HÓA HỌC HẠT NHÂN: LỊCH SỬ, LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, LĨNH VỰC, ỨNG DỤNG - HÓA HỌC - 2026

Các hóa học hạt nhân là nghiên cứu về những thay đổi trong các thuộc tính sản phẩm của hiện tượng vấn đề xảy ra trong hạt nhân nguyên tử; nó không nghiên cứu cách các điện tử của nó tương tác hoặc liên kết của chúng với các nguyên tử khác của cùng một nguyên tố hoặc một nguyên tố khác.

Nhánh hóa học này sau đó tập trung vào các hạt nhân và năng lượng được giải phóng khi chúng thêm hoặc mất một số hạt của chúng; được gọi là nucleon, và cho mục đích hóa học về cơ bản bao gồm proton và neutron.

Cỏ ba lá phóng xạ. Nguồn: Pixabay.

Nhiều phản ứng hạt nhân bao gồm sự thay đổi số lượng proton và / hoặc neutron, do đó dẫn đến sự biến đổi của một nguyên tố này thành nguyên tố khác; giấc mơ cổ xưa của các nhà giả kim, những người đã cố gắng biến kim loại chì thành vàng trong vô vọng.

Đây có lẽ là đặc điểm đáng ngạc nhiên nhất của phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, những sự biến đổi như vậy giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, cũng như các hạt gia tốc có thể thâm nhập và phá hủy vật chất xung quanh chúng (chẳng hạn như DNA của tế bào của chúng ta) tùy thuộc vào năng lượng liên kết của chúng.

Có nghĩa là, trong một phản ứng hạt nhân, các loại bức xạ khác nhau được giải phóng, và khi một nguyên tử hoặc đồng vị phóng ra bức xạ, nó được cho là phóng xạ (hạt nhân phóng xạ). Một số bức xạ có thể vô hại, và thậm chí lành tính, được sử dụng để chống lại tế bào ung thư hoặc nghiên cứu tác dụng dược lý của một số loại thuốc bằng cách dán nhãn phóng xạ.

Mặt khác, các bức xạ khác có tính hủy diệt và gây chết người khi tiếp xúc tối thiểu. Đáng buồn thay, một số thảm họa tồi tệ nhất trong lịch sử mang biểu tượng của sự phóng xạ (cỏ ba lá phóng xạ, hình trên cùng).

Từ vũ khí hạt nhân, đến tập phim Chernobyl và sự bất hạnh của chất thải phóng xạ và ảnh hưởng của nó đối với động vật hoang dã, có rất nhiều thảm họa do năng lượng hạt nhân gây ra. Nhưng mặt khác, năng lượng hạt nhân sẽ đảm bảo sự độc lập với các nguồn năng lượng khác và các vấn đề ô nhiễm mà chúng gây ra.

Nó (có thể) sẽ là năng lượng sạch, có khả năng cung cấp năng lượng cho các thành phố vĩnh cửu, và công nghệ này sẽ vượt quá giới hạn trần gian của nó.

Để đạt được tất cả những điều này với chi phí thấp nhất cho con người (và hành tinh), cần có các chương trình và nỗ lực khoa học, công nghệ, sinh thái và chính trị để “chế ngự” và “bắt chước” năng lượng hạt nhân theo cách an toàn và có lợi cho nhân loại và sự phát triển của nó. năng lượng.

Lịch sử hóa học hạt nhân

Bình minh

Bỏ lại các nhà giả kim và hòn đá triết gia của họ trong quá khứ (mặc dù nỗ lực của họ đã mang lại kết quả quan trọng cho sự hiểu biết về hóa học), hóa học hạt nhân ra đời khi cái được gọi là phóng xạ lần đầu tiên được phát hiện.

Tất cả bắt đầu với sự phát hiện ra tia X của Wilhelm Conrad Röntgen (1895), tại Đại học Wurzburg. Ông đang nghiên cứu các tia âm cực thì nhận thấy rằng chúng phát ra một tia huỳnh quang kỳ lạ, ngay cả khi thiết bị đã tắt, có khả năng xuyên qua lớp giấy đen đục bao phủ các ống trong đó các thí nghiệm được thực hiện.

Henri Becquerel, được thúc đẩy bởi những khám phá về tia X, đã thiết kế các thí nghiệm của riêng mình để nghiên cứu chúng bằng cách sử dụng muối huỳnh quang, làm tối các tấm ảnh, được bảo vệ bởi giấy đen, khi chúng bị kích thích bởi ánh sáng mặt trời.

Người ta vô tình tìm thấy (vì thời tiết ở Paris lúc đó nhiều mây), muối uranium đã che khuất các tấm ảnh, bất kể nguồn sáng chiếu vào chúng. Sau đó, ông kết luận rằng ông đã tìm ra một loại phóng xạ mới: phóng xạ.

Việc làm của vợ chồng Curie

Công việc của Becquerel là nguồn cảm hứng cho Marie Curie và Pierre Curie nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng phóng xạ (một thuật ngữ do Marie Curie đặt ra).

Vì vậy, họ tìm kiếm các khoáng chất khác (ngoài uranium) cũng thể hiện tính chất này, phát hiện ra rằng khoáng vật pitchblende thậm chí còn phóng xạ hơn, và do đó, nó phải có các chất phóng xạ khác. Làm sao? Bằng cách so sánh các dòng điện được tạo ra bởi sự ion hóa của các phân tử khí xung quanh các mẫu.

Sau nhiều năm làm việc khai thác gian khổ và các phép đo phóng xạ, ông đã chiết xuất được các nguyên tố phóng xạ radium (100 mg từ một mẫu 2000 kg) và polonium từ vật liệu xúc tác khoáng chất. Đồng thời, Curie cũng xác định độ phóng xạ của nguyên tố thori.

Thật không may, đến lúc đó tác hại của bức xạ như vậy mới bắt đầu được phát hiện.

Các phép đo độ phóng xạ được tạo điều kiện thuận lợi với sự phát triển của máy đếm Geiger (có Hans Geiger là người đồng phát minh ra hiện vật).

Phân đoạn hạt nhân

Ernest Rutherford đã quan sát thấy rằng mỗi đồng vị phóng xạ có thời gian phân rã riêng, không phụ thuộc vào nhiệt độ, và nó thay đổi theo nồng độ và đặc điểm của hạt nhân.

Ông cũng chỉ ra rằng những phân rã phóng xạ này tuân theo động học bậc nhất, mà chu kỳ bán rã của chúng (t _1/2 ) vẫn rất hữu ích cho đến ngày nay. Như vậy, mỗi chất phát ra phóng xạ có t _1/2 khác nhau , dao động từ giây, ngày, đến hàng triệu năm.

Ngoài tất cả những điều trên, ông còn đề xuất một mô hình nguyên tử dựa trên kết quả thí nghiệm của ông chiếu xạ một tấm vàng rất mỏng với các hạt alpha (hạt nhân heli). Làm việc lại với các hạt alpha, ông đã đạt được sự chuyển đổi nguyên tử nitơ thành nguyên tử oxy; nghĩa là, nó đã quản lý để chuyển đổi một phần tử này thành một phần tử khác.

Khi làm như vậy, ngay lập tức nó đã được chứng minh rằng nguyên tử không thể phân chia, và thậm chí còn ít hơn khi nó bị bắn phá bởi các hạt gia tốc và neutron "chậm".

Chuyên ngành

Thực hành và lý thuyết

Những người quyết định trở thành một phần của các chuyên gia hóa học hạt nhân có thể chọn các lĩnh vực học tập hoặc nghiên cứu khác nhau, cũng như các lĩnh vực công việc khác nhau. Giống như nhiều ngành khoa học, họ có thể dành cho thực hành, hoặc lý thuyết (hoặc cả hai cùng một lúc) trong các lĩnh vực tương ứng của họ.

Một ví dụ điện ảnh được thấy trong các bộ phim siêu anh hùng, nơi các nhà khoa học yêu cầu một cá nhân có được siêu năng lực (chẳng hạn như Hulk, bộ tứ tuyệt vời, Người nhện và Bác sĩ Manhattan).

Trong cuộc sống thực (ít nhất là bề ngoài), các nhà hóa học hạt nhân thay vào đó tìm cách thiết kế các vật liệu mới có khả năng chịu được sức kháng hạt nhân khổng lồ.

Những vật liệu này, giống như thiết bị đo đạc, phải đủ bền và đặc biệt để cô lập sự phát ra bức xạ và nhiệt độ khổng lồ tỏa ra khi bắt đầu phản ứng hạt nhân; đặc biệt là những phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Về lý thuyết, họ có thể thiết kế mô phỏng để lần đầu tiên ước tính tính khả thi của một số dự án nhất định và cách cải thiện chúng với chi phí thấp nhất và tác động tiêu cực; hoặc các mô hình toán học cho phép làm sáng tỏ những bí ẩn đang chờ giải quyết của hạt nhân.

Tương tự như vậy, họ nghiên cứu và đề xuất các cách lưu trữ và / hoặc xử lý chất thải hạt nhân, vì phải mất hàng tỷ năm để phân hủy và gây ô nhiễm cao.

Công việc tiêu biểu

Dưới đây là danh sách ngắn các công việc điển hình mà một nhà hóa học hạt nhân có thể làm:

-Nghiên cứu trực tiếp trong các phòng thí nghiệm chính phủ, công nghiệp hoặc học thuật.

-Xử lý hàng trăm dữ liệu thông qua các gói thống kê và phân tích đa biến.

- Họ dạy các lớp trong trường đại học.

-Phát triển các nguồn phóng xạ an toàn cho các ứng dụng khác nhau liên quan đến công chúng hoặc để sử dụng trong các thiết bị hàng không vũ trụ.

-Thiết kế các kỹ thuật và thiết bị phát hiện và giám sát hoạt động phóng xạ trong môi trường.

-Đảm bảo rằng các điều kiện phòng thí nghiệm là tối ưu để xử lý chất phóng xạ; mà họ thậm chí còn thao tác bằng cách sử dụng cánh tay robot.

-Là kỹ thuật viên, họ duy trì liều kế và thu thập các mẫu phóng xạ.

Khu vực

Phần trước đã mô tả một cách tổng quát các nhiệm vụ của một nhà hóa học hạt nhân tại nơi làm việc của anh ta. Giờ đây, người ta đã chỉ rõ thêm một chút về các lĩnh vực khác nhau trong đó việc sử dụng hoặc nghiên cứu các phản ứng hạt nhân.

Hóa chất phóng xạ

Trong hóa học phóng xạ, quá trình bức xạ được nghiên cứu. Điều này có nghĩa là nó xem xét sâu tất cả các đồng vị phóng xạ, cũng như thời gian phân rã của chúng, bức xạ mà chúng giải phóng (alpha, beta hoặc gamma), hành vi của chúng trong các môi trường khác nhau và các ứng dụng khả thi của chúng.

Đây có lẽ là lĩnh vực hóa học hạt nhân tiến bộ nhất hiện nay so với những lĩnh vực khác. Ông đã phụ trách việc sử dụng đồng vị phóng xạ và liều lượng bức xạ vừa phải một cách thông minh và thân thiện.

Năng lượng hạt nhân

Trong lĩnh vực này, các nhà hóa học hạt nhân cùng với các nhà nghiên cứu thuộc các chuyên ngành khác nghiên cứu và thiết kế các phương pháp an toàn và có thể điều khiển được để tận dụng năng lượng hạt nhân do sự phân hạch của các hạt nhân tạo ra; nghĩa là phân số của nó.

Tương tự như vậy, người ta đề xuất làm điều tương tự với các phản ứng tổng hợp hạt nhân, chẳng hạn như những người muốn chế ngự các ngôi sao nhỏ cung cấp năng lượng cho chúng; với trở ngại rằng các điều kiện áp đảo và không có vật chất vật chất nào có khả năng chống lại chúng (hãy tưởng tượng bao bọc mặt trời trong một cái lồng không bị tan chảy do nhiệt độ quá cao).

Năng lượng hạt nhân cũng có thể được sử dụng cho các mục đích từ thiện, hoặc cho mục đích chiến tranh, để phát triển thêm vũ khí.

Lưu trữ và chất thải

Vấn đề mà chất thải hạt nhân gây ra là rất nghiêm trọng và đe dọa. Chính vì lý do đó mà trong lĩnh vực này, họ chuyên tâm vạch ra các chiến lược “giam cầm họ” sao cho bức xạ mà họ phát ra không xuyên qua lớp vỏ ngăn chặn của họ; vỏ, phải có khả năng chịu động đất, lũ lụt, áp suất và nhiệt độ cao, v.v.

Phóng xạ nhân tạo

Tất cả các nguyên tố transuranic đều có tính phóng xạ. Chúng đã được tổng hợp bằng các kỹ thuật khác nhau, bao gồm: sự bắn phá hạt nhân bằng neutron hoặc các hạt gia tốc khác.

Đối với điều này, người ta đã sử dụng máy gia tốc tuyến tính hoặc xyclotron (có dạng hình chữ D). Bên trong chúng, các hạt được gia tốc tới tốc độ gần bằng ánh sáng (300.000 km / s), và sau đó va chạm với một mục tiêu.

Do đó, một số nguyên tố phóng xạ, nhân tạo đã được sinh ra và sự phong phú của chúng trên Trái đất là con số không (mặc dù chúng có thể tồn tại tự nhiên trong các vùng của Vũ trụ).

Trong một số máy gia tốc, sức mạnh của sự va chạm có thể xảy ra sự phân rã của vật chất. Bằng cách phân tích các mảnh, khó có thể được phát hiện do tuổi thọ ngắn của chúng, người ta có thể tìm hiểu thêm về bản tóm tắt của các hạt nguyên tử.

Các ứng dụng

Tháp giải nhiệt của nhà máy điện hạt nhân. Nguồn: Pixabay.

Hình ảnh trên cho thấy hai tháp giải nhiệt đặc trưng của nhà máy điện hạt nhân, mà nhà máy có thể cung cấp điện cho toàn thành phố; ví dụ, nhà máy Springfield, nơi Homer Simpson làm việc và thuộc sở hữu của ông Burns.

Sau đó, các nhà máy điện hạt nhân sử dụng năng lượng giải phóng từ các lò phản ứng hạt nhân để cung cấp nhu cầu năng lượng. Đây là ứng dụng lý tưởng và đầy hứa hẹn của hóa học hạt nhân: năng lượng không giới hạn.

Xuyên suốt bài báo, người ta đã ngầm đề cập đến nhiều ứng dụng của hóa học hạt nhân. Những ứng dụng khác không quá rõ ràng, nhưng hiện diện trong cuộc sống hàng ngày, như sau.

Thuốc

Một kỹ thuật để khử trùng vật liệu phẫu thuật là chiếu xạ nó bằng bức xạ gamma. Điều này tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật mà chúng có thể ẩn náu. Quá trình lạnh, vì vậy một số vật liệu sinh học, nhạy cảm với nhiệt độ cao, cũng có thể chịu liều bức xạ như vậy.

Tác dụng dược lý, sự phân bố và thải trừ của các thuốc mới được đánh giá thông qua việc sử dụng các đồng vị phóng xạ. Với một máy dò bức xạ phát ra, bạn có thể có một hình ảnh thực tế về sự phân bố của thuốc trong cơ thể.

Hình ảnh này giúp bạn có thể xác định thời gian thuốc tác dụng trên một mô nhất định; nếu nó không hấp thụ đúng cách, hoặc nếu nó ở trong nhà lâu hơn mức đủ.

Bảo quản thực phẩm

Tương tự, thực phẩm được bảo quản có thể được chiếu xạ bằng bức xạ gamma liều lượng vừa phải. Điều này có nhiệm vụ loại bỏ và tiêu diệt vi khuẩn, giữ thực phẩm có thể ăn được trong thời gian dài hơn.

Ví dụ, một gói dâu tây có thể được giữ tươi sau 15 ngày bảo quản bằng kỹ thuật này. Bức xạ quá yếu nên không thể xuyên qua bề mặt của dâu tây; và do đó, chúng không bị ô nhiễm, cũng không trở thành "dâu tây phóng xạ".

Máy dò khói

Bên trong các thiết bị phát hiện khói chỉ có vài miligam americium ( ²⁴¹ Am). Kim loại phóng xạ này với lượng phóng xạ này cho thấy bức xạ vô hại đối với những người có mặt dưới mái nhà.

Các ²⁴¹ Am phát ra các hạt năng lượng alpha thấp và tia gamma, những tia có khả năng thoát khỏi máy dò. Các hạt alpha ion hóa các phân tử oxy và nitơ trong không khí. Bên trong máy dò, một sự chênh lệch điện áp thu thập và sắp xếp các ion, tạo ra một dòng điện nhẹ.

Các ion kết thúc ở các điện cực khác nhau. Khi khói đi vào khoang bên trong của đầu báo, nó sẽ hấp thụ các hạt alpha và quá trình ion hóa không khí bị phá vỡ. Do đó, dòng điện bị dừng và một báo động được kích hoạt.

Diệt trừ sâu bệnh

Trong nông nghiệp, bức xạ vừa phải đã được sử dụng để tiêu diệt côn trùng không mong muốn trên cây trồng. Do đó, tránh được việc sử dụng thuốc diệt côn trùng gây ô nhiễm môi trường. Điều này làm giảm tác động tiêu cực đến đất, nước ngầm và chính cây trồng.

Hẹn hò

Với sự trợ giúp của đồng vị phóng xạ, tuổi của một số đối tượng có thể được xác định. Trong các nghiên cứu khảo cổ học, điều này rất được quan tâm vì nó cho phép các mẫu được tách ra và đặt vào thời gian tương ứng của chúng. Đồng vị phóng xạ được sử dụng cho ứng dụng này là carbon 14 ( ¹⁴ C) par xuất sắc . T _1/2 của nó là 5700 năm, và các mẫu có thể có niên đại lên đến 50.000 năm tuổi.

Phân rã ¹⁴ C đã được sử dụng đặc biệt cho các mẫu sinh học, bộ xương, hóa thạch, v.v. Các đồng vị phóng xạ khác, chẳng hạn như ²⁴⁸ U, là _1/2 triệu năm tuổi. Bằng cách đo nồng độ ²⁴⁸ U trong một mẫu thiên thạch, trầm tích và khoáng chất, có thể xác định được nó có cùng tuổi với Trái đất hay không.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.
2. Frank Kinard. (2019). Hóa học hạt nhân. Phục hồi từ: chemistryexplained.com
3. Hóa học hạt nhân. (sf). Được khôi phục từ: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Lịch sử Hóa học Hạt nhân. Họ đi trước. Phục hồi từ: beforeen.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Khám phá phóng xạ. Hóa học LibreTexts. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (sf). Các Loại Công Việc Các Nhà Hóa Học Hạt Nhân Làm? Cơ quan - Chron.com. Đã khôi phục từ: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Hóa học hạt nhân. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
8. Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ. (2019). Hóa học hạt nhân. Nghề Hóa học. Khôi phục từ: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Các ứng dụng y tế, nông nghiệp và công nghiệp của công nghệ hạt nhân. Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương.