A nukleáris kémia egy alcsoportját alkotják kémia foglalkozó radioaktivitás , radionuklidok, folyamatok és a nukleáris tulajdonságait. Öt részrészre osztható.
A radioaktív elemek (kémiai elemek, amelyeknek az összes izotópja radioaktív) kémia , például az aktinidek , a technécium , a rádium vagy a radon , és ez a kémia a nukleáris folyamatok végrehajtására tervezett speciális berendezésekkel (például atomreaktorokkal vagy másokkal) kapcsolatos. . Ez a tudomány magában foglalja a felületek korróziójának és az anyagok vagy atomok viselkedésének tanulmányozását normál és rendellenes működési körülmények között (pl. Balesetben). A nukleáris kémia másik fontos területe a nukleáris hulladék ártalmatlanítására vagy tárolására szolgáló radioaktív tárgyak és anyagok viselkedése .
Ez a kémia magában foglalja az élő állatok, növények és egyéb anyagok sugárzásának elnyeléséből eredő kémiai hatások tanulmányozását. A nukleáris kémia nagyban megkönnyítette a speciális orvosi kezelések (például a rákos sugárterápia ) megértését , és lehetővé tette ezen kezelések javulását.
Magában foglalja a radioaktív és / vagy nukleáris források előállításának és felhasználásának tanulmányozását számos vegyi anyaggal kapcsolatos folyamatban . A vizsgált folyamatok között említhetjük az orvosi alkalmazások sugárterápiáját , a radioaktív nyomjelzők alkalmazását az iparban, a tudományban vagy a környezetben, a nukleáris üzemanyagok előállítását vagy a magmágneses rezonancia spektroszkópiát ( NMR ), amelyet általában használnak a szintetikus szerves kémia területén , fizikai -kémia és a makromolekuláris kémia szerkezeti elemzése ... Ezeknek a sugárzásoknak az alkalmazását az anyagok, elsősorban a polimerek módosítására is tanulmányozzák . Végül az elemek atomtömegének kémiai reakciókra és kémiai vegyületek tulajdonságaira gyakorolt hatásával foglalkozik .
Felfedezése után az X-sugarak által Wilhelm Röntgen , sok tudós kezdett dolgozni az ionizáló sugárzás . Egyikük Henri Becquerel volt , aki a foszforeszcencia és a fényképes lemezek feketedése közötti kapcsolatot vizsgálta . Amikor Becquerel ( Franciaországban dolgozik ) felfedezte, hogy külső energiaforrás nélkül az urán olyan sugarakat bocsát ki, amelyek elsötétíthetik vagy összekeverhetik a fényképes lemezt, radioaktivitást fedeztek fel. Marie Curie és férje, Pierre , Párizsban két új radioaktív elemet izolálnak az uránércből . Ehhez radiometriai módszerekkel azonosították a radioaktivitás áramlását minden egyes hasadás után . Elválasztották az uránércet az akkor ismert kémiai elemek mindegyikébe, és megmérték az így kinyert frakciók radioaktivitását. Ezután megpróbálták szétválasztani ezeket a frakciókat, még nagyobb távolságra téve őket egymástól, és megpróbáltak elkülöníteni egy kis, nagy fajlagos aktivitású frakciót (a radioaktivitás elosztva tömeggel, a szétesések száma másodpercenként). Így képesek voltak elkülöníteni a polóniumot és a rádiumot . Ezután 1901 körül vették észre, hogy a magas sugárzási dózis sérüléseket okozhat az emberekben. Becquerel például rádiummintát tett a zsebébe, és súlyos égési sérülést szenvedett a nagy adag lokalizált radioaktivitás következtében . Ez a sérülés aztán a sugárzás biológiai tulajdonságainak mélyreható vizsgálatához vezetett . Ez a tanulmány idővel orvosi kezelések fejlesztését eredményezte.
A Kanadában és Angliában dolgozó Ernest Rutherford kimutatta, hogy a radioaktív bomlás egyszerű egyenlettel írható le, ami azt jelenti, hogy egy adott radioaktív anyagnak felezési ideje van (az az idő, amelyet az egy forrásban lévő radioaktivitás mennyiségének felére fordítása) . Azt is megalkotta a „ alfa-sugarak ”, „ béta-sugárzás ” és a „ gamma-sugarak ”, áttért a nitrogén át oxigént , és ami a legfontosabb ő felügyelte a diákok, akik elvégezték a „ Geiger-Marsden ” kísérlet. Aranyfüst), egy kísérlet amely azt mutatta, hogy a Thomson modell a „mazsolás puding” a 1904 volt hamis. A Rutherford , ez a kísérlet azt mutatta, hogy a pozitív töltés volt korlátozva egy nagyon kis mag, ami a Rutherford modell , és végül, hogy a Bohr atom modell , ahol a pozitív mag körül negatív elektronok több rétegben.. A 1934 , a lánya , Marie Curie , Irene Joliot-Curie és férje volt az első, hogy mesterséges radioaktivitás lebombázták a bór és az alfa-részecskék , amelyek adott izotóp a nitrogén -13 szegény neutron . Ez az izotóp pozitronokat bocsát ki. Ezenkívül neutronokkal bombázták az alumíniumot és a magnéziumot , hogy új radioizotópokat állítsanak elő.
A radiokémiai a kémia radioaktív anyagok, ahol izotópok radioaktív elemeket használunk tulajdonságainak tanulmányozására és kémiai reakciók a izotópok nem-radioaktív (gyakran a radiokémia hiányában radioaktivitás vezet a leírás egy olyan anyagot, inaktív, ahol izotópok stabilak)
A sugárzás kémiája a sugárzás anyagra gyakorolt kémiai hatásainak vizsgálata, amely abban különbözik a radiokémiától, hogy a sugárzás által módosított anyagban nem lehet radioaktivitás.
A radiokémia , a sugárzás kémiája és a nukleáris vegyi technika nagyon fontos szerepet játszik az urán és a tórium (ezek ércéből származó) szintézisében, ezek a nukleáris üzemanyagként használt szintézisek. Ezek a különlegességek nagyon hasznosak az erőművek hűtőfolyadékainak előállításához, a többé-kevésbé használt üzemanyagok újrafeldolgozásához, a radioaktív hulladék kezeléséhez és e hulladék geológiai tárolásához, a radioaktív elemek monitorozásához a reaktorokban stb.
A radiokémia és a sugárkémia kombinációját olyan magreakciók tanulmányozására használják, mint a hasadás és a fúzió . Egy korai jele a hasadási nukleáris valóban a kialakulását a radioizotóp bárium rövid, amelyet elkülönítünk neutronok a urán besugárzott ( 139 Ba, egy felezési ideje 83 perc és 140 Ba, egy felezési 12,8 nap a az urán hasadásának fő termékei ). Abban az időben, azt hitték, hogy egy új izotóp a rádiumot , mint volt szokásos radiokémiai gyakorlatban használni kivált bárium-szulfát transzporter , hogy segítse a izolálását rádium . Újabban számos radiokémiai és magfizikai módszer kombinációját alkalmazták új "szupernehéz" elemek elérésére, valójában úgy gondolják, hogy vannak olyan viszonylagos stabilitású szigetek, ahol a radionuklidok felezési ideje kb. az év, ami jelentősen megnöveli az elkülönítendő új elemek számát.
Ez a kémia kapcsolódik a nukleáris üzemanyag- ciklus bármely részéhez , ideértve az üzemanyag újrafeldolgozását is. Ez a ciklus magában foglalja az összes üzemanyag-előállítással, annak kitermelésével, feldolgozásával és előállítás céljából történő dúsításával kapcsolatos összes műveletet. Ez magában foglalja az üzemanyag viselkedésének vizsgálatát a ciklus vége előtt egy reaktorban kémiai szempontból. Az üzemanyagciklus végén a használt és ezért besugárzott üzemanyag kezelésében magkémia található. Ez a kiégett fűtőelem telepíthető hűtő- vagy száraz tárolóba, mielőtt földalatti hulladéktárolóba helyeznék, vagy újrafeldolgoznák. Ehhez a nukleáris kémia beavatkozása szükséges. A nukleáris üzemanyag- ciklushoz kapcsolódó nukleáris kémia adott esetben két részre osztható. E részek egyike a műveletet érinti, amikor az pontosan meghatározott feltételek mellett történik. A másik rész a reakció körülményeivel foglalkozik, amikor a folyamatot nem tartják be szigorúan, például ha megváltozik a szokásos üzemi körülmények, vagy ritkábban, ha baleset történik.
A nukleáris hulladék jelenlegi hosszú távú terve az, hogy mély raktárba helyezik. Ez a nem-újrafeldolgozási politikát kezdeményezett az Egyesült Államokban az 1977 , ki aggodalmak a nukleáris fegyverek . Ennek ellenére számos ország folytatja a használt üzemanyag újrafeldolgozását. A jelenleg alkalmazott módszer a PUREX módszer , amely a kémia számos aspektusát széles körben alkalmazza. Ez a módszer fejlesztéseken ment keresztül ( UREX módszer ), amely demokratizálható és elterjedhet az egész világon.
A nukleáris kémia másik fontos szempontja annak vizsgálata, hogy a hasadási termékek hogyan hatnak a felületekre. Ez lehetővé teszi a hasadási termékek felszabadulási és migrációs sebességének szabályozását, ha azokat speciális hulladéktartályokba helyezik, vagy egy reaktorban bekövetkező baleset során. Érdekes, hogy a kromáthoz és a molibdáthoz hasonlóan a 99 TcO4 anionja reakcióba léphet acél felületekkel, korrózióálló réteget képezve. Ily módon ezek az anionok anódos korróziógátlóként hatnak. A 99 TcO2 képződése acél felületeken késlelteti a 99 Tc felszabadulását a nukleáris hulladékok és anyagok dobjából, ha ezek a szennyezésmentesítés előtt elvesznek (például katonai tengeralattjárók reaktoraihoz használt módszer, ha a tengeren elvesznek) . Ez a 99 TcO2 réteg az anódos korróziós reakció gátlásával passzívvá teszi az acél felületét. A technécium radioaktív jellege miatt ez a korrózióvédelem szinte minden helyzetben nagyon hasznos és praktikus. Kimutatták azt is, hogy 99 TcO4 anion reakcióba lépve az aktív szén (pl. Szén) felületén vagy az alumíniumon réteget képez. A nukleáris hulladékban lévő 99 Tc a 99 TcO4 aniontól eltérő formában is létezhet , ezeknek a más formáknak különböző kémiai tulajdonságaik vannak. Hasonlóképpen, a jód-131 felszabadulása súlyos reaktorbaleset során késleltetheti az atomerőmű belsejében lévő fémfelületeken történő felszívódással.
Bizonyos módszerek, amelyeket először a kémia és a magfizika területén fejlesztettek ki, olyan széles körben elterjedtek a kémia és más fizikai tudományok területén, hogy elkülönülnek tekinthetők a nukleáris kémiától. Például az izotópos hatást kémiai mechanizmusok tanulmányozására használják, a kozmogén izotópok és a hosszú távon instabil izotópok használatát a geológiában. Ezért tekinthetjük az izotópkémia nagy részét elválasztottnak a nukleáris kémiától.
Mint fentebb említettük, a kozmogén izotópokat a geológiában használják. Ezeket valóban a kozmikus sugarak kölcsönhatása képezi egy atom magjával, ami lehetővé teszi, hogy randevú célokra felhasználják őket. Ezek az izotópok természetes nyomjelzőként is használhatók. Ezenkívül bizonyos stabil radioizotópok gondos mérésével új információk nyerhetők a jégminták koráról, a kőzetek koráról, vagy még szokatlanabb módon a jég étrendjének megismerése. " személy egy hajszálon vagy a bőrszövet mintáján keresztül.
Az élőlényekben vannak izotópos markerek (mind radioaktív, mind nem radioaktívak), amelyek segítségével nyomon lehet követni, hogy a szervezet anyagcseréjét alkotó reakciók bonyolult hálója hogyan alakítja át az egyik anyagot másikká. Például egy zöld növény a fény energiáját felhasználva fotoszintézissel átalakítja a vizet és a szén-dioxidot glükózzá. Így ha a vízben lévő oxigént jelöljük, akkor rájövünk, hogy az izotópos jel a növény által képzett gáz halmazállapotú oxigénben jelenik meg, és nem a növény sejtjeinek kloroplasztikájában képződő glükózban. Ez egy példa a módszer alkalmazására, amely lehetővé teszi a felfedezéseket. A biokémiai és fiziológiai kísérletekhez, valamint az orvosi módszerekhez számos specifikus izotóp fontos alkalmazással rendelkezik.
Szerves szintézissel lehetséges egy komplex molekula létrehozása radioaktív jelzéssel, amely a molekula kis részére korlátozódik. Rövid felezési idejű izotópok - például 11 C - esetében nagyon gyors szintézis módszereket dolgoztak ki, amelyek lehetővé teszik a radioaktív izotóp gyors hozzáadását a molekulához.
Az NMR spektroszkópia a magok spinjét használja . Ennek a spektroszkópiai eszköznek a szintetikus kémia és a szerves molekulák tanulmányozása során a szokásos alkalmazása lett . NMR képalkotás is használják, és ez is támaszkodik a centrifugálás a magok. Vannak alkalmazások az orvostudományban. Részletes képeket adhat az ember belsejéről sugárzás nélkül . Orvosi környezetben az NMR- t gyakran egyszerűen "mágneses rezonancia" képalkotásnak vagy MRI-nek nevezik, de a "nukleáris" szó (itt csak a folyamat által használt hidrogénatomok magjára vonatkozik) sok ember számára negatív jelentést mutat, ez az utolsó szó fokozatosan eltűnt a kifejezésből.