CHIMICA NUCLEARE: STORIA, CAMPO DI STUDIO, AMBITI, APPLICAZIONI - CHIMICA - 2025

La chimica nucleare è lo studio dei cambiamenti nelle proprietà del prodotto dei fenomeni della materia avvenuti nei nuclei degli atomi; non studia il modo in cui i suoi elettroni interagiscono o i loro legami con altri atomi dello stesso o di un elemento diverso.

Questo ramo della chimica si concentra quindi sui nuclei e sulle energie rilasciate quando aggiungono o perdono alcune delle loro particelle; che sono chiamati nucleoni e che per scopi chimici sono essenzialmente costituiti da protoni e neutroni.

Trifoglio radioattivo. Fonte: Pixabay.

Molte reazioni nucleari consistono in una variazione del numero di protoni e / o neutroni, che ha come conseguenza la trasformazione di un elemento in un altro; antico sogno degli alchimisti, che tentarono invano di trasformare il piombo in oro.

Questa è forse la caratteristica più sorprendente delle reazioni nucleari. Tuttavia, tali trasformazioni rilasciano enormi quantità di energia, così come particelle accelerate che riescono a penetrare e distruggere la materia intorno a loro (come il DNA delle nostre cellule) a seconda della loro energia associata.

Cioè, in una reazione nucleare vengono rilasciati diversi tipi di radiazioni e quando un atomo o un isotopo rilascia radiazioni, si dice che sia radioattivo (radionuclidi). Alcune radiazioni possono essere innocue e persino benigne, utilizzate per combattere le cellule tumorali o studiare l'effetto farmacologico di alcuni farmaci mediante etichettatura radioattiva.

Altre radiazioni, invece, sono distruttive e mortali al minimo contatto. Purtroppo, molte delle peggiori catastrofi della storia portano il simbolo della radioattività (trifoglio radioattivo, immagine in alto).

Dalle armi nucleari, agli episodi di Chernobyl e alla sfortuna delle scorie radioattive e ai suoi effetti sulla fauna selvatica, sono molti i disastri innescati dall'energia nucleare. Ma, d'altra parte, l'energia nucleare garantirebbe l'indipendenza da altre fonti energetiche e dai problemi di inquinamento che provocano.

Sarebbe (probabilmente) energia pulita, in grado di alimentare le città per un'eternità, e la tecnologia supererebbe i suoi limiti terreni.

Per ottenere tutto ciò al minor costo umano (e planetario), sono necessari programmi e sforzi scientifici, tecnologici, ecologici e politici per "domare" e "imitare" l'energia nucleare in modo sicuro e benefico per l'umanità e la sua crescita. energico.

Storia della chimica nucleare

Dawn

Lasciando gli alchimisti e la loro pietra filosofale nel passato (sebbene i loro sforzi abbiano dato frutti di vitale importanza per la comprensione della chimica), la chimica nucleare è nata quando è stata rilevata per la prima volta ciò che è noto come radioattività.

Tutto è iniziato con la scoperta dei raggi X da parte di Wilhelm Conrad Röntgen (1895), presso l'Università di Wurzburg. Stava studiando i raggi catodici quando notò che originavano una strana fluorescenza, anche a dispositivo spento, in grado di penetrare nella carta nera opaca che ricopriva i tubi in cui erano stati condotti gli esperimenti.

Henri Becquerel, motivato dalle scoperte dei raggi X, progettò i propri esperimenti per studiarli utilizzando sali fluorescenti, che scurivano le lastre fotografiche, protette da carta nera, quando erano eccitate dalla luce solare.

È stato riscontrato accidentalmente (poiché il tempo a Parigi era nuvoloso in quel momento), che i sali di uranio oscuravano le lastre fotografiche, indipendentemente dalla fonte di luce che cadeva su di esse. Ha quindi concluso di aver trovato un nuovo tipo di radiazione: la radioattività.

Lavori dei coniugi Curie

Il lavoro di Becquerel è servito come fonte di ispirazione per Marie Curie e Pierre Curie per approfondire il fenomeno della radioattività (un termine coniato da Marie Curie).

Così, hanno cercato altri minerali (oltre all'uranio) che presentassero anche questa proprietà, trovando che la pechblenda minerale è ancora più radioattiva e che quindi deve contenere altre sostanze radioattive. Come? Confrontando le correnti elettriche generate dalla ionizzazione delle molecole di gas attorno ai campioni.

Dopo anni di faticoso lavoro di estrazione e misurazioni radiometriche, ha estratto gli elementi radioattivi radio (100 mg da un campione di 2000 kg) e polonio dalla pechblenda minerale. Inoltre, Curie ha determinato la radioattività dell'elemento torio.

Sfortunatamente, a quel punto si stavano cominciando a scoprire gli effetti dannosi di tali radiazioni.

Le misurazioni della radioattività sono state facilitate con lo sviluppo del contatore Geiger (avendo Hans Geiger come co-inventore del manufatto).

Frazionamento dei nuclei

Ernest Rutherford osservò che ogni radioisotopo aveva il proprio tempo di decadimento, indipendente dalla temperatura, e che variava con la concentrazione e le caratteristiche dei nuclei.

Ha anche dimostrato che questi decadimenti radioattivi obbediscono alla cinetica di primo ordine, le cui emivite (t _1/2 ) sono ancora oggi molto utili. Pertanto, ogni sostanza che emette radioattività ha un t _1/2 diverso , che va da secondi, giorni a milioni di anni.

Oltre a tutto quanto sopra, ha proposto un modello atomico come risultato dei risultati dei suoi esperimenti che irradiano un foglio d'oro molto sottile con particelle alfa (nuclei di elio). Lavorando ancora con le particelle alfa, ottenne la trasmutazione degli atomi di azoto in atomi di ossigeno; in altre parole, era riuscito a convertire un elemento in un altro.

Così facendo, si dimostrò subito che l'atomo non era indivisibile, e ancor meno quando veniva bombardato da particelle accelerate e neutroni "lenti".

Campo di studi

Pratica e teoria

Chi decide di entrare a far parte degli specialisti di chimica nucleare può scegliere tra diversi campi di studio o di ricerca, oltre a diversi ambiti di lavoro. Come molte branche della scienza, possono essere dedicate alla pratica o alla teoria (o entrambe allo stesso tempo) nei campi corrispondenti.

Un esempio cinematografico si vede nei film di supereroi, dove gli scienziati fanno acquisire a un individuo dei super poteri (come Hulk, i fantastici quattro, Spiderman e Doctor Manhattan).

Nella vita reale (almeno superficialmente), i chimici nucleari cercano invece di progettare nuovi materiali in grado di resistere a un'enorme resistenza nucleare.

Questi materiali, come la strumentazione, devono essere indistruttibili e abbastanza speciali da isolare l'emissione di radiazioni e le enormi temperature che si sprigionano quando si iniziano le reazioni nucleari; soprattutto quelli della fusione nucleare.

In teoria, possono progettare simulazioni per stimare prima la fattibilità di determinati progetti e come migliorarli al minor costo e impatto negativo; o modelli matematici che permettano di svelare i misteri incombenti del nucleo.

Allo stesso modo, studiano e propongono modi per immagazzinare e / o trattare i rifiuti nucleari, poiché impiegano miliardi di anni per decomporsi ed è altamente inquinante.

Lavori tipici

Ecco un breve elenco di lavori tipici che un chimico nucleare può svolgere:

-Ricerca diretta in laboratori governativi, industriali o accademici.

-Elabora centinaia di dati attraverso pacchetti statistici e analisi multivariata.

-Insegnano lezioni nelle università.

-Sviluppare sorgenti di radioattività sicure per varie applicazioni che coinvolgono un pubblico generico o per l'uso in dispositivi aerospaziali.

-Tecniche di progettazione e dispositivi che rilevano e monitorano la radioattività nell'ambiente.

-Garantire che le condizioni di laboratorio siano ottimali per la manipolazione di materiale radioattivo; che manipolano persino usando braccia robotiche.

-Come tecnici, mantengono i dosimetri e raccolgono campioni radioattivi.

le zone

La sezione precedente descriveva in termini generali quali sono i compiti di un chimico nucleare nel suo posto di lavoro. Ora, viene specificato un po 'di più sulle diverse aree in cui è presente l'uso o lo studio delle reazioni nucleari.

Radiochimica

In radiochimica, viene studiato il processo di radiazione stesso. Ciò significa che considera in profondità tutti i radioisotopi, nonché il loro tempo di decadimento, la radiazione che rilasciano (alfa, beta o gamma), il loro comportamento nei diversi ambienti e le loro possibili applicazioni.

Questa è forse l'area della chimica nucleare che oggi è più avanzata rispetto alle altre. È stato incaricato di utilizzare radioisotopi e dosi moderate di radiazioni in modo intelligente e amichevole.

Energia nucleare

In quest'area, i chimici nucleari, insieme a ricercatori di altre specialità, studiano e progettano metodi sicuri e controllabili per sfruttare l'energia nucleare prodotta dalla fissione dei nuclei; cioè del suo frazionamento.

Allo stesso modo, si propone di fare lo stesso con le reazioni di fusione nucleare, come quelle che vorrebbero domare piccole stelle che forniscono la loro energia; con l'impedimento che le condizioni siano opprimenti e non ci sia materiale fisico in grado di resistervi (immaginate di racchiudere il sole in una gabbia che non si scioglie per il caldo intenso).

L'energia nucleare potrebbe essere utilizzata per scopi di beneficenza, o per scopi bellici, nello sviluppo di più armi.

Stoccaggio e rifiuti

Il problema rappresentato dalle scorie nucleari è molto grave e minaccioso. È per questo motivo che in quest'area si dedicano all'elaborazione di strategie per "imprigionarli" in modo tale che la radiazione che emettono non penetri nel loro guscio di contenimento; shell, che deve essere in grado di resistere a terremoti, alluvioni, alte pressioni e temperature, ecc.

Radioattività artificiale

Tutti gli elementi transuranici sono radioattivi. Sono stati sintetizzati utilizzando diverse tecniche, tra cui: il bombardamento di nuclei con neutroni o altre particelle accelerate.

Per questo, sono stati utilizzati acceleratori lineari o ciclotroni (che sono a forma di D). Al loro interno, le particelle vengono accelerate a velocità prossime a quelle della luce (300.000 km / s), quindi entrano in collisione con un bersaglio.

Pertanto, sono nati diversi elementi radioattivi artificiali e la loro abbondanza sulla Terra è nulla (sebbene possano esistere naturalmente nelle regioni del Cosmo).

In alcuni acceleratori la potenza delle collisioni è tale che si verifica una disintegrazione della materia. Analizzando i frammenti, che difficilmente possono essere rilevati a causa della loro breve durata, è stato possibile saperne di più sul compendio delle particelle atomiche.

applicazioni

Torri di raffreddamento di una centrale nucleare. Fonte: Pixabay.

L'immagine sopra mostra due torri di raffreddamento caratteristiche delle centrali nucleari, il cui impianto può fornire elettricità a un'intera città; per esempio, lo stabilimento di Springfield, dove lavora Homer Simpson, e di proprietà di Mr. Burns.

Quindi, le centrali nucleari utilizzano l'energia rilasciata dai reattori nucleari per soddisfare un fabbisogno energetico. Questa è l'applicazione ideale e promettente della chimica nucleare: energia illimitata.

In tutto l'articolo si è parlato, implicitamente, di numerose applicazioni della chimica nucleare. Altre applicazioni non così scontate, ma presenti nella vita quotidiana, sono le seguenti di seguito.

Medicinale

Una tecnica per sterilizzare il materiale chirurgico è irradiarlo con radiazioni gamma. Questo distrugge completamente i microrganismi che possono ospitare. Il processo è a freddo, quindi anche alcuni materiali biologici, sensibili alle alte temperature, possono essere soggetti a tali dosi di radiazioni.

L'effetto farmacologico, la distribuzione e l'eliminazione dei nuovi farmaci viene valutato mediante l'utilizzo di radioisotopi. Con un rilevatore di radiazioni emesse, è possibile avere un'immagine reale della distribuzione del farmaco nel corpo.

Questa immagine consente di determinare per quanto tempo il farmaco agisce su un determinato tessuto; se non si assorbe correttamente o se rimane al chiuso più a lungo del necessario.

Conservazione del cibo

Allo stesso modo, il cibo conservato può essere irradiato con una dose moderata di radiazioni gamma. Questo è responsabile dell'eliminazione e della distruzione dei batteri, mantenendo il cibo commestibile per un tempo più lungo.

Ad esempio, un pacchetto di fragole può essere mantenuto fresco anche dopo 15 giorni di conservazione utilizzando questa tecnica. La radiazione è così debole da non penetrare nella superficie delle fragole; e quindi, non sono contaminati, né diventano "fragole radioattive".

Rilevatori di fumo

All'interno dei rilevatori di fumo ci sono solo pochi milligrammi di americio ( ²⁴¹ Am). Questo metallo radioattivo a queste quantità mostra radiazioni innocue per le persone presenti sotto i tetti.

Il ²⁴¹ Am emette particelle alfa e raggi gamma a bassa energia, che possono sfuggire al rivelatore. Le particelle alfa ionizzano le molecole di ossigeno e azoto nell'aria. All'interno del rilevatore, una differenza di tensione raccoglie e ordina gli ioni, producendo una leggera corrente elettrica.

Gli ioni finiscono su diversi elettrodi. Quando il fumo entra nella camera interna del rilevatore, assorbe le particelle alfa e la ionizzazione dell'aria viene interrotta. Di conseguenza, la corrente elettrica viene interrotta e viene attivato un allarme.

Eliminazione dei parassiti

In agricoltura, sono state utilizzate radiazioni moderate per uccidere gli insetti indesiderati sui raccolti. Si evita così l'utilizzo di insetticidi altamente inquinanti. Ciò riduce l'impatto negativo sul suolo, sulle acque sotterranee e sulle colture stesse.

Incontri

Con l'aiuto dei radioisotopi, è possibile determinare l'età di alcuni oggetti. Negli studi archeologici questo è di grande interesse poiché consente di separare i campioni e posizionarli nei tempi corrispondenti. Il radioisotopo utilizzato per questa applicazione è il carbonio 14 ( ¹⁴ C) per eccellenza . Il suo t _1/2 è 5700 anni e i campioni possono essere datati fino a 50.000 anni.

Il decadimento di ¹⁴ C è stato utilizzato soprattutto per campioni biologici, scheletri, fossili, ecc. Altri radioisotopi, come ²⁴⁸ U, hanno t _1/2 milione di anni. Misurando quindi le concentrazioni di ²⁴⁸ U in un campione di meteoriti, sedimenti e minerali, si può determinare se ha la stessa età della Terra.

Riferimenti

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