O química nuclear É o estudo das mudanças na matéria e de suas propriedades como resultado dos fenômenos que ocorrem nos núcleos de seus átomos; não estuda a maneira pela qual 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 em prótons e nêutrons.
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 de alquimistas, que tentaram em vão transformar metal de 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 de sua 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 trazem consigo o símbolo da radioatividade (trevo radioativo, imagem superior).
De armas nucleares aos episódios de Chernobyl e ao azar 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 toda a eternidade, e a tecnologia ultrapassaria 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 forma segura e benéfica para a humanidade e seu crescimento energético.
Índice do artigo
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 estava estudando 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 dentro dos quais 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..
Descobriu-se 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: radioatividade.
O trabalho de Becquerel serviu de fonte de inspiração para Marie Curie e Pierre Curie investigarem o 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, portanto, deve conter outras substâncias radioativas. Como? Comparando as correntes elétricas geradas pela ionização de moléculas de gás ao redor das amostras.
Após anos de extração árdua e medições radiométricas, ele extraiu o rádio dos elementos radioativos (100 mg de uma amostra de 2.000 kg) e o polônio do mineral pechblenda. Além disso, Curie determinou a radioatividade do elemento tório.
Infelizmente, a essa altura, os efeitos prejudiciais 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).
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 demonstrou que esses decaimentos radioativos obedecem à cinética de primeira ordem, cujas meias-vidas (t1/2), ainda são muito úteis hoje. Assim, cada substância que emite radioatividade possui diferentes t1/2, que varia de segundos, dias, a milhões de anos.
Além de tudo isso, ele propôs um modelo atômico baseado nos resultados de seus experimentos 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; ou seja, ele conseguiu converter um elemento em outro.
Ao fazê-lo, ficou demonstrado imediatamente que o átomo não era indivisível, e menos ainda quando era bombardeado por partículas aceleradas e nêutrons "lentos"..
Aqueles que decidem fazer parte dos especialistas em química nuclear podem escolher entre vários campos de estudo ou pesquisa, bem como diferentes campos de trabalho. Como muitos ramos da ciência, eles podem ser dedicados à prática ou teoria (ou ambas ao mesmo tempo) em seus campos correspondentes.
Um exemplo cinematográfico é visto em filmes de super-heróis, em que os 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.
Eles também 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..
Aqui está uma pequena lista de trabalhos típicos que um químico nuclear pode fazer:
-Realizar pesquisas em laboratórios governamentais, industriais ou acadêmicos.
-Processe centenas de dados por meio de pacotes estatísticos e análises multivariadas.
-Eles ensinam em universidades.
-Eles desenvolvem fontes seguras de radioatividade para várias aplicações envolvendo o público em geral ou para uso em dispositivos aeroespaciais.
-Técnicas de projeto e dispositivos que detectam e monitoram a radioatividade no ambiente.
-Eles garantem que as condições do laboratório são ótimas para o manuseio de material radioativo; que eles conseguem manipular mesmo usando braços robóticos.
-Como técnicos, eles mantêm dosímetros e coletam amostras radioativas.
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..
Em radioquímica, o próprio processo de radiação é estudado. Isso significa que ele 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..
Esta é talvez a área da química nuclear que mais avançou hoje em comparação com as outras. Ele tem se encarregado de usar radioisótopos e doses moderadas de radiação de forma inteligente e amigável.
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 nenhum 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 ser usada para fins de caridade ou para fins de guerra, no desenvolvimento de mais armas..
O problema colocado pelos resíduos nucleares 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..
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 deles, as partículas são aceleradas a velocidades próximas às da luz (300.000 km / s) e, em seguida, colidem com um alvo.
Assim, vários elementos radioativos artificiais nasceram, e sua abundância na Terra é zero (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..
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, e que é propriedade do Sr. Burns.
Assim, as usinas nucleares usam a energia liberada dos 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 numerosas aplicações da química nuclear. Outras aplicações não tão óbvias, mas que estão presentes no dia a dia, são as seguintes.
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 essas doses de radiação..
O efeito farmacológico, a distribuição e a eliminação dos novos medicamentos são avaliados por meio do uso 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.
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 mesmo após 15 dias de armazenamento usando esta técnica. A radiação é tão fraca que não penetra na superfície dos morangos; e, portanto, eles não são contaminados, nem se tornam "morangos radioativos".
Dentro dos detectores de fumaça há apenas alguns miligramas de amerício (241SOU). Este metal radioativo nessas quantidades exibe radiação inofensiva para as pessoas presentes sob os telhados..
O 241Am 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 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.
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..
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 em seus tempos correspondentes. O radioisótopo utilizado para esta aplicação é, por excelência, o carbono 14 (14C). Seu t1/2 Tem 5700 anos e as amostras podem ser datadas de até 50.000 anos.
A decadência de 14C tem sido usado especialmente para amostras biológicas, ossos, fósseis, etc. Outros radioisótopos, como 248U, tem um t1/2 de milhões de anos. Medindo então as concentrações de 248U em uma amostra de meteoritos, sedimentos e minerais, pode ser determinado se tem a mesma idade da Terra.
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