Química nuclear: história, campo de estudo, áreas, aplicações

A química nuclear é o estudo de alterações nas propriedades dos produtos de fenómenos de matéria ocorreu em núcleos de átomos; Não estuda a maneira pela qual seus elétrons interagem ou se ligam a outros átomos do mesmo ou de diferentes elementos.

Esse ramo da química se concentra nos núcleos e energias liberados quando eles adicionam ou perdem algumas de suas partículas; que são chamados de núcleons e que, para fins químicos, consistem essencialmente em prótons e nêutrons.

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Trevo radioativo. Fonte: Pixabay

Muitas reações nucleares consistem em uma mudança no número de prótons e / ou nêutrons, o que resulta na transformação de um elemento em outro; sonho antigo dos alquimistas, que tentaram inutilmente converter chumbo metal em ouro.

O que foi dito acima é talvez a característica mais surpreendente das reações nucleares. No entanto, essas transformações liberam enormes quantidades de energia, além de partículas aceleradas que conseguem penetrar e destruir a matéria ao seu redor (como o DNA de nossas células), dependendo da energia associada.

Ou seja, em uma reação nuclear são liberados diferentes tipos de radiação e, quando um átomo ou isótopo libera radiação, é dito que é radioativo (radionuclídeos). Alguma radiação pode ser inofensiva e até benigna, usada para combater células cancerígenas ou estudar o efeito farmacológico de certos medicamentos por marcação radioativa.

Outras radiações, por outro lado, são destrutivas e mortais com o mínimo de contato. Infelizmente, várias das piores catástrofes da história carregam consigo o símbolo da radioatividade (trevo radioativo, imagem de cima).

Das armas nucleares aos episódios de Chernobyl e a desgraça dos resíduos radioativos e seus efeitos na vida selvagem, existem muitos desastres causados ​​pela energia nuclear. Por outro lado, a energia nuclear garantiria a independência de outras fontes de energia e os problemas de poluição que elas acarretam.

Seria (provavelmente) energia limpa, capaz de alimentar as cidades por uma eternidade, e a tecnologia excederia seus limites terrestres.

Para conseguir tudo isso com o menor custo humano (e planetário), são necessários programas e esforços científicos, tecnológicos, ecológicos e políticos para “domar” e “imitar” a energia nuclear de maneira segura e benéfica para a humanidade e seu crescimento. enérgico

História da química nuclear

Amanhecer

Deixando no passado os alquimistas e a pedra filosofal (embora seus esforços tenham produzido frutos de importância vital para a compreensão da química), a química nuclear nasceu quando o que era conhecido por radioatividade foi detectado pela primeira vez.

Tudo começou na descoberta de raios-X por Wilhelm Conrad Röntgen (1895), na Universidade de Wurzburg. Ele estudou os raios catódicos quando percebeu que estes originavam uma estranha fluorescência, mesmo com o aparelho desligado, capaz de transferir o papel preto opaco que cobria os tubos nos quais os experimentos eram realizados.

Henri Becquerel, motivado pelas descobertas dos raios X, projetou seus próprios experimentos para estudá-los a partir de sais fluorescentes, que obscureciam as placas fotográficas, protegidas por papel preto, quando eram excitadas pela luz do sol.

Ele se viu acidentalmente (já que o tempo em Paris estava nublado na época), que os sais de urânio obscureciam as placas fotográficas, independentemente da fonte de luz que as afetava. Ele concluiu então que havia encontrado um novo tipo de radiação: radioatividade.

Obras dos cônjuges Curie

O trabalho de Becquerel serviu de fonte de inspiração para Marie Curie e Pierre Curie se aprofundarem no fenômeno da radioatividade (termo cunhado por Marie Curie).

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Assim, eles procuraram outros minerais (além dos de urânio) que também apresentavam essa propriedade, achando que o mineral pechblende é ainda mais radioativo e, portanto, deve possuir outras substâncias radioativas. Como Ao comparar as correntes elétricas geradas pela ionização das moléculas gasosas ao redor das amostras.

O mineral Pechblende extraiu, após anos de trabalho duro de medições e extrações radiométricas, os elementos radioativos radio (100 mg de uma amostra de 2000 kg) e polônio. Além disso, Curie determinou a radioatividade do elemento tório.

Infelizmente, então os efeitos nocivos dessa radiação começaram a ser descobertos.

As medições de radioatividade foram facilitadas com o desenvolvimento do contador Geiger (tendo Hans Geiger como co-inventor do dispositivo).

Fracionamento do núcleo

Ernest Rutherford observou que cada radioisótopo tinha seu próprio tempo de decaimento, independente da temperatura, e que variava com a concentração e as características dos núcleos.

Ele também mostrou que esses decaimentos radioativos obedecem a uma cinética de primeira ordem, cuja meia-vida ( t 1/2 ) ainda é muito útil hoje. Assim, cada substância que emite radioatividade tem um t 1/2 diferente , que varia de segundos, dias a milhões de anos.

Além de tudo isso, ele propôs um modelo atômico seguindo os resultados de suas experiências irradiando uma folha muito fina de ouro com partículas alfa (núcleos de hélio). Trabalhando novamente com partículas alfa, ele conseguiu a transmutação de átomos de nitrogênio em átomos de oxigênio; isto é, ele conseguiu converter um elemento em outro.

Ao fazer isso, foi demonstrado imediatamente que o átomo não era indivisível e muito menos quando foi bombardeado por partículas aceleradas e nêutrons “lentos”.

Campo de estudo

Prática e teoria

Aqueles que decidem se render aos especialistas em química nuclear podem optar por vários campos de estudo ou pesquisa, além de diferentes campos de trabalho. Como muitos ramos da ciência, eles podem se envolver na prática ou na teoria (ou ambas ao mesmo tempo) em seus campos correspondentes.

Um exemplo cinematográfico é visto em filmes de super-heróis, onde os cientistas conseguem que um indivíduo adquira super poderes (como Hulk, o Quarteto Fantástico, Homem-Aranha e Doutor Manhattan).

Na vida real (pelo menos superficialmente), os químicos nucleares procuram projetar novos materiais capazes de suportar a enorme resistência nuclear.

Esses materiais, como a instrumentação, devem ser indestrutíveis e especiais o suficiente para isolar a emissão de radiação e as enormes temperaturas desencadeadas no início das reações nucleares; especialmente os de fusão nuclear.

Em teoria, eles podem projetar simulações para estimar primeiro a viabilidade de certos projetos e como melhorá-los com o menor custo e impacto negativo; ou modelos matemáticos que permitem desvendar os mistérios pendentes do núcleo.

Eles também estudam e propõem maneiras de armazenar e / ou tratar resíduos nucleares, uma vez que leva bilhões de anos para se decompor e é altamente poluente.

Trabalhos típicos

Abaixo está uma breve lista dos trabalhos típicos que um químico nuclear pode fazer:

-Eles conduzem pesquisas em laboratórios governamentais, industriais ou acadêmicos.

-Eles processam centenas de dados através de pacotes estatísticos e análises multivariadas.

-Eles dão aulas nas universidades.

-Desenvolver fontes seguras de radioatividade para várias aplicações que envolvam o público em geral ou para uso em dispositivos aeroespaciais.

-Projetar técnicas e dispositivos que detectem e monitorem a radioatividade no ambiente.

-Eles garantem que nos laboratórios as condições são ótimas no manuseio do material radioativo; que eles conseguem manipular mesmo usando braços robóticos.

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-Como técnicos, eles mantêm dosímetros e coletam amostras radioativas.

Áreas de atuação

A seção anterior descreveu em termos gerais quais são as tarefas de um químico nuclear em seu local de trabalho. Agora, um pouco mais é especificado sobre diferentes áreas nas quais o uso ou estudo de reações nucleares está presente.

Radioquímica

Na radioquímica, o próprio processo de radiação é estudado. Isso significa que considera todos os radioisótopos em profundidade, bem como seu tempo de decaimento, a radiação que liberam (alfa, beta ou gama), seu comportamento em diferentes ambientes e suas possíveis aplicações.

Talvez essa seja a área da química nuclear que mais avançou hoje em comparação com as outras. Ele foi contratado para usar radioisótopos e doses moderadas de radiação de maneira inteligente e amigável.

Energia nuclear

Nesta área, os químicos nucleares, juntamente com pesquisadores de outras especialidades, estudam e projetam métodos seguros e controláveis ​​para aproveitar a energia nuclear resultante da fissão dos núcleos; isto é, seu fracionamento.

Da mesma forma, propõe-se fazer o mesmo com as reações de fusão nuclear, como aqueles que gostariam de domar pequenas estrelas que contribuem com sua energia; com o impedimento de que as condições sejam avassaladoras e não haja material físico capaz de resistir a elas (imagine cercar o sol em uma gaiola que não é fundada pelo calor intenso).

A energia nuclear pode muito bem ser usada para fins de caridade, ou para fins militares, no desenvolvimento de mais armamentos.

Armazenamento e resíduos

O problema que o lixo nuclear representa é muito sério e ameaçador. É por esse motivo que nesta área eles se dedicam a elaborar estratégias para “aprisioná-los” de tal maneira que a radiação que emitem não passa pela sua concha de contenção; peitoral, que deve ser capaz de suportar terremotos, inundações, altas pressões e temperaturas, etc.

Radioatividade artificial

Todos os elementos transurânicos são radioativos. Eles foram sintetizados por diferentes técnicas, incluindo: o bombardeio de núcleos com nêutrons ou outras partículas aceleradas.

Para isso, foram utilizados aceleradores lineares ou ciclotrons (em forma de D). Dentro deles, as partículas aceleram a velocidades próximas às da luz (300.000 km / s) e colidem com um alvo.

Assim, vários elementos radioativos artificiais nasceram e sua abundância na Terra é zero (embora possam existir naturalmente nas regiões do Cosmos).

Em alguns aceleradores, o poder das colisões é tal que ocorre um colapso da matéria. Analisando os fragmentos, que mal podem ser detectados devido à sua curta vida útil, o compêndio de partículas atômicas é mais conhecido.

Aplicações

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Torres de resfriamento de uma usina nuclear. Fonte: Pixabay

A imagem acima mostra duas torres de resfriamento características de usinas nucleares, cuja usina pode alimentar uma cidade inteira de energia elétrica; por exemplo, a fábrica de Springfield, onde Homer Simpson trabalha, e da qual o Sr. Burns é dono.

Em seguida, as usinas nucleares usam a energia liberada pelos reatores nucleares para atender a uma necessidade energética. Esta é a aplicação ideal e promissora da química nuclear: energia ilimitada.

Ao longo do artigo, foi mencionada, implicitamente, inúmeras aplicações da química nuclear. Outras aplicações não tão óbvias, mas presentes na vida cotidiana, são as seguintes.

Remédio

Uma técnica para esterilizar o material cirúrgico é irradiá-lo com radiação gama. Destrói completamente os microorganismos que eles podem abrigar. Como o processo é frio, certos materiais biológicos, sensíveis a altas temperaturas, também podem ser submetidos a essas doses de radiação.

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O efeito farmacológico, a distribuição e a eliminação dos novos medicamentos são avaliados pelo uso de radioisótopos. Com um detector de radiação emitida, você pode ter uma imagem real da distribuição da droga no corpo.

Esta imagem permite determinar por quanto tempo a droga atua em um determinado tecido; se não absorver adequadamente, ou se permanecer dentro por mais tempo do que o adequado.

Conservação de alimentos

Da mesma forma, os alimentos armazenados podem ser irradiados com uma dose moderada de radiação gama. É responsável por eliminar e destruir bactérias, mantendo os alimentos comestíveis por mais tempo.

Por exemplo, um pacote de morangos pode ser mantido fresco após quinze dias de armazenamento usando essa técnica. A radiação é tão fraca que não penetra na superfície dos morangos; e, portanto, eles não são contaminados, nem se tornam “morangos radioativos”.

Detectores de fumaça

Dentro dos detectores de fumaça, existem apenas alguns miligramas de amerício ( 241 horas). Esse metal radioativo nessas quantidades exibe radiação inofensiva às pessoas presentes sob os telhados.

O 241 Am emite partículas alfa e raios gama de baixa energia, sendo esses raios capazes de escapar do detector. As partículas alfa ionizam as moléculas de oxigênio e nitrogênio no ar. Dentro do detector, uma diferença de tensão coleta e ordena os íons, produzindo uma leve corrente elétrica.

Os íons acabam em diferentes eletrodos. Quando o fumo entra na câmara interna do detector, ele absorve as partículas alfa e a ionização do ar é interrompida. Consequentemente, a corrente elétrica para e um alarme é ativado.

Eliminação de Pragas

Na agricultura, radiação moderada tem sido usada para aniquilar insetos indesejáveis ​​das culturas. Assim, evita-se o uso de inseticidas altamente poluentes. Isso reduz o impacto negativo nos solos, nas águas subterrâneas e nas próprias culturas.

Namoro

Com a ajuda de radioisótopos, a idade de certos objetos pode ser determinada. Nos estudos arqueológicos, isso é de grande interesse, pois permite que as amostras sejam separadas e colocadas nos tempos correspondentes. O radioisótopo usado para esta aplicação é, por excelência, carbono 14 ( 14 C). Seu t 1/2 tem 5700 anos e as amostras podem ser datadas até 50.000 anos.

O decaimento de 14 ° C tem sido usado especialmente para amostras biológicas, ossos, fósseis, etc. Outros radioisótopos, como 248 U, têm um t 1/2 milhão de anos. Medindo então as concentrações de 248 U em uma amostra de meteoritos, sedimentos e minerais, pode-se determinar se é da mesma idade que a Terra.

Referências

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