu u svaki od različitih hemijskih elemenata koji su bili poznati u to vreme i merili radioaktivnost svake frakcije. Zatim su pokušali da dalje odvoje ove radioaktivne frakcije, kako bi izolovali manju frakciju sa većom specifičnom aktivnošću (radioaktivnost podeljena sa masom). Na taj način su izolovali polonijum i radijum. Otprilike 1901. godine primećeno je da visoke doze zračenja mogu naneti povrede ljudima. Anri Bekerel je u džepu nosio uzorak radijuma i kao rezultat je pretrpeo veoma lokalizovanu dozu koja je rezultirala opekotinama od zračenja.[4] Ova povreda rezultirala je istraživanjem bioloških svojstava zračenja, što je vremenom dovelo do razvoja medicinskog tretmana.

Ernest Raderford, radeći u Kanadi i Engleskoj, pokazao je da se radioaktivni raspad može opisati jednostavnom jednačinom (linearna derivatna jednačina prvog stepena, koja se sada naziva kinetika prvog reda), implicirajući da data radioaktivna supstanca ima karakterističan „poluživot“ (vreme potrebno da se količina radioaktivnosti prisutna u izvoru smanji za polovinu). Takođe je osmislio pojmove alfa, beta i gama zraka, pretvorio je azot u kiseonik, i što je najvažnije nadzirao je studente koji su sproveli Gajger-Marsdenov eksperiment (eksperiment sa zlatnom folijom) koji je pokazao da je atomski model „pudinga sa šljivama“ bio pogrešan. U modelu pudinga sa šljivama, koji je 1904. godine predložio Džozef Džon Tomson, atom se sastoji od elektrona okruženih 'oblakom' pozitivnog naelektrisanja da bi se uravnotežio negativni naboj elektrona. Ruderford je iz eksperimenta sa zlatnom folijom izveo zaključak je da je pozitivno naelektrisanje bilo ograničeno na vrlo malo jezgro i formulisao je Ruderfordov model, i to je na kraju dovelo do Borovog modela atoma, u kome je pozitivno jezgro okruženo negativnim elektronima.

Godine 1934, ćerka Marije Kiri (Irena Žolio-Kiri) i zet (Frederik Žolio) prvi su stvorili veštačku radioaktivnost: oni su bombardovali bor alfa česticama da bi napravili neutronski osiromašeni izotop azot-13; ovaj izotop je emitovao pozitrone.[5] Pored toga, oni su bombardovali aluminijum i magnezijum neutronima da bi napravili nove radioizotope.

Glavne oblasti

Radiohemija je hemija radioaktivnih materijala, u kojoj se radioaktivni izotopi elemenata koriste za proučavanje svojstava i hemijskih reakcija neradioaktivnih izotopa (često u radiohemiji odsustvo radioaktivnosti dovodi do toga da se supstanca opisuje kao neaktivna, jer su izotopi stabilni).

Za dalje detalje pogledajte stranicu o radiohemiji.

Radijaciona hemija

Radijaciona hemija je proučavanje hemijskih efekata zračenja na materiju; ovo se veoma različito od radiohemije, jer u materijalu koji se hemijski menja zračenjem ne mora biti prisutna radioaktivnost. Primer je konverzija vode u gas vodonik i vodonik peroksid. Pre hemije zračenja, uobičajeno je bilo verovanje da se čista voda ne može uništiti.[6]

Početni eksperimenti bili su usredsređeni na razumevanje efekata zračenja na materiju. Koristeći rendgenski generator, Hugo Frike je proučavao biološke efekte zračenja, jer je postalo uobičajena opcija lečenja i dijagnostička metoda.[6] Frike je predložio i naknadno dokazao da je energija rendgenskih zraka mogla da pretvori vodu u aktiviranu vodu, omogućavajući joj da reaguje sa rastvorenim materijama.[7]

Hemija za nuklearnu energiju

Radiohemija, radijaciona hemija i nuklearno hemijsko inženjerstvo igraju veoma važnu ulogu u sintezi prekurzora goriva uranijuma i torijuma, počev od ruda ovih elemenata, proizvodnje goriva, hemije rashladne tečnosti, prerade goriva, tretmana i skladištenja radioaktivnog otpada, praćenja ispuštanja radioaktivnih elemenata tokom operacije reaktora i radioaktivnog geološkog skladištenja, itd.[8]

Proučavanje nuklearnih reakcija

Takođe pogledajte: nuklearna fizika i nuklearne reakcije

Kombinacija radiohemije i radijacione hemije se koristi za proučavanje nuklearnih reakcija poput fisije i fuzije. Rana evidencija o nuklearnoj fisiji bila je stvaranje kratkoživućeg radioizotopa barijuma koji je izolovan iz neutronski zračenog uranijuma (139Ba, sa poluživotom 83 minuta i 140Ba, sa poluživotom od 12,8 dana, glavni su fizioni produkti uranijuma). U to vreme se smatralo da je reč o novom izotopu radijuma, jer je tada bila uobičajena radiohemijska praksa da se talog nosača barijum sulfata koristi za izolaciju radijuma.[9] U novije vreme, kombinacija radiohemijskih metoda i nuklearne fizike je korišćena za pokušaj stvaranja novih 'superteških' elemenata; smatra se da ostrva relativne stabilnosti postoje tamo gde nuklidi imaju period poluraspada od više godina, što omogućava izolaciju merljivih količina novih elemenata. Za više detalja o originalnom otkriću nuklearne fisije je dostupno u radu Ota Hana.[10]

Obrazovanje

Broj studenata koji su se opredelili za specijalizaciju u oblastima nuklearne i radiohemije znatno je opao poslednjih nekoliko decenija, uprkos sve većoj upotrebi nuklearne medicine, potencijalnom širenju nuklearnih elektrana i brigama oko zaštite od nuklearnih pretnji i upravljanja nuklearnim otpadom nastalim u poslednjih decenija. Sada, s obzirom da se mnogi stručnjaci u ovim oblastima približavaju starosnoj granici za penzionisanje, potrebno je preduzeti mere kako bi se izbegao jaz u radnoj snazi u ovim kritičnim oblastima, na primer pospešivanjem interesa studenata za karijeru u ovim oblastima, proširivanjem obrazovnih kapaciteta univerziteta i koledža, i pružanjem konkretnijih obuka na radnom mestu.[11]

Nuklearna i radiohemija (NRC) se uglavnom predaje na univerzitetskom nivou, obično prvo na nivou magistarskih i doktorskih studija. U Evropi se ulažu značajni napori da se uskladi i pripremi NRC obrazovanje za buduće potrebe industrije i društva. Ovaj napor se koordinira u projektu koji finansira Koordinisana akcija podržana od strane Sedmog okvirnog programa Evropske zajednice za atomsku energiju.[12][13] Iako je NucWik prvenstveno namenjen nastavnicima, svi zainteresovani za nuklearnu i radiohemiju su dobrodošli i mogu pronaći mnogo informacija i materijala koji objašnjavaju teme povezane sa NRC.

Reference

  1. ^ Handbook of Nuclear Chemistry, six volumes by 130 international experts. Edited by Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezső G. Lovas, Frank Rösch. ISBN 978-1-4419-0721-9., Springer, 2011.
  2. ^ Radioactivity Radionuclides Radiation, Magill, Galy. ISBN 978-3-540-21116-7., Springer, 2005.
  3. ^ Clough, R. L.; Gillen, K. T. (1. 1. 1989). „Radiation-Oxidation of Polymers”. OSTI 6050016. 
  4. ^ Historical background
  5. ^ „Frédéric Joliot - Biographical”. nobelprize.org. Приступљено 1. 4. 2018. 
  6. ^ а б Jonah, Charles D. (новембар 1995). „A Short History of the Radiation Chemistry of Water”. Radiation Research. 144 (2): 141—147. JSTOR 3579253. PMID 7480640. doi:10.2307/3579253. 
  7. ^ Allen, A. O. (септембар 1962). „Hugo Fricke and the Development of Radiation Chemistry: A Perspective View”. Radiation Chemistry. 17 (3): 254—261. JSTOR 3571090. OSTI 12490813. doi:10.2307/3571090. 
  8. ^ Chmielewski, A.G. (2011). „Chemistry for the nuclear energy of the future”. Nukleonika. 56 (3): 241—249. 
  9. ^ [https://web.archive.org/web/20070123030509/http://www.chemcases.com/nuclear/nc-03.htm Архивирано 2007-01-23 на сајту Wayback Machine
  10. ^ Meitner L, Frisch OR (1939) Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction Nature 143:239-240 „Archived copy”. Архивирано из оригинала 2008-04-18. г. Приступљено 2008-04-18. 
  11. ^ Assuring a Future U.S.-Based Nuclear and Radiochemistry Expertise. Board on Chemical Sciences and Technology. 2012. ISBN 978-0-309-22534-2. 
  12. ^ „www.cinch-project.eu”. cinch-project.eu. Архивирано из оригинала 13. 8. 2015. г. Приступљено 1. 4. 2018. This project has set up a wiki dedicated to NRC teaching, NucWik at Wikispaces
  13. ^ „NucWik - home”. nucwik.wikispaces.com. Архивирано из оригинала 27. 11. 2014. г. Приступљено 1. 4. 2018. 

Literatura