الكيمياء النووية

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
يُعد تحلل ألفا أحد أنواع التحلل الإشعاعي، حيث تنبعث جسيمات ألفا من نواة الذرة ، وبالتالي تتحول (أو "تتحلل") إلى ذرة ذات عدد كتلي منخفض بمقدار 4 وعدد ذري ​​منخفض بمقدار 2.

الكيمياء النووية هي فرع من فروع الكيمياء يتعامل مع النشاط الإشعاعي والعمليات النووية والتحولات في نوى الذرات، مثل التحول النووي والخواص النووية.

يشمل هذا المجال دراسة كيمياء العناصر المشعة ، مثل الأكتينيدات والراديوم والرادون ، بالإضافة إلى الكيمياء المرتبطة بالمعدات (مثل المفاعلات النووية ) المصممة لإجراء العمليات النووية. ويتضمن ذلك تآكل الأسطح وسلوكها في ظروف التشغيل العادية وغير العادية (كما في حالة وقوع حادث ). ومن المجالات المهمة دراسة سلوك الأجسام والمواد بعد وضعها في مواقع تخزين أو التخلص من النفايات النووية .

يشمل علم الكيمياء النووية دراسة التأثيرات الكيميائية الناتجة عن امتصاص الإشعاع داخل الكائنات الحية، من حيوانات ونباتات ومواد أخرى. وتتحكم كيمياء الإشعاع في جزء كبير من بيولوجيا الإشعاع ، إذ يؤثر الإشعاع على الكائنات الحية على المستوى الجزيئي. بعبارة أخرى، يُغير الإشعاع المواد الكيميائية الحيوية داخل الكائن الحي، وهذا التغيير في الجزيئات الحيوية يُغير بدوره التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الكائن الحي؛ وهذا التغيير الكيميائي بدوره قد يؤدي إلى نتائج بيولوجية. ونتيجة لذلك، تُسهم الكيمياء النووية بشكل كبير في فهم العلاجات الطبية (مثل العلاج الإشعاعي للسرطان ) وقد مكّنت من تحسين هذه العلاجات.

يشمل ذلك دراسة إنتاج واستخدام المصادر المشعة في مجموعة من العمليات. وتشمل هذه العمليات العلاج الإشعاعي في التطبيقات الطبية؛ واستخدام المواد المشعة المتتبعة في الصناعة والعلوم والبيئة، واستخدام الإشعاع لتعديل مواد مثل البوليمرات . [ 1 ]

يشمل ذلك أيضاً دراسة واستخدام العمليات النووية في مجالات النشاط البشري غير المشعة . على سبيل المثال، يُستخدم مطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) بشكل شائع في الكيمياء العضوية التركيبية والكيمياء الفيزيائية ، وفي التحليل البنيوي في كيمياء الجزيئات الكبيرة .

تاريخ

بعد اكتشاف فيلهلم رونتجن للأشعة السينية عام ١٨٩٥، بدأ العديد من العلماء العمل على الإشعاع المؤين. كان من بينهم هنري بيكريل ، الذي درس العلاقة بين التفسفر واسوداد الألواح الفوتوغرافية . عندما اكتشف بيكريل (الذي كان يعمل في فرنسا) أن اليورانيوم، دون أي مصدر طاقة خارجي، يُصدر أشعة قادرة على سواد (أو ضبابية ) اللوح الفوتوغرافي، تم اكتشاف النشاط الإشعاعي. قامت ماري سكلودوفسكا-كوري (التي كانت تعمل في باريس) وزوجها بيير كوري بعزل عنصرين مشعين جديدين من خام اليورانيوم. استخدموا طرقًا إشعاعية لتحديد مصدر النشاط الإشعاعي بعد كل عملية فصل كيميائي؛ حيث فصلوا خام اليورانيوم إلى كل عنصر من العناصر الكيميائية المختلفة المعروفة آنذاك، وقاسوا النشاط الإشعاعي لكل جزء. ثم حاولوا فصل هذه الأجزاء المشعة بشكل أكبر، لعزل جزء أصغر ذي نشاط إشعاعي نوعي أعلى (النشاط الإشعاعي مقسومًا على الكتلة). وبهذه الطريقة، تمكنوا من عزل البولونيوم والراديوم . ولوحظ في حوالي عام ١٩٠١ أن الجرعات العالية من الإشعاع قد تُسبب إصابات للإنسان. كان هنري بيكريل يحمل عينة من الراديوم في جيبه، ونتيجة لذلك تعرض لجرعة موضعية عالية أدت إلى حروق إشعاعية . [ ٢ ] أدت هذه الإصابة إلى دراسة الخصائص البيولوجية للإشعاع، مما أسفر مع مرور الوقت عن تطوير علاجات طبية.

أظهر إرنست رذرفورد ، الذي عمل في كندا وإنجلترا، أن الاضمحلال الإشعاعي يمكن وصفه بمعادلة بسيطة (معادلة مشتقة خطية من الدرجة الأولى، تُعرف الآن باسم حركية التفاعل من الدرجة الأولى )، مما يعني أن لكل مادة مشعة عمر نصف مميز (الزمن اللازم لانخفاض كمية النشاط الإشعاعي في المصدر إلى النصف). كما صاغ مصطلحات أشعة ألفا وبيتا وجاما ، وحوّل النيتروجين إلى أكسجين ، والأهم من ذلك أنه أشرف على الطلاب الذين أجروا تجربة جايجر-مارسدن (تجربة رقاقة الذهب) التي أثبتت خطأ نموذج " بودنغ البرقوق " للذرة . في نموذج بودنغ البرقوق، الذي اقترحه جيه جيه طومسون عام 1904، تتكون الذرة من إلكترونات محاطة بـ"سحابة" من الشحنة الموجبة لموازنة الشحنة السالبة للإلكترونات. بالنسبة لروذرفورد، أشارت تجربة رقاقة الذهب إلى أن الشحنة الموجبة محصورة في نواة صغيرة جدًا مما أدى أولاً إلى نموذج روذرفورد ، وفي النهاية إلى نموذج بور للذرة، حيث تحيط الإلكترونات السالبة بالنواة الموجبة.

في عام 1934، كانت ابنة ماري كوري ( إيرين جوليو-كوري ) وزوجها ( فريدريك جوليو-كوري ) أول من ابتكر النشاط الإشعاعي الاصطناعي : فقد قذفا البورون بجسيمات ألفا لإنتاج نظير النيتروجين -13 الفقير بالنيوترونات؛ وقد انبعث من هذا النظير بوزيترونات . [ 3 ] بالإضافة إلى ذلك، قذفا الألومنيوم والمغنيسيوم بالنيوترونات لإنتاج نظائر مشعة جديدة .

في أوائل عشرينيات القرن العشرين، ابتكر أوتو هان خطًا بحثيًا جديدًا. فباستخدام "طريقة الانبعاث"، التي كان قد طورها حديثًا، و"قدرة الانبعاث"، أسس ما عُرف لاحقًا باسم "الكيمياء الإشعاعية التطبيقية" لدراسة المسائل الكيميائية والفيزيائية الكيميائية العامة. وفي عام 1936، نشرت مطبعة جامعة كورنيل كتابًا باللغة الإنجليزية (ثم باللغة الروسية لاحقًا) بعنوان " الكيمياء الإشعاعية التطبيقية "، والذي تضمن المحاضرات التي ألقاها هان عندما كان أستاذًا زائرًا في جامعة كورنيل في إيثاكا، نيويورك ، عام 1933. كان لهذا المنشور المهم تأثير كبير على جميع الكيميائيين والفيزيائيين النوويين تقريبًا في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وفرنسا والاتحاد السوفيتي خلال ثلاثينيات وأربعينيات القرن العشرين، واضعًا بذلك الأساس للكيمياء النووية الحديثة. [ 4 ] اكتشف هان وليز مايتنر النظائر المشعة للراديوم والثوريوم والبروتاكتينيوم واليورانيوم . كما اكتشف ظاهرتي الارتداد الإشعاعي والتماثل النووي ، وكان رائدًا في تأريخ الروبيديوم-سترونتيوم . في عام 1938، اكتشف هان، بالتعاون مع ليز مايتنر وفريتز ستراسمان، الانشطار النووي ، وهو الاكتشاف الذي نال هان بفضله جائزة نوبل في الكيمياء عام 1944. شكّل الانشطار النووي أساسًا للمفاعلات النووية والأسلحة النووية . يُشار إلى هان بأنه أبو الكيمياء النووية [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] وعرّاب الانشطار النووي [ 8 ] .

المناطق الرئيسية

الكيمياء الإشعاعية هي كيمياء المواد المشعة، حيث تُستخدم النظائر المشعة للعناصر لدراسة خصائص وتفاعلات النظائر غير المشعة (غالبًا ما يؤدي غياب النشاط الإشعاعي في الكيمياء الإشعاعية إلى وصف المادة بأنها غير نشطة لأن النظائر مستقرة ).

لمزيد من التفاصيل، يرجى الاطلاع على صفحة الكيمياء الإشعاعية .

الكيمياء الإشعاعية

كيمياء الإشعاع هي دراسة التأثيرات الكيميائية للإشعاع على المادة؛ وهي تختلف تمامًا عن الكيمياء الإشعاعية، إذ لا يشترط وجود نشاط إشعاعي في المادة التي يتغير كيميائيًا بفعل الإشعاع. ومن الأمثلة على ذلك تحويل الماء إلى غاز الهيدروجين وبيروكسيد الهيدروجين . قبل ظهور كيمياء الإشعاع، كان يُعتقد أن الماء النقي لا يمكن تدميره. [ 9 ]

ركزت التجارب الأولية على فهم تأثيرات الإشعاع على المادة. وباستخدام مولد الأشعة السينية، درس هوغو فريكه التأثيرات البيولوجية للإشعاع مع شيوع استخدامه كخيار علاجي وطريقة تشخيصية. [ 9 ] اقترح فريكه، ثم أثبت لاحقًا، أن طاقة الأشعة السينية قادرة على تحويل الماء إلى ماء نشط، مما يسمح له بالتفاعل مع المواد المذابة. [ 10 ]

الكيمياء للطاقة النووية

تلعب الكيمياء الإشعاعية والكيمياء الإشعاعية والهندسة الكيميائية النووية دورًا مهمًا للغاية في تصنيع سلائف وقود اليورانيوم والثوريوم، بدءًا من خامات هذه العناصر، وتصنيع الوقود، وكيمياء المبردات، وإعادة معالجة الوقود، ومعالجة وتخزين النفايات المشعة ، ومراقبة إطلاق العناصر المشعة أثناء تشغيل المفاعل والتخزين الجيولوجي الإشعاعي، وما إلى ذلك. [ 11 ]

دراسة التفاعلات النووية

يُستخدم مزيج من الكيمياء الإشعاعية وكيمياء الإشعاع لدراسة التفاعلات النووية مثل الانشطار والاندماج . ومن الأدلة المبكرة على الانشطار النووي تكوّن نظير مشع قصير العمر للباريوم ، والذي عُزل من اليورانيوم المُشعّع بالنيوترونات ( يُعدّ كلٌّ من الباريوم -139 ، بنصف عمر يبلغ 83 دقيقة، والباريوم -140 ، بنصف عمر يبلغ 12.8 يومًا، من نواتج الانشطار الرئيسية لليورانيوم). في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن هذا نظير جديد للراديوم، إذ كان من الممارسات الكيميائية الإشعاعية الشائعة آنذاك استخدام راسب كبريتات الباريوم كحامل للمساعدة في عزل الراديوم. [ 12 ] ومؤخرًا، استُخدم مزيج من الطرق الكيميائية الإشعاعية والفيزياء النووية في محاولة لإنتاج عناصر "فائقة الثقل" جديدة؛ ويُعتقد أن هناك مناطق استقرار نسبي حيث يبلغ نصف عمر النوى سنوات، مما يُتيح عزل كميات قابلة للوزن من هذه العناصر الجديدة. لمزيد من التفاصيل حول الاكتشاف الأصلي للانشطار النووي، انظر إلى عمل أوتو هان . [ 13 ]

دورة الوقود النووي

هذه هي الكيمياء المرتبطة بأي جزء من دورة الوقود النووي ، بما في ذلك إعادة معالجة اليورانيوم . تشمل دورة الوقود جميع العمليات المتعلقة بإنتاج الوقود، بدءًا من التعدين ومعالجة الخامات وتخصيبها وصولًا إلى إنتاج الوقود ( المرحلة الأولى من الدورة ). كما تشمل أيضًا سلوك الوقود داخل المفاعل (استخدامه في المفاعل) قبل المرحلة الأخيرة من الدورة. تتضمن المرحلة الأخيرة إدارة الوقود النووي المستهلك إما في حوض تجميع الوقود المستهلك أو في مخزن جاف، قبل التخلص منه في مستودع نفايات تحت الأرض أو إعادة معالجته .

الحالات الطبيعية وغير الطبيعية

يمكن تقسيم الكيمياء النووية المرتبطة بدورة الوقود النووي إلى مجالين رئيسيين: الأول يتعلق بالتشغيل في ظل الظروف المقصودة، بينما يتعلق الثاني بظروف التشغيل غير السليمة، حيث يحدث تغيير ما عن ظروف التشغيل العادية، أو ( في حالات نادرة ) وقوع حادث. وبدون هذه العملية، لن يكون أي من هذا صحيحًا.

إعادة المعالجة

قانون

في الولايات المتحدة، من المعتاد استخدام الوقود مرة واحدة في مفاعل الطاقة قبل تخزينه في مستودع النفايات. وتتمثل الخطة طويلة الأجل حاليًا في تخزين وقود المفاعلات المدنية المستهلك في مستودع عميق. وقد بدأت هذه السياسة التي تمنع إعادة المعالجة في مارس 1977 بسبب المخاوف من انتشار الأسلحة النووية . أصدر الرئيس جيمي كارتر توجيهًا رئاسيًا علّق بموجبه إلى أجل غير مسمى إعادة معالجة البلوتونيوم وإعادة تدويره تجاريًا في الولايات المتحدة. وربما كان هذا التوجيه محاولة من الولايات المتحدة لتكون قدوة للدول الأخرى، إلا أن العديد من الدول الأخرى لا تزال تعيد معالجة الوقود النووي المستهلك. وقد ألغت الحكومة الروسية في عهد الرئيس فلاديمير بوتين قانونًا كان يحظر استيراد الوقود النووي المستهلك، مما يتيح للروس تقديم خدمة إعادة المعالجة لعملاء خارج روسيا (على غرار الخدمة التي تقدمها شركة BNFL ).

كيمياء بيوركس

الطريقة المُفضلة حاليًا هي استخدام عملية استخلاص السائل-السائل PUREX ، التي تستخدم مزيجًا من فوسفات ثلاثي البوتيل والهيدروكربون لاستخلاص كلٍ من اليورانيوم والبلوتونيوم من حمض النيتريك . يُصنف هذا الاستخلاص لأملاح النترات ضمن آلية الإذابة . على سبيل المثال، يتم استخلاص البلوتونيوم بواسطة عامل استخلاص (S) في وسط نتراتي وفقًا للتفاعل التالي.

Pu⁴⁺ aq + 4NO₃⁻ aq + 2S organic → [ Pu ( NO₃ ) ₄S₂ ] organic

تتشكل رابطة معقدة بين الكاتيون المعدني والنترات وفوسفات ثلاثي البوتيل، وقد تم توصيف مركب نموذجي لمركب ديوكسيورانيوم (VI) مع اثنين من أنيونات النترات واثنين من روابط فوسفات ثلاثي الإيثيل بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية . [ 14 ]

عندما يكون تركيز حمض النيتريك مرتفعًا، يُفضّل الاستخلاص في الطور العضوي، وعندما يكون تركيزه منخفضًا، ينعكس الاستخلاص (يُزال المعدن من الطور العضوي). من المعتاد إذابة الوقود المستهلك في حمض النيتريك، وبعد إزالة المواد غير الذائبة، يُستخلص اليورانيوم والبلوتونيوم من المحلول عالي النشاط. ثم يُعاد استخلاص الطور العضوي المحمّل لإنتاج محلول متوسط ​​النشاط يحتوي في معظمه على اليورانيوم والبلوتونيوم مع آثار ضئيلة فقط من نواتج الانشطار. يُستخلص هذا المزيج المائي متوسط ​​النشاط مرة أخرى باستخدام فوسفات ثلاثي البوتيل/الهيدروكربون لتكوين طور عضوي جديد، ثم يُزال المعدن من الطور العضوي الحامل للمعادن لتكوين مزيج مائي من اليورانيوم والبلوتونيوم فقط. تُستخدم مرحلتا الاستخلاص لتحسين نقاء منتج الأكتينيدات ، حيث يتعرض الطور العضوي المستخدم في الاستخلاص الأول لجرعة إشعاعية أكبر بكثير. يمكن للإشعاع أن يُحوّل فوسفات ثلاثي البوتيل إلى فوسفات ثنائي البوتيل الهيدروجيني. يعمل فوسفات ثنائي البوتيل الهيدروجيني كعامل استخلاص لكل من الأكتينيدات ومعادن أخرى مثل الروثينيوم . قد يُؤدي فوسفات ثنائي البوتيل الهيدروجيني إلى تعقيد سلوك النظام، إذ يميل إلى استخلاص المعادن عبر آلية التبادل الأيوني (حيث يُفضّل الاستخلاص بتركيز حمضي منخفض). وللحد من تأثير فوسفات ثنائي البوتيل الهيدروجيني، يُغسل الطور العضوي المُستخدَم عادةً بمحلول كربونات الصوديوم لإزالة نواتج التحلل الحمضية لفوسفات ثلاثي البوتيل.

يجري النظر في استخدام أساليب جديدة في المستقبل

يمكن تعديل عملية PUREX لإنشاء عملية UREX ( استخلاص اليورانيوم EX ) والتي يمكن استخدامها لتوفير المساحة داخل مواقع التخلص من النفايات النووية عالية المستوى ، مثل مستودع النفايات النووية في جبل يوكا ، عن طريق إزالة اليورانيوم الذي يشكل الغالبية العظمى من كتلة وحجم الوقود المستخدم وإعادة تدويره كيورانيوم معاد معالجته .

عملية UREX هي عملية PUREX مُعدّلة لمنع استخلاص البلوتونيوم. ويتم ذلك بإضافة عامل مُختزل للبلوتونيوم قبل خطوة استخلاص المعدن الأولى. في عملية UREX، يتم فصل حوالي 99.9% من اليورانيوم وأكثر من 95% من التكنيتيوم عن بعضهما البعض وعن نواتج الانشطار الأخرى والأكتينيدات. يكمن السر في إضافة حمض الأسيتوهيدروكساميك (AHA) إلى مرحلتي الاستخلاص والتنقية في العملية. تُقلل إضافة AHA بشكل كبير من قابلية استخلاص البلوتونيوم والنبتونيوم ، مما يوفر مقاومة أكبر للانتشار النووي مقارنةً بمرحلة استخلاص البلوتونيوم في عملية PUREX.

بإضافة عامل استخلاص ثانٍ، وهو أوكتيل (فينيل)- N ، N- ثنائي بيوتيل كاربامويل ميثيل فوسفين أوكسيد (CMPO) مع ثلاثي بيوتيل فوسفات (TBP)، يمكن تحويل عملية PUREX إلى عملية TRUEX ( استخلاص العناصر العابرة لليورانيوم ). هذه العملية ، التي ابتكرها مختبر أرغون الوطني في الولايات المتحدة، مصممة لإزالة المعادن العابرة لليورانيوم (الأمريسيوم/الكوريوم) من النفايات. تقوم الفكرة على أنه بخفض النشاط الإشعاعي ألفا للنفايات، يمكن التخلص من معظمها بسهولة أكبر. وكما هو الحال في PUREX، تعمل هذه العملية بآلية الإذابة.

كبديلٍ لتقنية TRUEX، طُوِّرت عملية استخلاص باستخدام مالوندياميد. تتميز عملية DIAMEX ( استخلاص الديامايد ) بميزة تجنب تكوين نفايات عضوية تحتوي على عناصر أخرى غير الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين . يمكن حرق هذه النفايات العضوية دون تكوين غازات حمضية قد تُساهم في الأمطار الحمضية . يجري العمل على تطوير عملية DIAMEX في أوروبا من قِبَل هيئة الطاقة الذرية الفرنسية ( CEA) . وقد وصلت العملية إلى مرحلة نضج كافية تسمح بإنشاء مصنع صناعي بالاستفادة من المعرفة المتوفرة عنها. وكما هو الحال في تقنية PUREX، تعمل هذه العملية بآلية الإذابة. [ 15 ] [ 16 ]

استخلاص الأكتينيدات الانتقائي (SANEX). في إطار إدارة الأكتينيدات الثانوية، اقتُرح إزالة اللانثانيدات والأكتينيدات الثانوية ثلاثية التكافؤ من راشح PUREX باستخدام عملية مثل DIAMEX أو TRUEX. ولتمكين إعادة استخدام الأكتينيدات، كالأمريسيوم، في المصادر الصناعية أو كوقود، لا بد من إزالة اللانثانيدات . تتميز اللانثانيدات بمقاطع عرضية نيوترونية كبيرة، ما قد يؤدي إلى تسمم التفاعلات النووية التي تعمل بالنيوترونات. حتى الآن، لم يُحدد نظام استخلاص SANEX، لكن العديد من المجموعات البحثية تعمل حاليًا على تطويره. على سبيل المثال، تعمل هيئة الطاقة الذرية الفرنسية (CEA) على عملية تعتمد على ثنائي تريازينيل بيريدين (BTP).

ويعمل باحثون آخرون على أنظمة أخرى مثل أحماض ثنائي ثيوفوسفينيك.

هذه هي عملية الاستخلاص العالمية EX، التي طُوّرت في روسيا وجمهورية التشيك، وهي عملية مصممة لإزالة جميع النظائر المشعة الأكثر إشكالية (السترونتيوم والسيزيوم والأكتينيدات الثانوية ) من الرواسب المتبقية بعد استخلاص اليورانيوم والبلوتونيوم من الوقود النووي المستهلك . [ 17 ] [ 18 ] تعتمد الكيمياء على تفاعل السيزيوم والسترونتيوم مع أكسيد البولي إيثيلين ( بولي إيثيلين جليكول ) وأنيون كاربوران الكوبالت ( المعروف باسم ثنائي كاربوليد الكوبالت المكلور). [ 19 ] تُستخلص الأكتينيدات بواسطة CMPO، والمذيب المستخدم هو مركب عطري قطبي مثل النيتروبنزين . وقد اقتُرحت مذيبات أخرى أيضًا مثل ميتا -نيتروبنزوتراي فلورايد وفينيل ثلاثي فلورو ميثيل سلفون . [ 20 ]

امتصاص نواتج الانشطار على الأسطح

يُعدّ دراسة تفاعل نواتج الانشطار مع الأسطح مجالًا هامًا آخر في الكيمياء النووية؛ إذ يُعتقد أن هذا التفاعل يتحكم في معدل إطلاق وانتشار هذه النواتج من حاويات النفايات في الظروف العادية، ومن مفاعلات الطاقة في حالات الحوادث. وكما هو الحال مع الكرومات والموليبدات ، يتفاعل أنيون 99TcO₄ مع أسطح الفولاذ مُشكِّلًا طبقة مقاومة للتآكل . وبهذه الطريقة، تعمل هذه الأنيونات المعدنية كمثبطات للتآكل الأنودي . ويُعدّ تكوّن 99TcO₂ على أسطح الفولاذ أحد العوامل التي تُبطئ إطلاق 99Tc من براميل النفايات النووية والمعدات النووية التي فُقدت قبل عملية التطهير (مثل مفاعلات الغواصات المفقودة في البحر). تُؤدّي طبقة 99TcO₂ هذه إلى جعل سطح الفولاذ خاملًا، مما يُثبِّط تفاعل التآكل الأنودي . إلا أن الطبيعة المشعة للتكنيتيوم تجعل هذه الحماية من التآكل غير عملية في معظم الحالات. وقد ثبت أيضًا أن أنيونات 99TcO₄ تتفاعل لتُشكِّل طبقة على سطح الكربون المنشط ( الفحم النباتي ) أو الألومنيوم . [ 21 ] [ 22 ] يمكن الاطلاع على مراجعة موجزة للخصائص البيوكيميائية لسلسلة من النظائر المشعة الرئيسية طويلة العمر عبر الإنترنت. [ 23 ]

قد يوجد التكنيتيوم -99 في النفايات النووية بأشكال كيميائية أخرى غير أيون 99TcO₄⁻ ، وتختلف هذه الأشكال الأخرى في خصائصها الكيميائية. [ 24 ] وبالمثل، يمكن إبطاء إطلاق اليود-131 في حالة وقوع حادث خطير في مفاعل نووي عن طريق امتصاصه على الأسطح المعدنية داخل المحطة النووية . [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

تعليم

على الرغم من تزايد استخدام الطب النووي، والتوسع المحتمل لمحطات الطاقة النووية، والمخاوف بشأن الحماية من التهديدات النووية وإدارة النفايات النووية المتولدة في العقود الماضية، فقد انخفض عدد الطلاب الذين يختارون التخصص في الكيمياء النووية والإشعاعية انخفاضًا ملحوظًا خلال العقود القليلة الماضية. والآن، مع اقتراب العديد من الخبراء في هذه المجالات من سن التقاعد، بات من الضروري اتخاذ إجراءات لتجنب نقص الكوادر في هذه المجالات الحيوية، وذلك على سبيل المثال من خلال تعزيز اهتمام الطلاب بهذه المهن، وتوسيع القدرات التعليمية للجامعات والكليات، وتوفير تدريب عملي أكثر تخصصًا. [ 30 ]

يُدرَّس علم الكيمياء النووية والإشعاعية في الغالب على مستوى الجامعات، وعادةً ما يبدأ تدريسه في مرحلتي الماجستير والدكتوراه. وفي أوروبا، تُبذل جهودٌ حثيثةٌ لتنسيق مناهج تعليم الكيمياء النووية والإشعاعية وتجهيزها لتلبية احتياجات الصناعة والمجتمع المستقبلية. ويجري تنسيق هذه الجهود ضمن مشروعٍ مموّلٍ من برنامج العمل المنسق المدعوم من البرنامج الإطاري السابع للجماعة الأوروبية للطاقة الذرية. [ 31 ] [ 32 ] ورغم أن موقع NucWik مُوجَّهٌ في المقام الأول إلى المُدرِّسين، إلا أنه يُرحِّب بكلِّ من يهتمّ بالكيمياء النووية والإشعاعية، حيث يُمكنه العثور على الكثير من المعلومات والمواد التي تُوضِّح المواضيع المُتعلِّقة بهذا العلم.

مناطق الدوران

أصبحت بعض الأساليب التي طُوّرت في البداية ضمن الكيمياء والفيزياء النووية شائعة الاستخدام في الكيمياء والعلوم الفيزيائية الأخرى، لدرجة أنه من الأنسب اعتبارها منفصلة عن الكيمياء النووية التقليدية . فعلى سبيل المثال، يُستخدم تأثير النظائر على نطاق واسع لدراسة الآليات الكيميائية، كما يُستخدم استخدام النظائر الكونية والنظائر غير المستقرة طويلة العمر في الجيولوجيا، ولذلك يُفضّل اعتبار جزء كبير من كيمياء النظائر منفصلاً عن الكيمياء النووية.

الحركية (الاستخدام في الكيمياء الميكانيكية)

يمكن دراسة آليات التفاعلات الكيميائية من خلال مراقبة كيفية تغير حركية التفاعل عند إجراء تعديل نظائري على المادة المتفاعلة، وهو ما يُعرف بتأثير النظائر الحركي . تُعد هذه الطريقة الآن معيارًا في الكيمياء العضوية . باختصار، يؤدي استبدال الهيدروجين العادي ( البروتونات ) بالديوتيريوم داخل الجزيء إلى انخفاض التردد الاهتزازي الجزيئي لروابط XH (مثل CH وNH وOH)، مما يؤدي إلى انخفاض طاقة نقطة الصفر الاهتزازية . قد يؤدي هذا إلى انخفاض في معدل التفاعل إذا كانت الخطوة المحددة للمعدل تتضمن كسر رابطة بين الهيدروجين وذرة أخرى. [ 33 ] وبالتالي، إذا تغير معدل التفاعل عند استبدال البروتونات بالديوتيريوم، فمن المنطقي افتراض أن كسر الرابطة مع الهيدروجين هو جزء من الخطوة التي تحدد المعدل.

الاستخدامات في مجالات الجيولوجيا وعلم الأحياء وعلم الأدلة الجنائية

تتكون النظائر الكونية نتيجة تفاعل الأشعة الكونية مع نواة الذرة. ويمكن استخدامها لتحديد الأعمار وكعناصر تتبع طبيعية. إضافةً إلى ذلك، يُمكن من خلال القياس الدقيق لبعض نسب النظائر المستقرة الحصول على معلومات جديدة حول أصل الرصاص، وأعمار عينات الجليد، وأعمار الصخور، كما يُمكن تحديد النظام الغذائي للشخص من خلال عينة من الشعر أو الأنسجة الأخرى. (للمزيد من التفاصيل، انظر: جيوكيمياء النظائر والبصمة النظيرية ).

علم الأحياء

في الكائنات الحية، يمكن استخدام النظائر المشعة وغير المشعة لدراسة كيفية تحويل شبكة التفاعلات المعقدة التي تشكل عملية التمثيل الغذائي للكائن الحي لمادة إلى أخرى. على سبيل المثال، يستخدم النبات الأخضر طاقة الضوء لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز من خلال عملية التمثيل الضوئي . إذا تم وسم الأكسجين الموجود في الماء، فإن الوسم يظهر في غاز الأكسجين الذي ينتجه النبات وليس في الجلوكوز المتكون في البلاستيدات الخضراء داخل خلايا النبات.

تُستخدم العديد من النظائر المحددة في التجارب البيوكيميائية والفيزيولوجية والأساليب الطبية.

  • تتميز النظائر المستقرة بعدم تعريض النظام المدروس لجرعة إشعاعية؛ إلا أن وجود فائض كبير منها في العضو أو الكائن الحي قد يؤثر على وظائفه، كما أن توفر كميات كافية منها لإجراء دراسات على الحيوانات الكاملة محدود بالنسبة للعديد من النظائر. كذلك، يُعد قياسها صعباً، ويتطلب عادةً استخدام مطياف الكتلة لتحديد كمية النظير الموجودة في مركبات معينة، ولا توجد وسيلة لتحديد موقع القياسات داخل الخلية.
  • يُعدّ النظير المستقر للهيدروجين ( 2H ) نظيراً مستقراً، ويمكن قياس تركيزه باستخدام مطياف الكتلة أو الرنين المغناطيسي النووي. وهو يدخل في تركيب جميع الخلايا. كما يمكن إنتاج مركبات محددة مُدَوتَرة.
  • كما تم استخدام النظير المستقر للنيتروجين 15N. وهو يندمج بشكل رئيسي في البروتينات .
  • تتميز النظائر المشعة بإمكانية الكشف عنها بكميات ضئيلة للغاية، وسهولة قياسها باستخدام عدّاد الوميض أو غيره من الطرق الكيميائية الإشعاعية، وإمكانية تحديد موقعها في مناطق معينة من الخلية، وقياسها كميًا باستخدام التصوير الإشعاعي الذاتي . ويمكن تحضير العديد من المركبات التي تحتوي على ذرات مشعة في مواقع محددة، وهي متوفرة تجاريًا على نطاق واسع. إلا أن استخدامها بكميات كبيرة يتطلب اتخاذ احتياطات لحماية العاملين من آثار الإشعاع، كما أنها قد تلوث بسهولة الأواني الزجاجية والمعدات الأخرى في المختبر. وبالنسبة لبعض النظائر، يكون عمر النصف قصيرًا جدًا لدرجة تجعل تحضيرها وقياسها أمرًا صعبًا.

باستخدام التخليق العضوي، يُمكن تكوين جزيء معقد يحمل علامة مشعة محصورة في منطقة صغيرة منه. بالنسبة للنظائر قصيرة العمر، مثل الكربون -11 ، طُوّرت طرق تخليقية سريعة جدًا تسمح بإضافة النظير المشع إلى الجزيء بسرعة. على سبيل المثال، استُخدم تفاعل الكربنة المحفز بالبلاديوم في جهاز ميكروفلويدي لتكوين الأميدات بسرعة [ 34 ] ، وقد يكون من الممكن استخدام هذه الطريقة لتكوين عوامل تصوير مشعة للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET ) [ 35 ] .

  • يتوفر النظير المشع للهيدروجين، 3H ( التريتيوم )، بنشاط إشعاعي نوعي عالٍ جدًا، ويمكن تحضير المركبات التي تحتوي على هذا النظير في مواقع محددة بسهولة عن طريق تفاعلات كيميائية قياسية مثل هدرجة المركبات غير المشبعة. يُصدر هذا النظير إشعاع بيتا ضعيفًا جدًا، ويمكن الكشف عنه باستخدام عداد الوميض.
  • يُنتَج الكربون-11 (11C) عادةً عن طريق قصف النيتروجين -14 (14N ) بالبروتونات في السيكلوترون . والتفاعل النووي الناتج هو 14N (p,α) 11C . [ 36 ] بالإضافة إلى ذلك، يمكن إنتاج الكربون-11 باستخدام السيكلوترون ؛ حيث يتفاعل البورون، على شكل أكسيد البوريك، مع البروتونات في تفاعل (p,n). وهناك طريقة بديلة أخرى تتمثل في تفاعل البورون -10 (10B) مع الديوترونات. ومن خلال التخليق العضوي السريع، يُحوَّل مركب الكربون -11 المتكون في السيكلوترون إلى عامل تصوير يُستخدم بعد ذلك في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET).
  • يمكن تصنيع الكربون -14 (كما ذُكر سابقًا)، ومن الممكن تحويل المادة المستهدفة إلى مركبات عضوية وغير عضوية بسيطة. في معظم عمليات التخليق العضوي، يُسعى عادةً إلى تكوين ناتج من جزأين متساويين تقريبًا في الحجم، وذلك باستخدام مسار تقاربي. ولكن عند إضافة علامة مشعة، يُفضل إضافتها في مرحلة متأخرة من التخليق على شكل جزء صغير جدًا من الجزيء، لتمكين تركيز النشاط الإشعاعي في مجموعة واحدة. كما أن إضافة العلامة في مرحلة متأخرة تُقلل من عدد مراحل التخليق التي تُستخدم فيها المادة المشعة.
  • يمكن إنتاج الفلور-18 ( 18F ) من خلال تفاعل النيون مع الديوترونات، حيث يتفاعل النيون -20 ( 20Ne ) في تفاعل (d, 4He ). من الشائع استخدام غاز النيون مع كمية ضئيلة من الفلور المستقر ( 19F₂ ). يعمل الفلور -19 كناقل، مما يزيد من إنتاجية النشاط الإشعاعي من هدف السيكلوترون عن طريق تقليل كمية النشاط الإشعاعي المفقود نتيجة الامتصاص على الأسطح. مع ذلك، يأتي هذا الانخفاض في الفقد على حساب النشاط الإشعاعي النوعي للمنتج النهائي.

التحليل الطيفي النووي

تُعدّ مطيافية النوى طرقًا تستخدم نواة الذرة للحصول على معلومات حول البنية المحلية للمادة. ومن أهم هذه الطرق الرنين المغناطيسي النووي (انظر أدناه)، ومطيافية موسباور، والارتباط الزاوي المضطرب . تعتمد هذه الطرق على تفاعل المجال فائق الدقة مع دوران النواة. قد يكون هذا المجال مغناطيسيًا أو/و كهربائيًا، وينشأ عن إلكترونات الذرة وجيرانها المحيطين. وبذلك، تُسهم هذه الطرق في دراسة البنية المحلية للمادة، ولا سيما المادة المكثفة في فيزياء المادة المكثفة وكيمياء الحالة الصلبة .

الرنين المغناطيسي النووي (NMR)

تستخدم مطيافية الرنين النووي المغناطيسي (NMR) العزم المغزلي الصافي للنوى في المادة عند امتصاص الطاقة لتحديد الجزيئات. وقد أصبحت هذه التقنية أداة طيفية قياسية في الكيمياء التركيبية . ومن أهم استخدامات مطيافية الرنين النووي المغناطيسي تحديد ترابط الروابط داخل الجزيء العضوي.

يستخدم التصوير بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) أيضًا الدوران المحصل للنوى (عادةً البروتونات) للتصوير. ويُستخدم هذا على نطاق واسع لأغراض التشخيص في الطب، ويمكنه توفير صور تفصيلية للأعضاء الداخلية للجسم دون تعريضه لأي إشعاع. في المجال الطبي، يُعرف التصوير بالرنين المغناطيسي النووي غالبًا باسم "التصوير بالرنين المغناطيسي"، لأن كلمة "نووي" تحمل دلالات سلبية لدى الكثيرين.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ كلوف، آر إل؛ جيلين، كيه تي (1 يناير 1989). أكسدة البوليمرات بالإشعاع . اجتماع المجموعة الاستشارية للوكالة الدولية للطاقة الذرية بشأن التدهور الإشعاعي للبوليمرات، تاكاساكي، اليابان، 17-20 يوليو 1989. OSTI 6050016 . 
  2. ↑ "بيكيريل، (أنطوان-)هنري". بيكيريل، (أنطوان-)هنري . بريتانيكا . مؤرشف من الأصل بتاريخ 12-09-2002.
  3. ↑ "فريدريك جوليو - سيرة ذاتية" . nobelprize.org . تم الاطلاع عليه في 1 أبريل 2018 .
  4. ↑ هان، أوتو (1966). لي، ويلي (محرر). أوتو هان: سيرة ذاتية علمية . سي. سكريبنر وأولاده. الصفحات 9-10 . 
  5. ↑ تيتز، تابيا (8 مارس 2018). "أوتو هان - أبو الكيمياء النووية" . مدونة العلوم والتكنولوجيا .
  6. ↑ "أوتو هان" . مؤسسة التراث الذري .
  7. ↑ "أبو الكيمياء النووية - أوتو إميل هان" . كيميكال إنفو . 20 مايو 2020.
  8. ↑ "حياة من الانشطار: اكتشاف الطاقة النووية" . اجتماعات لينداو للحائزين على جائزة نوبل . 11 فبراير 2019.
  9. 1 2 جوناه، تشارلز د . (نوفمبر 1995). "تاريخ موجز للكيمياء الإشعاعية للماء". بحوث الإشعاع . 144 (2): 141-147 . Bibcode : 1995RadR..144..141J . doi : 10.2307/3579253 . JSTOR 3579253. PMID 7480640 .  
  10. ↑ ألين، أ.و. (سبتمبر 1962). "هوغو فريكه وتطور كيمياء الإشعاع: منظور شامل" . كيمياء الإشعاع . 17 (3): 254-261 . Bibcode : 1962RadR...17..254A . doi : 10.2307 /3571090 . JSTOR 3571090. OSTI 12490813 .  
  11. ↑ تشميلفسكي، أ.ج. (2011). "الكيمياء من أجل الطاقة النووية المستقبلية". نوكليونيكا . 56 (3): 241-249 .
  12. ↑ "الكيمياء النووية: اكتشاف الانشطار (1938)" . دراسات حالة في الكيمياء العامة . 2005. مؤرشف من الأصل في 23 يناير 2007.
  13. ↑ مايتنر إل، فريش أو آر (1939) تفكك اليورانيوم بواسطة النيوترونات: نوع جديد من التفاعلات النووية. مجلة نيتشر 143 : 239-240. "اكتشاف الانشطار" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 18 أبريل 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 أبريل 2008 .
  14. ↑ جيه إتش بيرنز، "مركبات استخلاص المذيبات لأيون اليورانيل. 2. البنى البلورية والجزيئية لـ catena-bis(.mu.-di-n-butyl phosphato-O,O')dioxouranium(VI) و bis(.mu.-di-n-butyl phosphato-O,O')bis[(nitrato)(tri-n-butylphosphine oxide)dioxouranium(VI)]"، الكيمياء اللاعضوية ، 1983، 22 ، 1174-1178
  15. ↑ "اختبار ديامكس غير النشط باستخدام عامل الاستخلاص المحسن DMDOHEMA" (ملف PDF) . وكالة الطاقة النووية .
  16. ↑ "فصل الأكتينيدات الثانوية عن النفايات المشعة عالية الإشعاع باستخدام عملية ديامكس" (ملف PDF) . وكالة الطاقة النووية . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 20 فبراير 2012.
  17. ↑ "فريق أمريكي روسي يُسهّل معالجة النفايات النووية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 11 مارس 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 يونيو 2007 .
  18. ↑ "جسر المعلومات: المعلومات العلمية والتقنية لوزارة الطاقة - الوثيقة رقم 765723" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 مايو 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يناير 2007 .
  19. ↑ "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من الأصل (PDF) بتاريخ 16 فبراير 2017. تم الاطلاع عليها بتاريخ 24 يناير 2007 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  20. ↑ "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 28-09-2007 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 17-06-2006 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  21. ↑ تطهير الأسطح، جورج هـ. جودال وباري إي. جيليسبي، براءة اختراع الولايات المتحدة رقم 4839100
  22. ↑ إنجلمان، مارك د.؛ ميتز، لوري أ.؛ بالو، ناثان إي. (1 مايو 2006). "استخلاص التكنيتيوم الممتز على الفحم". مجلة الكيمياء الإشعاعية والنووية . 268 (2): 201. Bibcode : 2006JRNC..268..201E . doi : 10.1007/s10967-006-0154-1 . OSTI 885448. S2CID 94817318 .  
  23. ↑ "الملحق ج. النويدات المشعة الرئيسية وعمليات توليدها - تقرير قدرة التخلص من النفايات منخفضة المستوى، المراجعة 1" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 23-09-2006 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13-11-2007 .
  24. ↑ "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من الأصل (PDF) بتاريخ 28-02-2017 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 24-01-2007 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  25. ↑ غلانيسكوغ هـ (2004) تفاعلات اليود ( I₂) وميثيل اليود (CH₃I ) مع المعادن النشطة في ظروف الحوادث الخطيرة في مفاعلات الماء المغلي. الهندسة النووية والتصميم 227 : 323-329
  26. ↑ غلانيسكوغ هـ (2005) كيمياء اليود في ظل ظروف الحوادث الخطيرة في مفاعل الطاقة النووية، أطروحة دكتوراه، جامعة تشالمرز للتكنولوجيا، السويد
  27. ^ SBFI، Staatssekretariat für Bildung، Forschung und Innovation. "أنا برينبونكت" . www.sbf.admin.ch . تم الاسترجاع في 1 أبريل 2018 .{{cite web}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  28. ↑ "ورشة عمل حول جوانب اليود في إدارة الحوادث الخطيرة - ملخص واستنتاجات، 18-20 مايو 1999، فانتا، فنلندا" (PDF) .
  29. ↑ "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من الأصل (PDF) بتاريخ 10-07-2007 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 13-11-2007 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  30. ↑ ضمان مستقبل الخبرة النووية والكيميائية الإشعاعية في الولايات المتحدة . مجلس العلوم والتكنولوجيا الكيميائية. 2012. ISBN 978-0-309-22534-2.
  31. ↑ "www.cinch-project.eu" . cinch-project.eu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 أغسطس 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أبريل 2018 .أنشأ هذا المشروع موقع ويكي مخصصًا لتدريس المجلس الوطني للبحوث، وهو NucWik على موقع Wikispaces.
  32. ↑ "NucWik - الصفحة الرئيسية" . nucwik.wikispaces.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 27 نوفمبر 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أبريل 2018 .
  33. ↑ بيتر أتكينز وخوليو دي باولا، الكيمياء الفيزيائية لأتكينز، الطبعة الثامنة (دبليو إتش فريمان 2006)، ص 816-818
  34. ↑ ميلر وآخرون ( 2006) الاتصالات الكيميائية 546-548
  35. ↑ الجمعية الملكية للكيمياء (22 مايو 2015). "الاتصالات الكيميائية" . www.rsc.org . تم الاطلاع عليه في 1 أبريل 2018 .
  36. ↑ "إنتاج المستحضرات الصيدلانية المشعة الموسومة بالكربون-11 " ( ملف PDF) . المعهد الوطني للصحة العقلية. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 23 يونيو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 سبتمبر 2013 .

للمزيد من القراءة

دليل الكيمياء النووية
دليل شامل في ستة مجلدات بقلم 130 خبيرا دوليا. حرره أتيلا فيرتيس، ساندور ناجي، زولتان كلينكسار، ريزسو جي لوفاس، فرانك روش. رقم ISBN 978-1-4419-0721-9سبرينغر ، 2011.
النشاط الإشعاعي، النويدات المشعة، الإشعاع
كتاب مدرسي من تأليف ماجيل، جالي. رقم ISBN 3-540-21116-0سبرينغر، 2005 .
الكيمياء الإشعاعية والكيمياء النووية، الطبعة الثالثة
كتاب دراسي شامل من تأليف تشوبان، ليليينزين، وريدبيرغ. رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 0-7506-7463-6Butterworth-Heinemann، 2001.
الكيمياء الإشعاعية والكيمياء النووية، الطبعة الرابعة
كتاب دراسي شامل من تأليف تشوبان، ليليينزين ، ريدبيرغ، وإيكبيرغ. رقم ISBN 978-0-12-405897-2إلسيفير، 2013
النشاط الإشعاعي، والإشعاع المؤين، والطاقة النووية
كتاب أساسي لطلاب المرحلة الجامعية الأولى من تأليف جيري هالا وجيمس د. نافراتيل. رقم ISBN 80-7302-053-Xكونفوي، برنو 2003
دليل الكيمياء الإشعاعية
نظرة عامة على إنتاج واستخدامات المصادر المفتوحة والمغلقة. حرره بي جيه ويلسون، وكتبه كل من آر جيه بايلي، وجيه آر كاتش، وجيه سي تشارلتون، وسي سي إيفانز، وتي تي غورسوش، وجيه سي ماينارد، وإل سي مايرسكوف، وجي آر نيوبيري، وإتش شيرد، وسي بي جي تايلور، وبي جيه ويلسون. بيع مركز الكيمياء الإشعاعية (أميرشام) عن طريق دار النشر الحكومية البريطانية ، 1966 (الطبعة الثانية).