KIMIA NUKLIR: SEJARAH, BIDANG STUDI, BIDANG, APLIKASI - KIMIA - 2025

The kimia nuklir adalah studi tentang perubahan sifat-sifat produk dari fenomena materi terjadi di inti atom; ia tidak mempelajari cara elektron berinteraksi atau ikatannya dengan atom lain dari unsur yang sama atau berbeda.

Cabang kimia ini kemudian berfokus pada inti dan energi yang dilepaskan ketika mereka menambah atau kehilangan sebagian partikelnya; yang disebut nukleon, dan yang untuk tujuan kimiawi pada dasarnya terdiri dari proton dan neutron.

Semanggi radioaktif. Sumber: Pixabay.

Banyak reaksi nuklir terdiri dari perubahan jumlah proton dan / atau neutron, yang berakibat pada transformasi satu unsur menjadi unsur lainnya; mimpi kuno para alkemis, yang mencoba dengan sia-sia untuk mengubah logam timah menjadi emas.

Ini mungkin karakteristik yang paling mengejutkan dari reaksi nuklir. Namun, transformasi semacam itu melepaskan sejumlah besar energi, serta partikel yang dipercepat yang berhasil menembus dan menghancurkan materi di sekitarnya (seperti DNA sel kita) tergantung pada energi yang terkait.

Artinya, dalam reaksi nuklir berbagai jenis radiasi dilepaskan, dan ketika atom atau isotop melepaskan radiasi, ia disebut radioaktif (radionuklida). Beberapa radiasi tidak berbahaya, dan bahkan jinak, digunakan untuk melawan sel kanker atau mempelajari efek farmakologis obat tertentu dengan pelabelan radioaktif.

Radiasi lain, sebaliknya, bersifat merusak dan mematikan pada kontak minimum. Sayangnya, beberapa bencana terburuk dalam sejarah membawa simbol radioaktivitas (semanggi radioaktif, gambar atas).

Dari senjata nuklir, hingga episode Chernobyl dan malapetaka limbah radioaktif dan pengaruhnya terhadap satwa liar, ada banyak bencana yang dipicu oleh energi nuklir. Namun di sisi lain, energi nuklir akan menjamin kemandirian dari sumber energi lain dan masalah pencemaran yang ditimbulkannya.

Itu (mungkin) akan menjadi energi bersih, mampu memberi daya pada kota untuk selamanya, dan teknologinya akan melampaui batas duniawinya.

Untuk mencapai semua ini dengan biaya manusia (dan planet) terendah, program dan upaya ilmiah, teknologi, ekologi, dan politik diperlukan untuk "menjinakkan" dan "meniru" energi nuklir dengan cara yang aman dan bermanfaat bagi umat manusia dan pertumbuhannya. energik.

Sejarah kimia nuklir

Fajar

Meninggalkan para alkemis dan batu filsuf mereka di masa lalu (meskipun upaya mereka telah membuahkan hasil yang sangat penting bagi pemahaman kimia), kimia nuklir lahir ketika apa yang dikenal sebagai radioaktivitas pertama kali terdeteksi.

Semuanya dimulai dengan penemuan sinar-X oleh Wilhelm Conrad Röntgen (1895), di Universitas Wurzburg. Dia sedang mempelajari sinar katoda ketika dia menyadari bahwa mereka berasal dari fluoresensi yang aneh, bahkan dengan perangkat dimatikan, mampu menembus kertas hitam buram yang menutupi tabung tempat percobaan dilakukan.

Henri Becquerel, termotivasi oleh penemuan sinar-X, merancang eksperimennya sendiri untuk mempelajarinya menggunakan garam fluoresen, yang menggelapkan pelat fotografi, dilindungi oleh kertas hitam, saat tereksitasi oleh sinar matahari.

Ditemukan secara tidak sengaja (karena cuaca di Paris mendung pada saat itu), bahwa garam uranium mengaburkan pelat fotografi, terlepas dari sumber cahaya yang jatuh ke atasnya. Dia kemudian menyimpulkan bahwa dia telah menemukan jenis radiasi baru: radioaktivitas.

Pekerjaan pasangan Curie

Karya Becquerel menjadi sumber inspirasi bagi Marie Curie dan Pierre Curie untuk mempelajari fenomena radioaktivitas (istilah yang diciptakan oleh Marie Curie).

Oleh karena itu, mereka mencari mineral lain (selain uranium) yang juga menunjukkan sifat ini, menemukan bahwa mineral pitchblende bahkan lebih radioaktif, dan oleh karena itu, pasti terdapat zat radioaktif lain. Bagaimana? Dengan membandingkan arus listrik yang dihasilkan oleh ionisasi molekul gas di sekitar sampel.

Setelah bertahun-tahun bekerja ekstraksi yang sulit dan pengukuran radiometrik, ia mengekstraksi unsur radioaktif radium (100 mg dari sampel 2000 kg) dan polonium dari bijih bijih mineral. Juga, Curie menentukan radioaktivitas elemen thorium.

Sayangnya, pada saat itu efek berbahaya dari radiasi tersebut mulai ditemukan.

Pengukuran radioaktivitas difasilitasi dengan pengembangan penghitung Geiger (memiliki Hans Geiger sebagai penemu artefak).

Fraksinasi inti

Ernest Rutherford mengamati bahwa setiap radioisotop memiliki waktu peluruhannya sendiri, tidak bergantung pada suhu, dan bervariasi sesuai konsentrasi dan karakteristik inti.

Ini juga menunjukkan bahwa peluruhan radioaktif ini mematuhi kinetika orde pertama, yang waktu paruhnya (t _1/2 ) masih sangat berguna saat ini. Jadi, setiap zat yang memancarkan radioaktivitas memiliki t _1/2 yang berbeda , yang berkisar dari detik, hari, hingga jutaan tahun.

Selain semua hal di atas, ia mengusulkan model atom sebagai hasil dari eksperimennya yang menyinari lembaran emas yang sangat tipis dengan partikel alfa (inti helium). Bekerja lagi dengan partikel alfa, ia mencapai transmutasi atom nitrogen menjadi atom oksigen; artinya, ia berhasil mengubah satu elemen menjadi elemen lainnya.

Dengan melakukan itu, ditunjukkan seketika bahwa atom tidak terpisahkan, dan bahkan berkurang ketika dibombardir oleh partikel yang dipercepat dan neutron "lambat".

Bidang studi

Praktek dan teori

Mereka yang memutuskan untuk menjadi bagian dari spesialis kimia nuklir dapat memilih dari beberapa bidang studi atau penelitian, serta berbagai bidang pekerjaan. Seperti banyak cabang sains, mereka dapat dikhususkan untuk praktik, atau teori (atau keduanya pada saat yang sama) di bidang yang sesuai.

Contoh sinematik terlihat dalam film superhero, di mana para ilmuwan membuat seseorang mendapatkan kekuatan super (seperti Hulk, the fantastic four, Spiderman, dan Doctor Manhattan).

Dalam kehidupan nyata (setidaknya secara dangkal), ahli kimia nuklir malah berusaha merancang bahan baru yang mampu menahan ketahanan nuklir yang sangat besar.

Bahan-bahan ini, seperti instrumentasi, harus cukup tidak bisa dihancurkan dan khusus untuk mengisolasi emisi radiasi dan suhu luar biasa yang dilepaskan saat memulai reaksi nuklir; terutama fusi nuklir.

Secara teori, mereka dapat merancang simulasi untuk memperkirakan kelayakan proyek tertentu dan bagaimana memperbaikinya dengan biaya terendah dan dampak negatif; atau model matematika yang memungkinkan untuk mengungkap misteri inti yang tertunda.

Demikian pula, mereka mempelajari dan mengusulkan cara untuk menyimpan dan / atau mengolah limbah nuklir, karena membutuhkan miliaran tahun untuk membusuk dan sangat mencemari.

Pekerjaan biasa

Berikut adalah daftar singkat pekerjaan tipikal yang dapat dilakukan ahli kimia nuklir:

-Penelitian langsung di laboratorium pemerintah, industri atau akademis.

-Proses ratusan data melalui paket statistik dan analisis multivariat.

-Mereka mengajar kelas di universitas.

-Mengembangkan sumber radioaktivitas yang aman untuk berbagai aplikasi yang melibatkan masyarakat umum, atau untuk digunakan dalam perangkat ruang angkasa.

-Desain teknik dan perangkat yang mendeteksi dan memantau radioaktivitas di lingkungan.

-Menjamin kondisi laboratorium optimal untuk menangani bahan radioaktif; yang bahkan mereka manipulasi menggunakan lengan robot.

-Sebagai teknisi, mereka memelihara dosimeter dan mengumpulkan sampel radioaktif.

Area

Bagian sebelumnya menjelaskan secara umum apa saja tugas seorang ahli kimia nuklir di tempat kerjanya. Sekarang, sedikit lebih banyak dijelaskan tentang berbagai area di mana penggunaan atau studi reaksi nuklir hadir.

Radiokimia

Dalam radiokimia, proses radiasi itu sendiri dipelajari. Ini berarti bahwa ia mempertimbangkan secara mendalam semua radioisotop, serta waktu peluruhannya, radiasi yang mereka lepaskan (alfa, beta atau gamma), perilaku mereka di lingkungan yang berbeda, dan kemungkinan penerapannya.

Ini mungkin bidang kimia nuklir yang paling maju saat ini dibandingkan dengan yang lain. Dia telah bertanggung jawab untuk menggunakan radioisotop dan radiasi dosis sedang dengan cara yang cerdas dan ramah.

Energi nuklir

Di bidang ini, ahli kimia nuklir, bersama dengan peneliti dari spesialisasi lain, mempelajari dan merancang metode yang aman dan terkendali untuk memanfaatkan energi nuklir yang dihasilkan oleh fisi inti; yaitu, fraksionasinya.

Demikian juga, diusulkan untuk melakukan hal yang sama dengan reaksi fusi nuklir, seperti mereka yang ingin menjinakkan bintang-bintang kecil yang menyediakan energinya; dengan halangan yaitu kondisinya yang luar biasa dan tidak ada bahan fisik yang mampu menahannya (bayangkan menutupi matahari dalam sangkar yang tidak meleleh karena panas yang menyengat).

Tenaga nuklir mungkin digunakan untuk tujuan amal, atau untuk tujuan perang, dalam mengembangkan lebih banyak senjata.

Penyimpanan dan limbah

Masalah yang diwakili oleh limbah nuklir sangat serius dan mengancam. Karena alasan inilah di bidang ini mereka berdedikasi untuk merancang strategi untuk "memenjarakan mereka" sedemikian rupa sehingga radiasi yang mereka pancarkan tidak menembus cangkang penahanan mereka; cangkang, yang harus mampu menahan gempa bumi, banjir, tekanan dan suhu tinggi, dll.

Radioaktivitas buatan

Semua elemen transuranic adalah radioaktif. Mereka telah disintesis menggunakan teknik yang berbeda, termasuk: pemboman inti dengan neutron atau partikel lain yang dipercepat.

Untuk ini, telah digunakan akselerator linier atau siklotron (yang berbentuk D). Di dalamnya, partikel-partikel itu dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya (300.000 km / s), dan kemudian bertabrakan dengan target.

Dengan demikian, beberapa elemen radioaktif buatan lahir, dan kelimpahannya di Bumi adalah nol (meskipun mereka mungkin ada secara alami di wilayah Kosmos).

Pada beberapa akselerator, kekuatan tumbukan sedemikian rupa sehingga terjadi disintegrasi materi. Dengan menganalisis fragmen, yang hampir tidak dapat dideteksi karena umurnya yang pendek, telah dimungkinkan untuk mempelajari lebih lanjut tentang ringkasan partikel atom.

Aplikasi

Menara pendingin pembangkit listrik tenaga nuklir. Sumber: Pixabay.

Gambar di atas menunjukkan karakteristik dua menara pendingin pembangkit listrik tenaga nuklir, yang pembangkit listriknya dapat memasok listrik ke seluruh kota; misalnya, pabrik Springfield, tempat Homer Simpson bekerja, dan dimiliki oleh Mr. Burns.

Kemudian, pembangkit listrik tenaga nuklir menggunakan energi yang dilepaskan dari reaktor nuklir untuk memasok kebutuhan energi. Ini adalah aplikasi kimia nuklir yang ideal dan menjanjikan: energi tak terbatas.

Di sepanjang artikel ini, secara implisit telah disebutkan berbagai aplikasi kimia nuklir. Penerapan lain yang tidak begitu jelas, tetapi ada dalam kehidupan sehari-hari, adalah sebagai berikut.

Obat

Salah satu teknik untuk mensterilkan bahan bedah adalah dengan menyinari bahan tersebut dengan radiasi gamma. Ini benar-benar menghancurkan mikroorganisme yang mungkin mereka tampung. Prosesnya dingin, jadi bahan biologis tertentu, peka terhadap suhu tinggi, juga bisa terkena dosis radiasi tersebut.

Efek farmakologis, distribusi dan eliminasi obat baru dievaluasi melalui penggunaan radioisotop. Dengan detektor radiasi yang dipancarkan, Anda dapat memiliki gambaran nyata tentang distribusi obat di dalam tubuh.

Gambar ini memungkinkan untuk menentukan berapa lama obat bekerja pada jaringan tertentu; jika gagal menyerap dengan benar, atau jika tetap di dalam ruangan lebih lama dari yang cukup.

Pengawet Makanan

Demikian pula, makanan yang disimpan dapat disinari dengan radiasi gamma dosis sedang. Ini bertanggung jawab untuk menghilangkan dan menghancurkan bakteri, menjaga makanan tetap dapat dimakan untuk waktu yang lebih lama.

Misalnya, satu paket stroberi dapat tetap segar bahkan setelah disimpan selama 15 hari menggunakan teknik ini. Radiasinya sangat lemah sehingga tidak menembus permukaan stroberi; dan karena itu, mereka tidak terkontaminasi, juga tidak menjadi "stroberi radioaktif".

Pendeteksi asap

Di dalam detektor asap hanya ada beberapa miligram amerisium ( ²⁴¹ Am). Logam radioaktif ini pada jumlah ini menunjukkan radiasi yang tidak berbahaya bagi orang yang ada di bawah atap.

The ²⁴¹ Am memancarkan partikel alpha energi yang rendah dan sinar gamma, sinar ini mampu melarikan diri detektor. Partikel alfa mengionisasi molekul oksigen dan nitrogen di udara. Di dalam detektor, perbedaan tegangan mengumpulkan dan mengatur ion, menghasilkan sedikit arus listrik.

Ion-ion tersebut berakhir di elektroda yang berbeda. Ketika asap memasuki ruang internal detektor, ia menyerap partikel alfa dan ionisasi udara terganggu. Akibatnya, arus listrik dihentikan dan alarm diaktifkan.

Pembasmian hama

Di bidang pertanian, radiasi sedang telah digunakan untuk membunuh serangga yang tidak diinginkan pada tanaman. Dengan demikian, penggunaan insektisida yang berpolusi tinggi dapat dihindari. Ini mengurangi dampak negatif pada tanah, air tanah, dan tanaman itu sendiri.

Kencan

Dengan bantuan radioisotop, usia benda tertentu dapat ditentukan. Dalam studi arkeologi hal ini sangat menarik karena memungkinkan sampel dipisahkan dan ditempatkan pada waktu yang sesuai. Radioisotop yang digunakan untuk aplikasi ini adalah karbon 14 ( ¹⁴ C) par excellence . T _{1/2 nya} adalah 5700 tahun, dan sampel dapat berumur sampai 50.000 tahun.

Peluruhan ¹⁴ C telah digunakan terutama untuk sampel biologis, kerangka, fosil, dll. Radioisotop lain, seperti ²⁴⁸ U, berumur t _1/2 juta tahun. Dengan mengukur konsentrasi ²⁴⁸ U dalam sampel meteorit, sedimen, dan mineral, dapat ditentukan apakah usianya sama dengan Bumi.

Referensi

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kimia. (Edisi ke-8). CENGAGE Learning.
2. Frank Kinard. (2019). Kimia Nuklir. Diperoleh dari: chemistryexplained.com
3. Kimia Nuklir. (sf). Diperoleh dari: sas.upenn.edu
4. Mazur Matt. (2019). Garis Waktu untuk Sejarah Kimia Nuklir. Mereka mendahului. Diperoleh dari: preceden.com
5. Sarah E. & Nyssa S. (nd). Penemuan Radioaktivitas. Kimia LibreTexts. Diperoleh dari: chem.libretexts.org
6. Scottsdale, Brenda. (sf). Jenis Pekerjaan Apa yang Dilakukan Ahli Kimia Nuklir? Kantor - Chron.com. Dipulihkan dari: work.chron.com
7. Wikipedia. (2019). Kimia Nuklir. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
8. American Chemical Society. (2019). Kimia Nuklir. Karier Kimia. Diperoleh dari: acs.org
9. Alan E. Waltar. (2003). Aplikasi Teknologi Nuklir di bidang Kedokteran, Pertanian, dan Industri. Laboratorium Nasional Pacific Northwest.