QUÍMICA NUCLEAR: HISTÓRIA, CAMPO DE ESTUDO, ÁREAS, APLICAÇÕES - QUÍMICA - 2025

A química nuclear é o estudo das mudanças nas propriedades do produto dos fenômenos da matéria ocorridos nos núcleos dos átomos; não estuda a maneira como seus elétrons interagem ou suas ligações com outros átomos do mesmo ou de um elemento diferente.

Este ramo da química então se concentra nos núcleos e nas energias liberadas quando eles adicionam ou perdem algumas de suas partículas; que são chamados de núcleos e que, para fins químicos, consistem essencialmente de prótons e nêutrons.

Trevo radioativo. Fonte: Pixabay.

Muitas reações nucleares consistem em uma mudança no número de prótons e / ou nêutrons, que tem como consequência a transformação de um elemento em outro; sonho antigo dos alquimistas, que tentavam em vão transformar o chumbo em ouro.

Esta é talvez a característica mais surpreendente das reações nucleares. Porém, tais transformações liberam enormes quantidades de energia, assim como 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, diferentes tipos de radiação são liberados, e quando um átomo ou isótopo libera radiação, diz-se que é radioativo (radionuclídeos). Algumas radiações podem ser inofensivas e até benignas, usadas para combater células cancerosas ou estudar o efeito farmacológico de certos medicamentos por meio de rotulagem radioativa.

Outras radiações, por outro lado, são destrutivas e mortais no mínimo contato. Infelizmente, várias das piores catástrofes da história carregam o símbolo da radioatividade (trevo radioativo, imagem superior).

De armas nucleares aos episódios de Chernobyl e a desgraça do lixo radioativo e seus efeitos na vida selvagem, há muitos desastres desencadeados pela energia nuclear. Mas, por outro lado, a energia nuclear garantiria a independência de outras fontes de energia e dos problemas de poluição que causam.

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

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

História da Química Nuclear

Alvorecer

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

Tudo começou com a descoberta dos raios X por Wilhelm Conrad Röntgen (1895), na Universidade de Wurzburg. Ele estudava os raios catódicos quando percebeu que eles originavam uma fluorescência estranha, mesmo com o aparelho desligado, capaz de penetrar no papel preto opaco que cobria os tubos em que eram feitos os experimentos.

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

Foi descoberto acidentalmente (já que o tempo em Paris estava nublado naquela época), que os sais de urânio obscureciam as placas fotográficas, independentemente da fonte de luz que incidisse sobre elas. Ele então concluiu que havia encontrado um novo tipo de radiação: a radioatividade.

Empregos dos cônjuges Curie

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

Assim, buscaram outros minerais (além do urânio) que também apresentassem essa propriedade, constatando que o mineral pechblenda é ainda mais radioativo, e que portanto deve conter outras substâncias radioativas. Quão? Comparando as correntes elétricas geradas pela ionização das moléculas de gás ao redor das amostras.

Após anos de árduo trabalho de extração e medições radiométricas, ele extraiu os elementos radioativos rádio (100 mg de uma amostra de 2.000 kg) e polônio do mineral pechblenda. Além disso, Curie determinou a radioatividade do elemento tório.

Infelizmente, a essa altura, os efeitos nocivos dessa radiação estavam começando a ser descobertos.

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

Fracionamento de 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.

Também demonstrou que esses decaimentos radioativos obedecem à cinética de primeira ordem, cujas meias-vidas (t _1/2) ainda são muito úteis 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 como resultado de seus experimentos irradiando uma folha muito fina de ouro com partículas alfa (núcleos de hélio). Trabalhando novamente com as partículas alfa, ele conseguiu a transmutação de átomos de nitrogênio em átomos de oxigênio; em outras palavras, ele conseguiu converter um elemento em outro.

Ao fazer isso, ficou demonstrado de imediato que o átomo não era indivisível, e menos ainda quando era bombardeado por partículas aceleradas e nêutrons "lentos".

Campo de estudo

Prática e teoria

Quem decide fazer parte dos especialistas em química nuclear pode escolher entre vários campos de estudo ou pesquisa, bem como diferentes campos de trabalho. Como muitos ramos da ciência, eles podem se dedicar à prática ou à teoria (ou ambas ao mesmo tempo) em seus campos correspondentes.

Um exemplo cinematográfico é visto em filmes de super-heróis, em que cientistas fazem com que um indivíduo adquira superpoderes (como o Hulk, os quatro fantásticos, o Homem-Aranha e o Doutor Manhattan).

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

Estes materiais, como a instrumentação, devem ser suficientemente indestrutíveis e especiais para isolar a emissão de radiação e as enormes temperaturas desencadeadas ao iniciar reações nucleares; especialmente aqueles de fusão nuclear.

Em teoria, eles podem projetar simulações para primeiro estimar 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.

Da mesma forma, estudam e propõem formas de armazenar e / ou tratar o lixo nuclear, uma vez que leva bilhões de anos para se decompor e é altamente poluente.

Trabalhos típicos

Aqui está uma pequena lista de trabalhos típicos que um químico nuclear pode fazer:

- Pesquisa direta em laboratórios governamentais, industriais ou acadêmicos.

-Processar centenas de dados por meio de pacotes estatísticos e análises multivariadas.

-Eles dão aulas em universidades.

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

-Desenhar técnicas e dispositivos que detectam e monitoram a radioatividade no ambiente.

-Garantir que as condições laboratoriais são ótimas para o manuseio de material radioativo; que eles até manipulam usando braços robóticos.

-Como técnicos, mantêm dosímetros e coletam amostras radioativas.

Áreas

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 as diferentes áreas nas quais o uso ou estudo de reações nucleares está presente.

Radioquímica

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

Esta talvez seja a área da química nuclear que mais avançou hoje em relação às demais. Ele se encarregou de usar radioisótopos e doses moderadas de radiação de forma inteligente e amigável.

Energia nuclear

Nessa área, os químicos nucleares, em conjunto com pesquisadores de outras especialidades, estudam e projetam métodos seguros e controláveis ​​para aproveitar a energia nuclear produzida pela fissão de núcleos; isto é, de seu fracionamento.

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

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

Armazenamento e desperdício

O problema que o lixo nuclear representa é muito sério e ameaçador. É por isso que nesta área se dedicam a conceber estratégias para "aprisioná-los" de forma que a radiação que emitem não penetre na sua concha de contenção; concha, que deve ser capaz de resistir a terremotos, inundações, altas pressões e temperaturas, etc.

Radioatividade artificial

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

Para isso, foram usados ​​aceleradores lineares ou cíclotrons (em forma de D). Dentro delas, as partículas são aceleradas a velocidades próximas às da luz (300.000 km / s) e, então, colidem com um alvo.

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

Em alguns aceleradores, o poder das colisões é tal que ocorre uma desintegração da matéria. Ao analisar os fragmentos, que dificilmente podem ser detectados devido ao seu curto tempo de vida, foi possível aprender mais sobre o compêndio de partículas atômicas.

Formulários

Torres de resfriamento de uma usina nuclear. Fonte: Pixabay.

A imagem acima mostra duas torres de resfriamento características de usinas nucleares, cuja usina pode abastecer uma cidade inteira com eletricidade; por exemplo, a fábrica de Springfield, onde Homer Simpson trabalha, de propriedade do Sr. Burns.

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

Ao longo do artigo, foi feita menção, implicitamente, a inúmeras aplicações da química nuclear. Outras aplicações não tão óbvias, mas que estão presentes no dia a dia, são as seguintes.

Medicamento

Uma técnica para esterilizar o material cirúrgico é irradiá-lo com radiação gama. Isso 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 tais doses de radiação.

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

Essa imagem permite determinar por quanto tempo a droga age em determinado tecido; se não conseguir absorver adequadamente, ou se permanecer dentro de casa por mais tempo do que o adequado.

Preservação 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 15 dias de armazenamento usando esta técnica. A radiação é tão fraca que não penetra na superfície dos morangos; e, portanto, não são contaminados, nem se transformam em "morangos radioativos".

Detectores de fumaça

Dentro dos detectores de fumaça há apenas alguns miligramas de amerício (²⁴¹ Am). Este metal radioativo nessas quantidades exibe radiação inofensiva para as pessoas presentes sob os telhados.

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

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

Eliminação de pragas

Na agricultura, a radiação moderada tem sido usada para matar insetos indesejáveis ​​nas plantações. Assim, evita-se o uso de inseticidas altamente poluentes. Isso reduz o impacto negativo sobre os solos, as águas subterrâneas e as próprias culturas.

Namoro

Com a ajuda de radioisótopos, a idade de certos objetos pode ser determinada. Em estudos arqueológicos, isso é de grande interesse, pois permite que as amostras sejam separadas e colocadas em seus tempos correspondentes. O radioisótopo usado para esta aplicação é o carbono 14 (¹⁴ C) por excelência. Seu t _1/2 é de 5700 anos e as amostras podem ser datadas de até 50.000 anos.

O decaimento do ¹⁴ C tem sido usado especialmente para amostras biológicas, esqueletos, fósseis, etc. Outros radioisótopos, como ²⁴⁸ U, têm 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 tem a mesma idade da Terra.

Referências

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