22: شيمي هسته اي
- Page ID
- 215994
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)واکنش های شیمیایی که ما در فصل های قبلی در نظر گرفته ایم شامل تغییر در ساختار الکترونیکی گونه های درگیر است، یعنی ترتیب الکترون ها در اطراف اتم ها، یون ها یا مولکول ها. ساختار هسته ای، تعداد پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم های درگیر، در طول واکنش های شیمیایی بدون تغییر باقی می ماند. این فصل موضوع شیمی هستهای را معرفی میکند که با کشف رادیواکتیویته در سال ۱۸۹۶ توسط فیزیکدان فرانسوی آنتوان بکرل آغاز شد و در طول سدههای بیستم و بیست و یکم اهمیت روزافزونی پیدا کردهاست و زمینه را برای فناوریهای مختلف مربوط به انرژی، پزشکی، زمینشناسی، و بسیاری زمینههای دیگر فراهم میکند.
- 22.1: مقدمه
- این فصل موضوع شیمی هستهای را معرفی میکند که با کشف رادیواکتیویته در سال ۱۸۹۶ توسط فیزیکدان فرانسوی آنتوان بکرل آغاز شد و در طول سدههای بیستم و بیست و یکم اهمیت روزافزونی پیدا کردهاست و زمینه را برای فناوریهای مختلف مربوط به انرژی، پزشکی، زمینشناسی، و بسیاری زمینههای دیگر فراهم میکند.
- 2-2-2- ساختار هسته ای و ثبات
- یک هسته اتمی از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است که در مجموع نوکلئون نامیده می شوند. اگرچه پروتون ها یکدیگر را دفع می کنند، هسته توسط یک نیروی کوتاه برد اما بسیار قوی به نام نیروی هسته ای قوی محکم در کنار هم نگه داشته می شود. یک هسته جرم کمتری نسبت به جرم کل نوکلئونهای تشکیل دهنده خود دارد. این جرم «گمشده» نقص جرمی است که به انرژی پیوندی تبدیل شده است که هسته را با توجه به معادله همارزی جرم-انرژی اینشتین، E = mc2 نگه می دارد.
- ۲۲٫۳: معادلات هستهای
- هسته ها می توانند واکنش هایی را انجام دهند که تعداد پروتون ها، تعداد نوترون ها یا حالت انرژی آنها را تغییر می دهد. بسیاری از ذرات مختلف می توانند در واکنش های هسته ای دخیل باشند. رایج ترین آنها پروتون ها، نوترون ها، پوزیترون ها (که الکترون های با بار مثبت هستند)، ذرات آلفا (α) (که هسته های هلیوم با انرژی بالا هستند)، ذرات بتا (β) (که الکترون های پر انرژی هستند) و پرتوهای گاما (γ) (که تابش الکترومغناطیسی با انرژی بالا را تشکیل می دهند) هستند.
- 22.4: واپاشی رادیواکتیو
- هستههای ناپایدار دچار واپاشی رادیواکتیو خود به خودی میشوند. رایجترین انواع پرتوزایی عبارتند از واپاشی α، واپاشی β، گسیل γ، گسیل پوزیترون، و گیراندازی الکترون. واکنش های هسته ای نیز اغلب شامل اشعه γ می شوند و برخی از هسته ها با جذب الکترون از بین می روند. هر یک از این حالت های واپاشی منجر به تشکیل یک هسته پایدار جدید گاهی اوقات از طریق چندین واپاشی قبل از پایان یافتن به یک ایزوتوپ پایدار می شود. تمام فرایندهای واپاشی هستهای از سینتیک مرتبه اول پیروی میکنند و هر رادیوایزوتوپ نیمهعمر خاص خود را دارد.
- 22.5: تبدیل و انرژی هسته ای
- تولید اتمهای جدید با بمباران اتمهای دیگر با هستهها یا ذرات با سرعت بالا امکانپذیر است. فراوردههای این واکنشهای دگردیسی میتوانند پایدار یا پرتوزا باشند. تعدادی از عناصر مصنوعی، از جمله تکنسیوم، آستاتین و عناصر ترانس اورانیوم، به این روش تولید شده اند. انرژی هسته ای و همچنین انفجار سلاح های هسته ای می توانند از طریق شکافت (واکنش هایی که در آن یک هسته سنگین به دو یا چند هسته سبک تر و چندین نوترون تقسیم می شود) تولید شوند.
- 2-2-6- استفاده از رادیو ایزوتوپ ها
- ترکیباتی که به عنوان ردیاب های رادیواکتیو شناخته می شوند می توانند برای پیگیری واکنش ها، ردیابی توزیع یک ماده، تشخیص و درمان شرایط پزشکی و موارد دیگر استفاده شوند. سایر مواد رادیواکتیو برای کنترل آفات، تجسم ساختارها، ارائه هشدارهای آتش و بسیاری از کاربردهای دیگر مفید هستند. صدها میلیون آزمایش و روش پزشکی هسته ای، با استفاده از طیف گسترده ای از رادیو ایزوتوپ ها با نیمه عمر نسبتا کوتاه، هر ساله در ایالات متحده انجام می شود.
- 22.7: اثرات بیولوژیکی تابش
- ما به طور مداوم در معرض تابش از منابع طبیعی و تولید شده توسط انسان هستیم. این تابش میتواند موجودات زنده را تحت تأثیر قرار دهد. تابش یونیزه کننده به ویژه مضر است زیرا می تواند مولکول ها را یونیزه کند یا پیوندهای شیمیایی را بشکند، که به مولکول ها آسیب می رساند و باعث خرابی در فرآیندهای سلولی می شود. انواع تابش در توانایی نفوذ به مواد و آسیب رساندن به بافت متفاوت است، ذرات آلفا کمترین نفوذ را دارند، اما به طور بالقوه بیشترین آسیب را دارند و اشعه گاما بیشترین نفوذ را دارد.
- 22.11: تمرینات
- اینها تمرینات مشق شب برای همراهی با TeXTMAP است که برای «شیمی» توسط OpenStax ایجاد شده است.