CHIMIE NUCLÉAIRE: HISTOIRE, DOMAINE D'ÉTUDES, DOMAINES, APPLICATIONS - CHIMIE - 2025

La chimie nucléaire est l'étude des changements dans les propriétés du produit des phénomènes de matière survenus dans les noyaux d'atomes; il n'étudie pas la manière dont ses électrons interagissent ou leurs liaisons avec d'autres atomes du même élément ou d'un élément différent.

Cette branche de la chimie se concentre alors sur les noyaux et les énergies libérées lorsqu'ils ajoutent ou perdent certaines de leurs particules; qui sont appelés nucléons et qui, à des fins chimiques, sont essentiellement constitués de protons et de neutrons.

Trèfle radioactif. Source: Pixabay.

De nombreuses réactions nucléaires consistent en une modification du nombre de protons et / ou de neutrons, qui a pour conséquence la transformation d'un élément en un autre; ancien rêve des alchimistes, qui ont tenté en vain de transformer le plomb en or.

C'est peut-être la caractéristique la plus surprenante des réactions nucléaires. Cependant, de telles transformations libèrent d'énormes quantités d'énergie, ainsi que des particules accélérées qui parviennent à pénétrer et à détruire la matière qui les entoure (comme l'ADN de nos cellules) en fonction de leur énergie associée.

Autrement dit, dans une réaction nucléaire, différents types de rayonnement sont libérés, et lorsqu'un atome ou un isotope libère un rayonnement, il est dit radioactif (radionucléides). Certains rayonnements peuvent être inoffensifs, voire bénins, utilisés pour combattre les cellules cancéreuses ou étudier l'effet pharmacologique de certains médicaments par marquage radioactif.

D'autres radiations, par contre, sont destructrices et mortelles au contact minimum. Malheureusement, plusieurs des pires catastrophes de l'histoire portent le symbole de la radioactivité (trèfle radioactif, image du haut).

Des armes nucléaires aux épisodes de Tchernobyl en passant par le malheur des déchets radioactifs et leurs effets sur la faune, de nombreuses catastrophes sont déclenchées par l'énergie nucléaire. Mais, d'un autre côté, l'énergie nucléaire garantirait l'indépendance des autres sources d'énergie et des problèmes de pollution qu'elles provoquent.

Ce serait (probablement) une énergie propre, capable d'alimenter les villes pour une éternité, et la technologie dépasserait ses limites terrestres.

Pour réaliser tout cela au moindre coût humain (et planétaire), des programmes et des efforts scientifiques, technologiques, écologiques et politiques sont nécessaires pour «apprivoiser» et «imiter» l'énergie nucléaire d'une manière sûre et bénéfique pour l'humanité et sa croissance. énergique.

Histoire de la chimie nucléaire

Aube

Laissant les alchimistes et leur pierre philosophale dans le passé (bien que leurs efforts aient porté des fruits d'une importance vitale pour la compréhension de la chimie), la chimie nucléaire est née lorsque ce que l'on appelle la radioactivité a été détecté pour la première fois.

Tout a commencé avec la découverte des rayons X par Wilhelm Conrad Röntgen (1895), à l'Université de Wurzburg. Il étudiait les rayons cathodiques lorsqu'il a remarqué qu'ils provoquaient une étrange fluorescence, même avec l'appareil éteint, capable de pénétrer le papier noir opaque qui recouvrait les tubes dans lesquels les expériences étaient menées.

Henri Becquerel, motivé par les découvertes des rayons X, conçoit ses propres expériences pour les étudier à l'aide de sels fluorescents, qui assombrissent les plaques photographiques, protégées par du papier noir, lorsqu'elles sont excitées par la lumière du soleil.

Il a été découvert accidentellement (car le temps à Paris était nuageux à cette époque), que les sels d'uranium obscurcissaient les plaques photographiques, quelle que soit la source lumineuse qui les tombait dessus. Il a ensuite conclu qu'il avait découvert un nouveau type de rayonnement: la radioactivité.

Emplois des conjoints Curie

L'œuvre de Becquerel a été une source d'inspiration pour Marie Curie et Pierre Curie pour se plonger dans le phénomène de la radioactivité (terme inventé par Marie Curie).

Ainsi, ils ont recherché d'autres minéraux (en plus de l'uranium) qui présentaient également cette propriété, constatant que le minéral pitchblende est encore plus radioactif, et que par conséquent, il doit contenir d'autres substances radioactives. Comment? En comparant les courants électriques générés par l'ionisation des molécules de gaz autour des échantillons.

Après des années de durs travaux d'extraction et de mesures radiométriques, il a extrait les éléments radioactifs radium (100 mg d'un échantillon de 2000 kg) et polonium de la pechblende minérale. Aussi, Curie a déterminé la radioactivité de l'élément thorium.

Malheureusement, à ce moment-là, les effets nocifs de ces radiations commençaient à être découverts.

Les mesures de radioactivité ont été facilitées avec le développement du compteur Geiger (ayant Hans Geiger comme co-inventeur de l'artefact).

Fractionnement du noyau

Ernest Rutherford a observé que chaque radio-isotope avait son propre temps de désintégration, indépendant de la température, et qu'il variait avec la concentration et les caractéristiques des noyaux.

Il a également démontré que ces désintégrations radioactives obéissent à une cinétique de premier ordre, dont les demi-vies (t _1/2) sont encore très utiles aujourd'hui. Ainsi, chaque substance qui émet de la radioactivité a un t _1/2 différent, qui varie de quelques secondes, jours, à des millions d'années.

En plus de tout ce qui précède, il a proposé un modèle atomique à la suite des résultats de ses expériences irradiant une très fine feuille d'or avec des particules alpha (noyaux d'hélium). En travaillant à nouveau avec les particules alpha, il a réalisé la transmutation des atomes d'azote en atomes d'oxygène; en d'autres termes, il avait réussi à convertir un élément en un autre.

Ce faisant, on a tout de suite montré que l'atome n'était pas indivisible, et encore moins lorsqu'il était bombardé par des particules accélérées et des neutrons «lents».

Champ d'étude

Pratique et théorie

Ceux qui décident de faire partie des spécialistes de chimie nucléaire peuvent choisir parmi plusieurs domaines d'études ou de recherche, ainsi que différents domaines de travail. Comme de nombreuses branches de la science, elles peuvent être consacrées à la pratique ou à la théorie (ou aux deux à la fois) dans leurs domaines respectifs.

Un exemple cinématographique est vu dans les films de super-héros, où les scientifiques demandent à un individu d'acquérir des super pouvoirs (tels que Hulk, les quatre fantastiques, Spiderman et le docteur Manhattan).

Dans la vraie vie (au moins superficiellement), les chimistes nucléaires cherchent plutôt à concevoir de nouveaux matériaux capables de résister à une énorme résistance nucléaire.

Ces matériaux, comme l'instrumentation, doivent être indestructibles et suffisamment spéciaux pour isoler l'émission de radiations et les énormes températures déclenchées lors de l'initiation des réactions nucléaires; en particulier ceux de la fusion nucléaire.

En théorie, ils peuvent concevoir des simulations pour d'abord estimer la faisabilité de certains projets et comment les améliorer au moindre coût et impact négatif; ou des modèles mathématiques qui permettent de percer les mystères en suspens du noyau.

De même, ils étudient et proposent des moyens de stocker et / ou de traiter les déchets nucléaires, car il faut des milliards d'années pour se décomposer et est très polluant.

Emplois typiques

Voici une courte liste des emplois typiques qu'un chimiste nucléaire peut faire:

-Recherche directe dans des laboratoires gouvernementaux, industriels ou académiques.

-Traiter des centaines de données grâce à des progiciels statistiques et à une analyse multivariée.

-Ils donnent des cours dans les universités.

-Développer des sources de radioactivité sûres pour diverses applications impliquant un grand public, ou pour une utilisation dans des dispositifs aérospatiaux.

-Des techniques et des dispositifs de conception qui détectent et surveillent la radioactivité dans l'environnement.

-Garantir que les conditions de laboratoire sont optimales pour la manipulation de matières radioactives; qu'ils manipulent même à l'aide de bras robotiques.

-En tant que techniciens, ils entretiennent des dosimètres et prélèvent des échantillons radioactifs.

Domaines

La section précédente décrivait en termes généraux quelles sont les tâches d'un chimiste nucléaire sur son lieu de travail. Maintenant, un peu plus est précisé sur les différents domaines dans lesquels l'utilisation ou l'étude des réactions nucléaires est présente.

Radiochimie

En radiochimie, le processus de rayonnement lui-même est étudié. Cela signifie qu'il considère en profondeur tous les radio-isotopes, ainsi que leur temps de désintégration, le rayonnement qu'ils émettent (alpha, bêta ou gamma), leur comportement dans différents environnements et leurs applications possibles.

C'est peut-être le domaine de la chimie nucléaire qui a le plus avancé aujourd'hui par rapport aux autres. Il a été chargé d'utiliser des radio-isotopes et des doses modérées de rayonnement de manière intelligente et conviviale.

Énergie nucléaire

Dans ce domaine, les chimistes nucléaires, avec des chercheurs d'autres spécialités, étudient et conçoivent des méthodes sûres et contrôlables pour tirer parti de l'énergie nucléaire produite par la fission de noyaux; c'est-à-dire de son fractionnement.

De même, il est proposé de faire de même avec les réactions de fusion nucléaire, comme celles qui voudraient apprivoiser les petites étoiles qui fournissent leur énergie; avec l'obstacle que les conditions sont écrasantes et qu'il n'y a pas de matériau physique capable de leur résister (imaginez enfermer le soleil dans une cage qui ne fond pas à cause de la chaleur intense).

L'énergie nucléaire peut très bien être utilisée à des fins caritatives, ou à des fins de guerre, pour développer davantage d'armes.

Stockage et déchets

Le problème que représentent les déchets nucléaires est très grave et menaçant. C'est pour cette raison que dans ce domaine ils se consacrent à l'élaboration de stratégies pour les «emprisonner» de manière à ce que le rayonnement qu'ils émettent ne pénètre pas dans leur enveloppe de confinement; coque, qui doit pouvoir résister aux tremblements de terre, aux inondations, aux hautes pressions et températures, etc.

Radioactivité artificielle

Tous les éléments transuraniens sont radioactifs. Ils ont été synthétisés à l'aide de différentes techniques, dont: le bombardement de noyaux avec des neutrons ou d'autres particules accélérées.

Pour cela, on a utilisé des accélérateurs linéaires ou cyclotrons (en forme de D). A l'intérieur, les particules sont accélérées à des vitesses proches de celles de la lumière (300 000 km / s), puis heurtent une cible.

Ainsi, plusieurs éléments radioactifs artificiels sont nés, et leur abondance sur Terre est nulle (bien qu'ils puissent exister naturellement dans les régions du Cosmos).

Dans certains accélérateurs, la puissance des collisions est telle qu'une désintégration de la matière se produit. En analysant les fragments, qui peuvent difficilement être détectés en raison de leur courte durée de vie, il a été possible d'en savoir plus sur le recueil des particules atomiques.

Applications

Tours de refroidissement d'une centrale nucléaire. Source: Pixabay.

L'image ci-dessus montre deux tours de refroidissement caractéristiques des centrales nucléaires, dont la centrale peut alimenter une ville entière en électricité; par exemple, l'usine de Springfield, où travaille Homer Simpson, et appartient à M. Burns.

Ensuite, les centrales nucléaires utilisent l'énergie libérée des réacteurs nucléaires pour répondre à un besoin énergétique. C'est l'application idéale et prometteuse de la chimie nucléaire: l'énergie illimitée.

Tout au long de l'article, il a été fait mention, implicitement, de nombreuses applications de la chimie nucléaire. D'autres applications pas si évidentes, mais qui sont présentes dans la vie quotidienne, sont les suivantes ci-dessous.

Médicament

Une technique de stérilisation du matériel chirurgical consiste à l'irradier avec un rayonnement gamma. Cela détruit complètement les micro-organismes qu'ils peuvent héberger. Le procédé étant froid, certains matériaux biologiques, sensibles aux températures élevées, peuvent également être soumis à de telles doses de rayonnement.

L'effet pharmacologique, la distribution et l'élimination des nouveaux médicaments sont évalués par l'utilisation de radio-isotopes. Avec un détecteur de rayonnement émis, vous pouvez avoir une image réelle de la distribution du médicament dans le corps.

Cette image permet de déterminer combien de temps le médicament agit sur un certain tissu; s'il n'absorbe pas correctement, ou s'il reste à l'intérieur plus longtemps que nécessaire.

La conservation des aliments

De même, les aliments stockés peuvent être irradiés avec une dose modérée de rayonnement gamma. Ceci est responsable de l'élimination et de la destruction des bactéries, gardant les aliments comestibles plus longtemps.

Par exemple, un paquet de fraises peut être conservé au frais après même 15 jours de stockage en utilisant cette technique. Le rayonnement est si faible qu'il ne pénètre pas à la surface des fraises; et par conséquent, ils ne sont pas contaminés, ni ne deviennent des «fraises radioactives».

Détecteur de fumée

À l'intérieur des détecteurs de fumée, il n'y a que quelques milligrammes d'américium (²⁴¹ h). Ce métal radioactif à ces quantités présente un rayonnement inoffensif pour les personnes présentes sous les toits.

Le ²⁴¹ Am émet des particules alpha de faible énergie et des rayons gamma, ces rayons pouvant s'échapper du détecteur. Les particules alpha ionisent les molécules d'oxygène et d'azote de l'air. À l'intérieur du détecteur, une différence de tension recueille et ordonne les ions, produisant un léger courant électrique.

Les ions aboutissent à différentes électrodes. Lorsque la fumée pénètre dans la chambre interne du détecteur, elle absorbe les particules alpha et l'ionisation de l'air est interrompue. Par conséquent, le courant électrique est arrêté et une alarme est activée.

Élimination des ravageurs

En agriculture, un rayonnement modéré a été utilisé pour tuer les insectes indésirables sur les cultures. Ainsi, l'utilisation d'insecticides hautement polluants est évitée. Cela réduit l'impact négatif sur les sols, les eaux souterraines et les cultures elles-mêmes.

Sortir ensemble

À l'aide de radio-isotopes, l'âge de certains objets peut être déterminé. Dans les études archéologiques, cela présente un grand intérêt car il permet de séparer les échantillons et de les placer à leur moment correspondant. Le radio-isotope utilisé pour cette application est le carbone 14 (¹⁴ C) par excellence. Son t _1/2 est de 5700 ans et les échantillons peuvent être datés jusqu'à 50 000 ans.

La désintégration du ¹⁴ C a été utilisée notamment pour les échantillons biologiques, les squelettes, les fossiles, etc. D'autres radio-isotopes, tels que ²⁴⁸ U, sont vieux de _1/2 million d'années. En mesurant ensuite les concentrations de ²⁴⁸ U dans un échantillon de météorites, de sédiments et de minéraux, on peut déterminer si elle a le même âge que la Terre.

Références

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