Πυρηνική Χημεία

Η πυρηνική χημεία είναι ένας κλάδος της χημικής επιστήμης που περιλαμβάνει τη μελέτη του πυρήνα του ατόμου, των δυνάμεων που παίζουν μέσα στον πυρήνα και των αντιδράσεων του όταν υποβάλλονται σε διάφορες διεργασίες. Ασχολείται επίσης με τη ραδιενεργή φύση ορισμένων στοιχείων και την ενέργεια που απελευθερώνεται από τον βομβαρδισμό πυρήνων ατόμων με έναν άλλο πυρήνα. Αυτός ο κλάδος της χημείας ονομάζεται επίσης ραδιοχημεία καθώς ασχολείται με τις αντιδράσεις μεταξύ ατόμων και πυρήνων ραδιενεργών στοιχείων. Η πυρηνική χημεία έχει πολυάριθμες εφαρμογές σε πολλούς διαφορετικούς τομείς, ιδιαίτερα την ιατρική.

Ο Ράδερφορντ αναγνώρισε τρεις τύπους ακτίνων με βάση την αντίδρασή τους στις πλάκες και τους ονόμασε.

1. Οι ακτίνες άλφα φέρουν θετικό φορτίο και δείχνουν συγγένεια προς την αρνητικά φορτισμένη πλάκα.
2. Οι ακτίνες βήτα φέρουν αρνητικό φορτίο και αποκλίνουν προς τη θετική πλάκα.
3. Οι ακτίνες γάμμα είναι εκείνες που δεν δείχνουν καμία απόκλιση ή αντίδραση.

Πυρηνική ενέργεια

Σε αντίθεση με τις συνηθισμένες χημικές αντιδράσεις, οι αντιδράσεις στην πυρηνική χημεία έχουν ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση όχι μόνο του σχηματισμού σωματιδίων αλλά μάλλον τον μετασχηματισμό στοιχείων και κολοσσιαίας ποσότητας ενέργειας που ονομάζεται πυρηνική ενέργεια. Μαζί με αυτό, η ακτινοβολία εκπέμπεται ως ακτινοβολία άλφα, βήτα ή γάμμα.

Τύποι πυρηνικών αντιδράσεων

Αντί να αφήνουν τους πυρήνες να διασπώνται φυσικά, οι άνθρωποι έχουν αναπτύξει δύο μεθόδους που μας επιτρέπουν να διαιρέσουμε ή να συνδυάσουμε τεχνητά τον πυρήνα για να απελευθερώσουμε τεράστιες ποσότητες ενέργειας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με την κατάλληλη υποδομή και τεχνολογία. Οι δύο μέθοδοι είναι:

• Πυρηνική σχάση:Σε αυτήν την αντίδραση, οι πυρήνες ενός βαρύτερου ατόμου βομβαρδίζονται με ένα ταχέως κινούμενο νετρόνιο για να το διασπάσουν σε έναν ελαφρύτερο πυρήνα κάπως παρόμοιας μάζας. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει ενέργεια που μπορεί να υποστεί επεξεργασία και να μετατραπεί σε εναλλακτική μορφή ενέργειας.
• Πυρηνική σύντηξη:Εδώ, δύο ελαφρύτεροι πυρήνες συντήκονται για να δημιουργήσουν βαρύτερους πυρήνες ενώ απελευθερώνουν ακόμη μεγαλύτερη ενέργεια.

Πυρηνικές δυνάμεις

Οι πρωτογενείς δυνάμεις στη δημιουργία δρουν μέσα στον πυρήνα για να δεσμεύσουν τα νουκλεόνια ανταλλάσσοντας γρήγορα πυρηνικά σωματίδια γνωστά ως μεσόνια μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων. Τα σωματίδια που ανταλλάσσονται μπορεί να είναι θετικά, αρνητικά ή ουδέτερα. Αυτές οι δυνάμεις δρουν σε εξαιρετικά μικρές περιοχές που ονομάζονται fermi, όπου ένα fermi είναι ίσο με 10-15 cm. Αυτές οι δυνάμεις είναι πολύ ισχυρότερες από τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη σταθερότητα του πυρήνα

• αναλογία n/p

Είναι ένα από τα ζωτικά σημεία που επηρεάζουν τη σταθερότητα ενός ατόμου. Όταν ένα άτομο έχει τη σωστή αναλογία n/p, παραμένει σταθερό, αλλά αν είναι υψηλότερο από την καθορισμένη αναλογία, ο πυρήνας εκπέμπει β-εκπομπές για να διορθώσει την τιμή του n/p. Με αυτή τη διαδικασία, ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο για να δώσει β και αντινετρίνο, αυξάνοντας έτσι τον αριθμό των πρωτονίων και διορθώνοντας την τιμή n/p. Ομοίως, άτομα με χαμηλή τιμή n/p εκπέμπουν ποζιτρόνια για να καθορίσουν την τιμή n/p τους. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω της τάσης του ατόμου να επιτυγχάνει σταθερότητα.

• Ενέργεια δέσμευσης

Η ενέργεια δέσμευσης αναφέρεται στην ενέργεια που παράγεται όταν ο πυρήνας δημιουργείται ή συντίθεται από τα συστατικά του. Σημαίνει ότι οι πυρήνες με υψηλότερη ενέργεια δέσμευσης έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα από τα άτομα με χαμηλή ενέργεια δέσμευσης. Ο σίδηρος, με την υψηλότερη δεσμευτική ενέργεια, είναι ο πιο σταθερός πυρήνας.

• Κλάσμα συσκευασίας

Το κλάσμα συσκευασίας είναι ένα μέτρο των σχετικών ελαττωμάτων μάζας. Η τιμή του κλάσματος συσκευασίας μπορεί να είναι θετική, μηδενική ή και αρνητική. Υπολογίζεται με τον τύπο:ισοτοπική μάζα – A /A*104. Οι πυρήνες με θετικά κλάσματα συσκευασίας είναι ασταθείς, ενώ εκείνοι με χαμηλότερες τιμές τείνουν να είναι σχετικά πιο σταθεροί.

Ραδιενέργεια 

Οι πυρήνες ενός στοιχείου από τα στοιχεία του μπλοκ F του περιοδικού πίνακα εκπέμπουν ακτινοβολία χωρίς καμία εξωτερική παρέμβαση. Τέτοια στοιχεία είναι γνωστά ως ραδιενεργά στοιχεία. Η υποβάθμιση του στοιχείου από μόνη της ονομάζεται ραδιενέργεια.

Ραδιενέργεια είναι η φυσική υποβάθμιση ή αποσύνθεση ενός στοιχείου χωρίς φυσικούς παράγοντες όπως θερμοκρασία, πίεση κ.λπ. 

• Ραδιενεργή αποσύνθεση

Η ραδιενεργή αποσύνθεση αναφέρεται στο φαινόμενο ενός μεμονωμένου ραδιενεργού πυρήνα να μετατρέπεται σε άλλο με την εκπομπή ακτινοβολίας ανάλογα με τις ανάγκες. Η ακτινοβολία μπορεί να είναι α, β, γ. Εδώ η ακτινοβολία γ είναι ένα επακόλουθο της ραδιενεργής αποσύνθεσης, δηλαδή, αυτός ο τύπος ακτινοβολίας εκπέμπεται μόνο μετά την απελευθέρωση των ακτινοβολιών α και β. Οι Rutherford και Soddy πρότειναν αυτή τη θεωρία το 1903. 

• Ρυθμός αποσύνθεσης 

Ο ρυθμός αποσύνθεσης οποιουδήποτε στοιχείου εξαρτάται από τον αριθμό των ατόμων του δείγματος ραδιενεργού στοιχείου που αποσυντίθενται σε μια μονάδα χρόνου. Ο ρυθμός διάσπασης μπορεί να εκφραστεί ως ρυθμός διάσπασης=-dN/dt ανάλογος του N ή -dN/dt =kN όπου k=σταθερά διάσπασης. Η συνολική διάρκεια ζωής ενός ραδιενεργού στοιχείου είναι πολλές δεκαετίες.

• Χρόνος ημιζωής

Είναι ο χρόνος που χρειάζεται το μισό δείγμα ισοτόπου για να διασπαστεί πλήρως. Thl=0,693/k.

Η δραστηριότητα των ραδιενεργών ουσιών:

Η δραστηριότητα αναφέρεται στον αριθμό των αποσαθρώσεων σε ένα ραδιενεργό στοιχείο ανά δευτερόλεπτο. τα στοιχεία με υψηλό επίπεδο ακτινοβολίας αποσυντίθενται ταχύτερα από τα στοιχεία με χαμηλή ακτινοβολία.

Δραστηριότητα =k* wt στοιχείου*N(a)/ ατομικό βάρος στοιχείων, όπου NA =αριθμός avogadro.

Χρήσεις ραδιενεργών στοιχείων

• Χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της ακριβούς ηλικίας των πραγμάτων χρησιμοποιώντας την τεχνική χρονολόγησης με άνθρακα, για παράδειγμα, την ηλικία των απολιθωμάτων, του ξύλου ή άλλων αρχαίων υλικών των οποίων η ηλικία δεν ήταν δυνατό να βρεθεί με άλλες μεθόδους.

Η ηλικία των απολιθωμάτων υπολογίζεται χρησιμοποιώντας t=2303/k *log10 * N(0)/N;

• Ιατρικοί σκοποί:ραδιενεργά υλικά χρησιμοποιούνται σε αξονικές τομογραφίες και ακτινογραφίες για διαγνωστικούς σκοπούς.
• Η ακτινοθεραπεία χρησιμοποιείται για τη θεραπεία ασθενών με καρκίνο. Μερικές φορές χρησιμοποιείται επίσης για την αποστείρωση ιατρικού εξοπλισμού.
• Ηλεκτρική ενέργεια:παράγουμε ηλεκτρική ενέργεια μέσω τεχνητής ατομικής πυρηνικής σχάσης.

Συμπέρασμα

Η πυρηνική χημεία είναι ο κλάδος της χημείας που ασχολείται με όλες τις ραδιενεργές διεργασίες και βασίζεται στη ραδιενέργεια, τη διαδικασία της αποσύνθεσης ραδιενεργών υλικών. Αυτά τα υλικά είναι ωφέλιμα, αλλά ο χειρισμός τους είναι δύσκολος και πρέπει να πληρούνται πολλές προϋποθέσεις ασφαλείας. Η πυρηνική χημεία ασχολείται με πληροφορίες και έρευνα σχετικά με τον ατομικό πυρήνα και τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητές του όταν υποβάλλονται σε διάφορες διαδικασίες. Το άτομο απελευθερώνει κολοσσιαίες ποσότητες ενέργειας όταν υφίσταται σύντηξη ή σχάση.