Kimia Nuklir

Kimia nuklir tradisional berbeda dari unsur-unsur kimia karena berubah dari satu jenis ke lain. Untuk menggambarkan rincian proses ini, notasi isotop digunakan. Dalam notasi isotop (dilihat pada Bab 1), nomor massa (A) ditulis sebagai elemen superskrip sebelum simbol (E). Menulis reaksi nuklir mensyaratkan bahwa nomor atom, Z, dan nomor massa, A, menambahkan hingga nilai yang sama di setiap sisi. Oleh karena itu akan lebih mudah dalam kimia nuklir untuk menyertakan nomor atom (Z) sebagai subskrip langsung di bawah nomor massa. Dalam Bab 1, Z berdiri untuk jumlah proton. Dalam kimia nuklir adalah lebih umum dan berdiri untuk muatan. (Catatan: Karena proton memiliki muatan 1, umumnya ini tidak mengubah apa pun.) Nomor massa, A, digambarkan pada Bab 1 sebagai jumlah proton dan neutron. Ia digunakan secara lebih umum di sini sebagai perkiraan massa dalam unit massa atom. Massa proton atau neutron sekitar 1 amu. Setiap partikel atom dapat ditulis dalam notasi isotop sebagai berikut:
proton = 11p Sebuah proton adalah sama dengan inti hidrogen = 11h
neutron = 10n
elektron = 0-1e
>> Explore: Reaksi nuklir Balancing Tutorial
Proton dan neutron, partikel-partikel di dalam inti, disebut nukleon. Partikel lain yang umumnya digunakan dalam kimia nuklir. Ini termasuk
alpha = 42 Sebuah partikel alpha adalah sama dengan inti helium = 42He
beta = 0-1 Sebuah partikel beta adalah sama dengan elektron = 0-1e
gamma = 00 A gamma ray adalah foton yang sangat energik.
Partikel dengan massa yang sama seperti partikel biasanya ditemukan di dalam sebuah atom, tetapi berlawanan muatan disebut antimateri. Contoh antimateri adalah positron, 01, yang dapat digambarkan sebagai elektron positif. Ketika antimateri bertabrakan dengan lawan pun, kedua partikel yang musnah, dan energi, sering kali dalam bentuk sinar gamma, dihasilkan.
Gaya yang menahan proton dan neutron bersama-sama sebagai inti dapat dihitung sebagai energi mengikat. Jumlah massa proton dan neutron dalam nukleus selalu lebih dari massa yang sebenarnya inti. Perbedaan ini, yang disebut cacat massa, telah diubah menjadi energi yang mengikat. Hubungan antara massa dan energi digambarkan oleh Einstein sebagai E = mc2. Dengan menggunakan massa cacat sebagai m dalam persamaan ini, energi ikat dapat dihitung. Yang lebih kuat energi yang mengikat sesuai dengan gaya yang lebih kuat memegang nukleon bersama-sama. Namun, jika ada lebih nukleon, harus ada lebih banyak energi. Akibatnya, ukuran terbaik dari seberapa efektif nukleon diadakan bersama-sama adalah rasio energi untuk mengikat nukleon. Atom dengan energi yang lebih tinggi per nukleon mengikat lebih stabil.
Reaksi nuklir dapat terjadi oleh fusi, di mana partikel nuklir dan inti atom bergabung membentuk inti yang lebih besar, atau oleh fisi, di mana inti yang lebih kecil runtuh dan partikel inti. Untuk fusi terjadi, partikel-partikel harus dipercepat untuk kecepatan tinggi untuk mengatasi tolakan antara partikel.
>> Explore: Fusion of Hydrogen Tutorial
Nukleus besar diciptakan oleh partikel dipercepat oleh panas ekstrem bintang dan supernova. Di bumi, perangkat seperti akselerator linier atau cyclotrons sering digunakan untuk mempercepat partikel. Banyak sintetik (tidak alami) isotop diciptakan dengan cara ini. Jika neutron adalah partikel membombardir dan diserap oleh inti, proses ini disebut neutron capture.
>> Explore: Synthesis of Elements Tutorial
Membombardir inti dengan partikel yang lebih kecil dapat juga menyebabkan reaksi fisi. Jika reaksi fisi menciptakan lebih banyak membombardir partikel dan energi yang cukup untuk mempercepat mereka, lebih banyak reaksi fisi akan terjadi. Hal ini disebut reaksi berantai. Untuk reaksi berantai terjadi, tidak hanya harus membombardir partikel yang dibuat, tapi harus ada target yang dapat diakses untuk partikel memukul. Oleh karena itu reaksi berantai memerlukan bukan hanya jenis reaksi yang tepat, tetapi juga massa kritis target inti.
Banyak reaksi nuklir terjadi tanpa membombardir partikel. Reaksi-reaksi ini, di mana inti berantakan menjadi inti yang berbeda dan partikel, disebut meluruh. Jenis partikel yang dihasilkan dari pembusukan nuklir akan tergantung pada jenis isotop membusuk. Ada rasio neutron untuk proton yang stabil (tidak akan busuk). Rasio ini disebut sabuk stabilitas (Gambar 2.9 pada buku teks). Kecil (low Z) isotop, rasio stabil adalah sekitar 1. Sebagai nomor atom meningkat, lebih banyak neutron yang diperlukan untuk stabilitas.
Neutron isotop yang kaya akan mengalami pembusukan. Isotop akan menghasilkan suatu unsur dengan nomor massa yang sama tetapi nomor atom satu lebih tinggi dan partikel. Isotop yang miskin netron baik akan menjalani positron emisi atau menangkap elektron. A positron adalah anti-partikel dari elektron. Signifikan ini tidak memiliki massa dan muatan positif. Dalam mengambil elektron elektron di luar inti ditangkap oleh inti. Dalam kedua kasus nomor atom meningkat dan nomor massa tetap sama. Sabuk stabilitas dapat digunakan untuk menentukan apakah isotop adalah neutron-neutron kaya atau miskin. Besar isotop (Z> 83) mengalami pembusukan untuk memancarkan partikel. Dalam jenis ini pembusukan, baik nomor massa dan nomor atom berkurang.
>> Explore: Modes of Radioactive Decay Tutorial
Emisi,, atau partikel nuklir akibat pembusukan disebut radioaktivitas. Peluruhan mudah diukur dengan film fotografi atau penghitung Geiger. Unit untuk tingkat peluruhan ini disebut Bequerel (Bq) = 1 peluruhan / detik. Unit umum lainnya untuk tingkat peluruhan adalah Curie (Ci), di mana 1 Ci = 3,70 x 1010 Bq. Pengukuran peluruhan nuklir sangat berguna untuk alasan berikut:
1. Ketika,, atau partikel energi yang cukup bertabrakan dengan atom, mereka dapat mengobrak-abrik atom, dan partikel-partikel bisa menjadi bahaya kesehatan. Tumbukan seperti itu disebut radiasi pengion.
2. Tidaklah sulit untuk mendeteksi bahkan satu,, atau partikel, yang merupakan metode yang sangat sensitif deteksi.
3. Meluruh ini terjadi pada tingkat yang sangat spesifik. Oleh karena itu rasio isotop dapat digunakan untuk objek tanggal.
Efek radiasi pengion tergantung pada dosis, jumlah radiasi pengion yang diserap oleh tubuh relatif efek biologis dari radiasi, dan kemampuan penetrasi radiasi. Dosis diukur dalam rad. Satu rad adalah 0,01 J radiasi / kg jaringan. Dalam kebanyakan kasus rad adalah sama dengan rontgen (R) = 2 x 109 unit listrik charge/cm3 udara kering. Namun, yang sebenarnya memiliki efek radiasi pada jaringan relatif tergantung pada efektivitas biologis (rbe). Unit yang dibutuhkan relatif memperhitungkan efektivitas biologis adalah REM = radRBE. Untuk dan radiasi, rbe = 1. Untuk radiasi, rbe = 20. Namun, radiasi tidak selalu merugikan karena tidak menembus. Artinya, dapat dengan mudah diblokir. radiasi lebih sulit untuk memblokir, dan radiasi membutuhkan melindungi mengarah untuk memblokir. Tabel 2.4 daftar efek kesehatan dari berbagai radiasi. Sejak radiasi mempunyai efek yang lebih besar pada sel-sel tumbuh, ia akan memiliki efek yang lebih besar pada sel-sel kanker daripada sel normal. Oleh karena itu, dapat digunakan dalam pengobatan kanker.
Karena radiasi sangat mudah untuk dideteksi, adalah mungkin untuk menggunakan radiasi yang dipancarkan sebagai pelacak. Elemen akan memiliki sifat kimia yang sama tanpa memperhatikan apakah radioaktif. Oleh karena itu dimungkinkan untuk mengikuti elemen seluruh tubuh (atau proses kimia) dengan mengikuti emisi radiasi. Hanya sebagian kecil (dan karena itu aman) kuantitas bahan radioaktif yang diperlukan.
Peluruhan radioaktif terjadi pada sangat-baik-tingkat didefinisikan. Kecepatan ini biasanya dinyatakan sebagai setengah-hidup, yang merupakan waktu yang dibutuhkan untuk bahan setengah membusuk. Ini digunakan dalam Penanggalan radiokarbon bahan organik. Asumsinya adalah bahwa radioaktif karbon-14 (14C) hanya dimasukkan ke dalam bahan ketika itu masih hidup. Sebagai karbon-14 mengalami pembusukan menjadi nitrogen-14, rasio karbon-14 ke karbon-12 menurun. Jumlah penurunan akan tergantung pada waktu. Kali ini dapat dihitung dari persamaan
t =
t1 / 2
0,693
ln
A0
Di
(Persamaan 2.28)
di mana t adalah waktu, t1 / 2 adalah setengah kehidupan, A0/At adalah rasio dari jumlah awal karbon-14 sampai saat ini jumlah karbon-14. Waktu paruh karbon-14 adalah 5730 tahun.