شیمی هسته‌ای

شماره ششم نشریه اکسیر/تابستان 1400آریستا سالاری/آیدین باقریشیمی هسته‌ای یکی از شاخه‌های علم شیمی و فناوری هسته‌ای می‌باشد که در این حوزه مجموعه واکنش‌ها و برهمکنش‌های فرایندهای هسته‌ای مورد برسی قرار می‌گیرد.از حوزه‌های پرکاربرد شیمی هسته‌ای می‌توان به تولید رادیوایزوتوپ‌ها برای عکسبرداری پزشکی، ساخت دارو و طراحی و ساخت سوخت هسته‌ای اشاره کرد.ابتدا به تعاریف رسمی رادیوشیمی(RC) و شیمی هسته‌ای(NC) مطابق IUPAC می‌پردازیم.رادیوشیمی: به بخشی از شیمی گفته می‌شود که با مواد رادیواکتیو سر و کار دارد. این امر شامل تولید رادیونوکلئیدها و ترکیبات آنها از طریق تابش ذرات و مواد رادیواکتیو است. زمینه‌های مطالعاتی رادیوشیمی شامل تکنیک‌های شیمیایی مربوط به مطالعات هسته‌ای، استفاده از رادیواکتیویته برای بررسی موارد شیمیایی، بیوشیمیایی یا زیست‌پزشکی می‌باشد.شیمی هسته‌ای: قسمتی از شیمی که به مطالعه هسته‌ها می‌پردازد و همچنین واکنش‌های هسته‌ای را با استفاده از روش‌های شیمیایی مورد بررسی قرار می‌دهد.کارشناسان در زمینه آنچه ما RC و NC می‌نامیم خود را رادیوشیمیست و یا به عنوان شیمیدان هسته‌ای معرفی می‌کنند. با این حال، بخش قابل توجهی از درون‌مایه اصلی دانش این دو حوزه مشترک است، و آنها تا حد قابل توجهی با هم آمیخته می‌شوند. بنابراین تمیز دادن این دو رشته از یکدیگر کار دشواری است.زمینه های اصلی شیمی هسته ای از این قرارند:پرتوشیمی:شیمی ترکیبات پرتوفعال است. گاهی در مطالعهٔ واکنش‌های شیمیایی، ایزوتوپ مواد پرتوزا برای بررسی ویژگی‌های ترکیب‌های غیرپرتوزا به‌کار گرفته می‌شوند. همچنین، پرتوشیمی برای ایجاد تغییر یا مطالعهٔ ساختارهای شیمیایی و زیستی دارای اهمیت است. در پرتوشیمی، عناصر طبیعی و دست‌ساز بشر هر دو مورد بررسی قرار می‌گیرند. شاخه‌های اصلی و درگیر در پرتوشیمی از این قرارند:شیمی اکتینید، شیمی‌درمانی و زیست‌شیمی پرتویی، شیمی هسته‌ای و روش‌های طیف‌سنجی پرتوییچرخه سوخت هسته‌ای: به مراحل اکتشاف، استخراج، غنی‌سازی و کاربرد و دفع و بازیافت سوخت هسته‌ای گفته می‌شود. PUREXیک روش شیمیایی برای خالص‌سازی سوخت یا سلاح هسته‌ای است.تاریخچه: از نظر تاریخی، در سال‌های اولیۀ RC و NC، اصطلاح RC برای کل زمینه‌ی مربوطه استفاده می‌شد.بعداً، در دهه 1930، اصطلاح NC برای جنبه‌های شیمیایی مربوط به این رشته مطرح شد که به طور دقیق‌تر عبارت‌اند از مطالعه، تولید، خصوصیات و واکنش هسته‌ای اتمی. طی چندین دهه بعد، هر یک از این رشته‌ها در مورد انواع روش‌های ابزاری در تحقیقات هسته‌ای شیمیایی مورد استفاده، شباهت‌های بسیاری داشتند.در حال حاضر نوعی "امتزاج" بین معانی این دو رشته برای افرادی که در این رشته فعالیت می‌کنند صورت گرفته است به طوری که در این زمینه‌ها RC و NC عملاً مترادف شده‌اند.واکنش‌های شیمیایی رایج حاصل برهمکنش بین الکترون‌های ظرفیت در اطراف هسته یک اتم می‌باشد. در سال 1896، هانری بکرل زمانی که کشف کرد اورانیوم از خود تشعشعات مختلف تابش می‌دهد، زمینه شیمی هسته‌ای را گسترش داده که شامل تغییرات هسته‌ای اتم تحت تاثیر تابش‌های این امواج نیز می‌شود. اندکی پس از کشف بکرل، ماری اسکلودوفسکا کوری شروع به مطالعۀ رادیواکتیویته کرد و بسیاری از کارهای پیشگام که در زمینه تغییرات هسته‌ای تحقیق شده بود را به پایان رساند. کوری دریافت که تشعشع، متناسب با مقدار عنصر رادیواکتیو موجود است و او پیشنهاد کرد که تابش خاصیت اتم‌ها باشد. ماری کوری اولین زنی بود که برنده جایزه نوبل شد و اولین نفری بود که موفق به کسب دو جایزه شد (اولین نوبل برای کشف رادیواکتیویته با همسرش پیر کوری و هانری بکرل مشترک بود. دومین نوبل برای کشف عناصر رادیواکتیو رادیوم و پولونیوم بود).در سال 1902، فردریک سودی نظریه‌ای ارائه داد که "رادیواکتیویته نتیجۀ تغییر طبیعی ایزوتوپ یک عنصر به ایزوتوپ عنصر متفاوت است." واکنش‌های هسته‌ای شامل تغییر در ذرات هسته اتم است و بنابراین باعث تغییر در خود اتم می‌شود. تمام عناصر سنگین‌تر از بیسموت (و بعضاً سبک‌تر) نیز رادیواکتیویته طبیعی را نشان می‌دهند و بنابراین می‌توانند به عناصر سبک‌تری تبدیل شوند. برخلاف واکنش‌های شیمیایی طبیعی که مولکول‌ها را تشکیل می‌دهند، واکنش‌های هسته‌ای منجر به تغییر شکل یک عنصر به یک ایزوتوپ دیگر یا یک عنصر متفاوت می‌شود. سه نوع تابش و تغییرات هسته‌ای معمول وجود دارد:تابش آلفا(α): انتشار ذره آلفا از هسته اتم است. یک ذره α شامل دو پروتون و دو نوترون است(و شبیه هسته He است). وقتی اتمی ذره‌ای ساطع می‌کند، جرم اتمی اتم چهار واحد کاهش می‌یابد(زیرا دو پروتون و دو نوترون از بین می روند) و عدد اتمی نیز دو واحد کاهش می‌یابد. گفته می‌شود که این عنصر به عنصر دیگری تبدیل می‌شود که دو واحد z کوچک‌تر است. هنگامی که اورانیوم با انتشار ذره آلفا به عنصر توریم تبدیل می‌شود، نمونه‌ای از تغییر شکل α رخ می دهد.تابش بتا(β): تغییر شکل یک نوترون به یک پروتون و یک الکترون است(به دنبال آن انتشار الکترون از هسته اتم). وقتی اتم ذره β ساطع می‌کند، جرم اتم تغییر نخواهد کرد(از آنجا که تغییری در تعداد کل ذرات هسته‌ای ایجاد نمی‌شود). با این حال، عدد اتمی یک واحد افزایش می‌یابد(زیرا نوترون به یک پروتون اضافی تبدیل شده است).تابش گاما (γ): شامل انتشار انرژی الکترومغناطیسی(مشابه انرژی نور) از هسته اتم است. در طی تابش گاما هیچ ذره‌ای ساطع نمی‌شود و بنابراین تابش گاما خود باعث تغییر شکل اتم‌ها نمی‌شود اشعه ایکس که در طی تجزیه بتا کبالت-60 ساطع می‌شود، یک نمونه رایج از اشعه گاما است.درحالی‌که بسیاری از عناصر به طور طبیعی دچار واپاشی رادیواکتیو می‌شوند، واکنش‌های هسته‌ای نیز می‌توانند به‌طور مصنوعی تحریک شوند. اگرچه این واکنش‌ها نیز به‌طور طبیعی رخ می‌دهند، اما ما بیشتر با آنها به عنوان واکنش‌های تحریک‌شده آشنا هستیم. دو نوع واکنش هسته‌ای وجود دارد:1) شکافت هسته‌ای: واکنش‌هایی که در آن هسته اتم به قسمت‌های کوچک‌تر تقسیم می‌شود و مقدار زیادی انرژی را در فرآیند آزاد می‌کند. معمولاً این کار با "شلیک" یک نوترون به هستۀ یک اتم انجام می‌شود. انرژی "گلوله" نوترونی باعث می‌شود که عنصر هدف به دو عنصر (یا بیشتر) سبک‌تر از اتم مادر تقسیم شود.در طی شکافت اورانیوم_235، علاوه بر دو محصول به‌وجود آمده، سه نوترون نیز آزاد می‌شود. اگر این نوترون¬های آزاد‍ شده با هسته‌های اورانیوم_235 نزدیک برخورد کنند، می‌توانند شکاف این اتم‌ها را تحریک کرده و واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای خودپایدار را شروع کنند. این واکنش زنجیره‌ای اساس انرژی هسته‌ای است. با ادامه تقسیم اتم‌های اورانیوم، مقدار قابل توجهی انرژی از واکنش آزاد می‌شود. گرمای آزاد شده در طی این واکنش جمع‌آوری شده و برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.2) همجوشی هسته‌ای: واکنش‌هایی که در آن دو یا چند عنصر با هم "جوش" می‌شوند و یک عنصر بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند و در این کار انرژی آزاد می‌کنند. یک مثال خوب، تلفیق دو ایزوتوپ "سنگین" هیدروژن (دوتریم و تریتیوم) به عنصر هلیوم است.واکنش‌های همجوشی مقدار عظیمی انرژی آزاد می‌کنند و معمولاً واکنش‌های هسته‌ای نامیده می‌شوند. اگرچه بسیاری از مردم خورشید را به‌عنوان یک گلولۀ آتشین بزرگ تصور می‌کنند، اما خورشید(و دیگر ستاره‌ها) در واقع راکتورهای عظیم همجوشی هستند. ستارگان در درجۀ اول توپ‌های غول پیکر گاز هیدروژن هستند که تحت فشار شدید ناشی از نیروهای جاذبه قرار دارند. مولکول‌های هیدروژن در هلیوم و عناصر سنگین‌تر درون ستاره‌ها ذوب می‌شوند و انرژی را که به‌عنوان نور و گرما دریافت می‌کنیم آزاد می‌کنند.تحصیلات: تکنسین‌های آزمایشگاهی معمولاً به مدرک کارشناسی شیمی، زیست‌شناسی، زمین‌شناسی، فیزیک یا یک رشته مرتبط نیاز دارند. کارفرمایان معمولاً آموزش‌های خاص شغلی را در مورد روش‌های آزمایشگاهی و مقابله با خطرات خاص محیط کار ارائه می‌دهند.علاوه بر مدرک کارشناسی شیمی، موقعیت‌های تحقیقاتی در شیمی هسته‌ای معمولاً به مدرک تحصیلات تکمیلی شیمی نیز نیاز دارد. موقعیت‌های پژوهشی معمولاً به یک دانشجوی دکترا نیاز دارند و آنها اغلب به تجربه کارشناسی ارشد پس از دکترا نیاز دارند.به طور کلی مدرک دکترا و چندین سال سابقه دکترا برای موقعیت‌های تدریس در سطح دانشگاه مورد نیاز است.شیمیدان‌های هسته‌ای که در آزمایشگاه‌ها کار می‌کنند باید آموزش ایمنی را برای آمادگی برای کار با مواد رادیواکتیو فرا بگیرند. آنها از یک یا چند دستگاه دزیمتری تابش در آزمایشگاه استفاده می‌کنند و باید این دستگاه‌ها را برای بررسی‌های دوره‌ای ارسال کنند تا اطمینان حاصل کنند که فراتر از استانداردهای تعیین شده توسط فدرال در معرض اشعه‌های مختلف قرار نگرفته‌اند.افراد شاغل در آژانس‌های دولتی یا آزمایشگاه‌های ملی ممکن است مجبور شوند که بر اساس ماهیت کار و الزامات امنیتی آزمایشگاه، بررسی پیشینه یا اخذ مجوزهای امنیتی انجام دهند.شیمیدانان هسته‌ای غالباً در آزمایشگاه‌ها کار می‌کنند و ممکن است آنها مسئول کار، نگهداری و تعمیر ابزار پیشرفته باشند. آنها همچنین مسئول حفظ وسایل و تجهیزات آماده‌سازی نمونه و اطمینان از استفاده و دفع ایمن نمونه‌ها و سایر مواد مورد استفاده در آزمایشگاه هستند. این مسئولیت‌ها ممکن است شامل آموزش دانشجویان و سایر استفاده‌کنندگان از امکانات آزمایشگاهی و اطمینان از پایبندی آنها به روش‌های ایمنی، از جمله استفاده، نظارت و دفع مواد رادیواکتیو باشد.از آنجا که شیمی هسته‌ای یک تخصص بسیار محاسباتی است، محققان در این زمینه باید بتوانند از روش‌های جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها، بسته‌های نرم‌افزاری و قابلیت‌های تجسم تصویربرداری رایانه‌ای برای استفاده و آموزش دیگران استفاده کنند.آن‌ها در محیط‌های دانشگاهی اغلب دوره‌های پیشرفته شیمی و آزمایشگاه را تدریس می‌کنند. در آزمایشگاه‌های ملی، شیمیدانان هسته‌ای کاربران بازدیدکننده را آموزش می‌دهند و آنها تحقیقات خود را انجام می‌دهند و ابزارها و مناطق آزمایشگاهی را نگهداری می‌کنند.شیمیدانان هسته‌ای اغلب در کنفرانس‌ها سخنرانی می‌کنند و ممکن است برای انجام آزمایشات به مراکز تخصصی بروند. ممکن است برخی از سفرهای بین المللی مورد نیاز باشد.اگرچه سخت افزار و نرم افزار کامپیوتر تا حدی پیشرفت کرده‌اند که بیشتر محاسبات را انجام می‌دهند ، یک شیمیدان هسته‌ای باید اصول اساسی را برای تنظیم محاسبات و اطمینان از معنی‌دار بودن و تفسیر صحیح نتایج، درک کند. تحقیقات هسته‌ای نیاز به صبر و توجه به جزئیات دارد.همچنین ممکن است با فیزیکدانان، مهندسان، پزشکان، زیست‌شناسان و ریاضیدانان همکاری کنند. غالباً، آنها دارای درجه‌ای از تخصص در چندین رشته هستند و با تیم‌های بین‌المللی در پروژه‌های تحقیقاتی کار می‌کنند. افرادی که دارای سابقۀ قوی در شیمی هسته‌ای هستند ممکن است عناوین شغلی داشته باشند که حوزه‌های خاص کاربرد آنها را نشان می‌دهد؛ به‌عنوان مثال، یک محقق پزشکی یا مهندس مواد. متخصصان هسته‌ای تجربی باید در زمینه استفاده و دفع مواد رادیواکتیو دقیق عمل کنند و باید اطمینان حاصل کنند که دانشجویان و کاربران آزمایشگاهی از استانداردهای ایمنی تعیین‌شده پیروی می‌کنند. ممکن است لازم باشد نظارت بر دستگاه‌های دزیمتری شخصی را در آزمایشگاه‌های خود انجام دهند.