الكيمياء النووية: التاريخ ، مجال الدراسة ، المجالات ، التطبيقات - كيمياء - 2026

في الكيمياء النووية هو دراسة التغيرات في خصائص المنتج من وقوع الظواهر المسألة في نوى الذرات. لا تدرس الطريقة التي تتفاعل بها إلكتروناتها أو روابطها مع ذرات أخرى من نفس العنصر أو عنصر مختلف.

ثم يركز هذا الفرع من الكيمياء على النوى والطاقات المنبعثة عندما تضيف أو تفقد بعض جزيئاتها ؛ والتي تسمى النوكليونات والتي تتكون أساسًا من البروتونات والنيوترونات لأغراض كيميائية.

البرسيم المشع. المصدر: Pixabay.

تتكون العديد من التفاعلات النووية من تغيير في عدد البروتونات و / أو النيوترونات ، مما يؤدي إلى تحول عنصر إلى آخر ؛ الحلم القديم للكيميائيين ، الذين حاولوا عبثًا تحويل معدن الرصاص إلى ذهب.

ربما تكون هذه هي الخاصية الأكثر إثارة للدهشة للتفاعلات النووية. ومع ذلك ، فإن مثل هذه التحولات تطلق كميات هائلة من الطاقة ، وكذلك الجسيمات المتسارعة التي تتمكن من اختراق وتدمير المادة من حولها (مثل الحمض النووي لخلايانا) اعتمادًا على الطاقة المرتبطة بها.

أي أنه في تفاعل نووي يتم إطلاق أنواع مختلفة من الإشعاع ، وعندما تطلق ذرة أو نظير إشعاعات ، يُقال إنها مشعة (النويدات المشعة). قد تكون بعض الإشعاعات غير ضارة ، وحتى حميدة ، وتستخدم لمحاربة الخلايا السرطانية أو دراسة التأثير الدوائي لبعض الأدوية عن طريق وضع العلامات المشعة.

من ناحية أخرى ، تكون الإشعاعات الأخرى مدمرة ومميتة عند الحد الأدنى من الاتصال. للأسف ، تحمل العديد من أسوأ الكوارث في التاريخ رمز النشاط الإشعاعي (البرسيم المشع ، الصورة العلوية).

من الأسلحة النووية إلى أحداث تشيرنوبيل ومصائب النفايات المشعة وآثارها على الحياة البرية ، هناك العديد من الكوارث التي تسببها الطاقة النووية. ولكن ، من ناحية أخرى ، ستضمن الطاقة النووية الاستقلال عن مصادر الطاقة الأخرى ومشاكل التلوث التي تسببها.

ستكون (على الأرجح) طاقة نظيفة ، قادرة على تزويد المدن بالطاقة إلى الأبد ، وستتجاوز التكنولوجيا حدودها الأرضية.

لتحقيق كل هذا بأقل تكلفة بشرية (وكوكبية) ، هناك حاجة إلى برامج وجهود علمية وتكنولوجية وبيئية وسياسية لـ "ترويض" و "محاكاة" الطاقة النووية بطريقة آمنة ومفيدة للبشرية ونموها. نشيط.

تاريخ الكيمياء النووية

فجر

ترك الكيميائيون وحجر فيلسوفهم في الماضي (على الرغم من أن جهودهم أثمرت أهمية حيوية لفهم الكيمياء) ، ولدت الكيمياء النووية عندما تم اكتشاف ما يعرف بالنشاط الإشعاعي لأول مرة.

بدأ كل شيء باكتشاف الأشعة السينية بواسطة Wilhelm Conrad Röntgen (1895) في جامعة Wurzburg. كان يدرس أشعة الكاثود عندما لاحظ أنها نشأت في تألق غريب ، حتى مع إيقاف تشغيل الجهاز ، قادرًا على اختراق الورق الأسود المعتم الذي يغطي الأنابيب التي أجريت فيها التجارب.

صمم Henri Becquerel ، بدافع من اكتشافات الأشعة السينية ، تجاربه الخاصة لدراستها باستخدام أملاح الفلورسنت ، التي تغميق لوحات التصوير ، المحمية بورق أسود ، عندما تكون متحمسة لأشعة الشمس.

تم العثور مصادفة (بما أن الطقس في باريس كان غائمًا في ذلك الوقت) ، أن أملاح اليورانيوم حجبت لوحات التصوير ، بغض النظر عن مصدر الضوء الذي سقط عليها. ثم خلص إلى أنه وجد نوعًا جديدًا من الإشعاع: النشاط الإشعاعي.

وظائف أزواج كوري

كان عمل بيكريل مصدر إلهام لماري كوري وبيير كوري للتعمق في ظاهرة النشاط الإشعاعي (مصطلح صاغته ماري كوري).

وهكذا ، بحثوا عن معادن أخرى (بالإضافة إلى اليورانيوم) قدمت أيضًا هذه الخاصية ، ووجدوا أن معدن البتشبلند أكثر إشعاعًا ، وبالتالي ، يجب أن يحتوي على مواد مشعة أخرى. كيف؟ بمقارنة التيارات الكهربائية الناتجة عن تأين جزيئات الغاز حول العينات.

بعد سنوات من العمل الشاق في الاستخراج والقياسات الإشعاعية ، استخرج العناصر المشعة الراديوم (100 مجم من عينة 2000 كجم) والبولونيوم من معدن البتشبلند. أيضًا ، حدد كوري النشاط الإشعاعي لعنصر الثوريوم.

لسوء الحظ ، بحلول ذلك الوقت ، بدأ اكتشاف الآثار الضارة لهذا الإشعاع.

تم تسهيل قياسات النشاط الإشعاعي من خلال تطوير عداد جيجر (وجود هانز جيجر كمخترع مشارك للقطعة الأثرية).

تجزئة النواة

لاحظ إرنست رذرفورد أن كل نظير مشع له وقت تحلل خاص به ، بغض النظر عن درجة الحرارة ، وأنه يختلف باختلاف تركيز وخصائص النوى.

كما أظهر أيضًا أن هذه التحلل الإشعاعي تخضع للحركية من الدرجة الأولى ، والتي لا تزال نصف عمرها (t _1/2) مفيدة للغاية حتى اليوم. وبالتالي ، فإن كل مادة تصدر نشاطًا إشعاعيًا لها مقدار مختلف من t _1/2 ، والذي يتراوح من ثوانٍ وأيام إلى ملايين السنين.

بالإضافة إلى كل ما سبق ، اقترح نموذجًا ذريًا كنتيجة لنتائج تجاربه بإشعاع ورقة رقيقة جدًا من الذهب بجزيئات ألفا (نوى الهيليوم). بالعمل مرة أخرى مع جسيمات ألفا ، تمكن من تحويل ذرات النيتروجين إلى ذرات أكسجين. بمعنى آخر ، تمكن من تحويل عنصر إلى آخر.

عند القيام بذلك ، تبين على الفور أن الذرة ليست غير قابلة للتجزئة ، وحتى أقل عندما تم قصفها بواسطة جسيمات متسارعة ونيوترونات "بطيئة".

مجال الدراسة

الممارسة والنظرية

يمكن لأولئك الذين يقررون أن يصبحوا جزءًا من متخصصي الكيمياء النووية الاختيار من بين العديد من مجالات الدراسة أو البحث ، بالإضافة إلى مجالات العمل المختلفة. مثل العديد من فروع العلم ، يمكن تكريسها للممارسة أو النظرية (أو كليهما في نفس الوقت) في المجالات المقابلة لها.

يُرى مثال سينمائي في أفلام الأبطال الخارقين ، حيث يحصل العلماء على فرد لاكتساب قوى خارقة (مثل Hulk ، و The Fantastic Four ، و Spiderman ، و Doctor Manhattan).

في الحياة الواقعية (سطحيًا على الأقل) ، يسعى الكيميائيون النوويون بدلاً من ذلك إلى تصميم مواد جديدة قادرة على تحمل المقاومة النووية الهائلة.

يجب أن تكون هذه المواد ، مثل الأجهزة ، غير قابلة للتدمير وأن تكون خاصة بما يكفي لعزل انبعاث الإشعاع ودرجات الحرارة الهائلة التي يتم إطلاقها عند بدء التفاعلات النووية ؛ خاصة تلك المتعلقة بالاندماج النووي.

من الناحية النظرية ، يمكنهم تصميم عمليات محاكاة لتقدير أولاً جدوى بعض المشاريع وكيفية تحسينها بأقل تكلفة وتأثير سلبي ؛ أو النماذج الرياضية التي تسمح لكشف الألغاز المعلقة للنواة.

وبالمثل ، فهم يدرسون ويقترحون طرقًا لتخزين و / أو معالجة النفايات النووية ، حيث يستغرق تحللها مليارات السنين وهي ملوثة للغاية.

وظائف نموذجية

فيما يلي قائمة قصيرة بالوظائف النموذجية التي يمكن أن يقوم بها الكيميائي النووي:

- البحث المباشر في المعامل الحكومية أو الصناعية أو الأكاديمية.

- معالجة مئات البيانات من خلال الحزم الإحصائية والتحليل متعدد المتغيرات.

- يقومون بتدريس الفصول في الجامعات.

-تطوير مصادر نشاط إشعاعي آمنة لمختلف التطبيقات التي تشمل عامة الناس ، أو لاستخدامها في الأجهزة الفضائية

- تقنيات التصميم والأجهزة التي تكشف وتراقب النشاط الإشعاعي في البيئة.

- ضمان أن ظروف المختبر مثالية للتعامل مع المواد المشعة ؛ حتى أنهم يتلاعبون به باستخدام أذرع آلية.

-كفنيين ، يقومون بصيانة مقاييس الجرعات وجمع العينات المشعة.

المناطق

وصف القسم السابق بعبارات عامة ما هي مهام الكيميائي النووي في مكان عمله. الآن ، يتم تحديد المزيد حول المجالات المختلفة التي يوجد فيها استخدام أو دراسة التفاعلات النووية.

الكيمياء الإشعاعية

في الكيمياء الإشعاعية ، تتم دراسة عملية الإشعاع نفسها. هذا يعني أنه يأخذ في الاعتبار جميع النظائر المشعة بعمق ، بالإضافة إلى وقت تحللها ، والإشعاع الذي تطلقه (ألفا ، بيتا أو جاما) ، وسلوكها في بيئات مختلفة ، وتطبيقاتها الممكنة.

ربما يكون هذا مجال الكيمياء النووية هو الأكثر تقدمًا اليوم مقارنة بالآخرين. كان مسؤولاً عن استخدام النظائر المشعة والجرعات المعتدلة من الإشعاع بطريقة ذكية وودودة.

الطاقة النووية

في هذا المجال ، يقوم الكيميائيون النوويون ، مع باحثين من تخصصات أخرى ، بدراسة وتصميم طرق آمنة ويمكن التحكم فيها للاستفادة من الطاقة النووية الناتجة عن انشطار النوى ؛ وهذا هو ، من تجزئتها.

وبالمثل ، يُقترح أن تفعل الشيء نفسه مع تفاعلات الاندماج النووي ، مثل أولئك الذين يرغبون في ترويض النجوم الصغيرة التي تزودهم بالطاقة ؛ مع إعاقة أن الظروف غامرة ولا توجد مادة فيزيائية قادرة على مقاومتها (تخيل وضع الشمس في قفص لا يذوب بسبب الحرارة الشديدة).

يمكن استخدام الطاقة النووية للأغراض الخيرية ، أو لأغراض الحرب ، في تطوير المزيد من الأسلحة.

التخزين والنفايات

إن المشكلة التي تمثلها النفايات النووية خطيرة للغاية وخطيرة. ولهذا السبب يكرسون جهودهم في هذا المجال لوضع استراتيجيات "لحبسهم" بحيث لا يخترق الإشعاع المنبعث منهم غلاف الاحتواء ؛ الصدفة ، والتي يجب أن تكون قادرة على تحمل الزلازل والفيضانات والضغوط العالية ودرجات الحرارة ، إلخ.

النشاط الإشعاعي الاصطناعي

جميع عناصر ما بعد اليورانيوم مشعة. تم تصنيعها باستخدام تقنيات مختلفة ، بما في ذلك: قصف النوى بالنيوترونات أو الجسيمات المتسارعة الأخرى.

لهذا الغرض ، تم استخدام مسرعات خطية أو سيكلوترونات (على شكل حرف D). داخلها ، تتسارع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء (300000 كم / ث) ، ثم تصطدم بالهدف.

وهكذا ، وُلدت العديد من العناصر الاصطناعية المشعة ، ووفرة هذه العناصر على الأرض معدومة (على الرغم من أنها قد تكون موجودة بشكل طبيعي في مناطق الكون).

في بعض المسرعات ، تكون قوة الاصطدامات من النوع الذي يحدث فيه تفكك للمادة. من خلال تحليل الشظايا ، التي يصعب اكتشافها بسبب قصر عمرها ، أصبح من الممكن معرفة المزيد عن خلاصة وافية للجسيمات الذرية.

التطبيقات

أبراج تبريد لمحطة طاقة نووية. المصدر: Pixabay.

توضح الصورة أعلاه برجي تبريد مميزين لمحطات الطاقة النووية ، والتي يمكن لمحطتها تزويد مدينة بأكملها بالكهرباء ؛ على سبيل المثال ، مصنع Springfield ، حيث يعمل Homer Simpson ، ويملكه السيد Burns.

بعد ذلك ، تستخدم محطات الطاقة النووية الطاقة المنبعثة من المفاعلات النووية لتوفير احتياجات الطاقة. هذا هو التطبيق المثالي والواعد للكيمياء النووية: طاقة غير محدودة.

في جميع أنحاء المقال ، تمت الإشارة بشكل ضمني إلى العديد من تطبيقات الكيمياء النووية. فيما يلي التطبيقات الأخرى غير الواضحة ، ولكنها موجودة في الحياة اليومية.

الدواء

تتمثل إحدى تقنيات تعقيم المواد الجراحية في تشعيعها بأشعة جاما. هذا يدمر الكائنات الحية الدقيقة التي قد تؤويها تمامًا. العملية باردة ، لذا يمكن أيضًا أن تتعرض بعض المواد البيولوجية الحساسة لدرجات الحرارة المرتفعة لهذه الجرعات الإشعاعية.

يتم تقييم التأثير الدوائي وتوزيع وإزالة الأدوية الجديدة من خلال استخدام النظائر المشعة. باستخدام كاشف الإشعاع المنبعث ، يمكنك الحصول على صورة حقيقية لتوزيع الدواء في الجسم.

تتيح هذه الصورة تحديد مدة تأثير الدواء على نسيج معين ؛ إذا فشل في امتصاصه بشكل صحيح ، أو إذا ظل بالداخل لفترة أطول من الوقت المناسب.

حفظ الأغذية

وبالمثل ، يمكن تعريض الطعام المخزن للإشعاع بجرعة معتدلة من أشعة جاما. هذا هو المسؤول عن القضاء على البكتيريا والقضاء عليها ، والحفاظ على الطعام صالحًا للأكل لفترة أطول.

على سبيل المثال ، يمكن الاحتفاظ بعلبة من الفراولة طازجة حتى بعد 15 يومًا من التخزين باستخدام هذه التقنية. يكون الإشعاع ضعيفًا لدرجة أنه لا يخترق سطح الفراولة ؛ وبالتالي ، فهي ليست ملوثة ، ولا تصبح "فراولة مشعة".

أجهزة كشف الدخان

يوجد داخل كاشفات الدخان بضعة مليغرامات من الأميريسيوم (²⁴¹ صباحًا). يُظهر هذا المعدن المشع بهذه الكميات إشعاعًا غير ضار للأشخاص الموجودين تحت الأسطح.

في ²⁴¹ آم تنبعث الجسيمات منخفضة الطاقة ألفا وأشعة غاما، وهذه الأشعة تكون قادرة على الهروب من كاشف. تؤين جسيمات ألفا جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الهواء. داخل الكاشف ، يقوم فرق الجهد بجمع الأيونات وترتيبها ، مما ينتج عنه تيار كهربائي طفيف.

تنتهي الأيونات عند أقطاب كهربائية مختلفة. عندما يدخل الدخان الحجرة الداخلية للكاشف ، فإنه يمتص جزيئات ألفا ويتعطل تأين الهواء. وبالتالي ، يتم إيقاف التيار الكهربائي وتنشيط الإنذار.

القضاء على الآفات

في الزراعة ، تم استخدام إشعاع معتدل لقتل الحشرات غير المرغوب فيها على المحاصيل. وبالتالي ، يتم تجنب استخدام المبيدات الحشرية شديدة التلوث. هذا يقلل من التأثير السلبي على التربة والمياه الجوفية والمحاصيل نفسها.

التعارف

بمساعدة النظائر المشعة ، يمكن تحديد عمر كائنات معينة. في الدراسات الأثرية ، يعد هذا ذا أهمية كبيرة لأنه يسمح بفصل العينات ووضعها في أوقاتها المقابلة. النظائر المشعة المستخدمة لهذا التطبيق هي الكربون 14 (¹⁴ درجة مئوية) بامتياز. يبلغ t _1/2 5700 عام ، ويمكن أن يرجع تاريخ العينات إلى 50000 عام.

تم استخدام تسوس ¹⁴ درجة مئوية خاصة للعينات البيولوجية ، والهياكل العظمية ، والحفريات ، إلخ. النظائر المشعة الأخرى ، مثل ²⁴⁸ يو ، عمرها _نصف مليون سنة. من خلال قياس تركيزات ^{248 وحدة} في عينة من النيازك والرواسب والمعادن ، يمكن تحديد ما إذا كانت في نفس عمر الأرض.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
2. فرانك كينارد. (2019). الكيمياء النووية. تم الاسترجاع من: chemistryexplained.com
3. الكيمياء النووية. (سادس). تم الاسترجاع من: sas.upenn.edu
4. مازور مات. (2019). الجدول الزمني لتاريخ الكيمياء النووية. يسبقون. تم الاسترجاع من: preceden.com
5. سارة إي ونيسة س. (بدون تاريخ). اكتشاف النشاط الإشعاعي. الكيمياء LibreTexts. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
6. سكوتسديل ، بريندا. (سادس). ما أنواع الوظائف التي يقوم بها الكيميائيون النوويون؟ العمل - Chron.com. تم الاسترجاع من: work.chron.com
7. ويكيبيديا. (2019). الكيمياء النووية. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
8. الجمعية الكيميائية الأمريكية. (2019). الكيمياء النووية. وظائف الكيمياء. تم الاسترجاع من: acs.org
9. آلان إي والتار. (2003). التطبيقات الطبية والزراعية والصناعية للتكنولوجيا النووية. مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني.