kjernekjemi – Store norske leksikon (original) (raw)
Kjernekjemi er den delen av kjemien som omhandler radioaktive atomer. Betegnelsen radiokjemi benyttes også om de deler av feltet som beskjeftiger seg med bruk av radioaktivitet til å løse kjemiske problemstillinger og de deler som dreier seg om kjemiske egenskaper hos grunnstoffer som bare forekommer på radioaktiv form.
Faktaboks
fransk chimie nucléaire, engelsk nuclear chemistry
Grensen for hva som kalles radiokjemi er flytende. Det er heller ingen skarp grense mellom kjernekjemi og kjernefysikk, og man bruker derfor ofte fellesbetegnelsen kjerneforskning.
Forskningsområder
Grunnstoffer
De radioaktive grunnstoffene uran (U) og thorium (Th), som forekommer i store mengder i naturen, hadde allerede lenge vært kjent da Antoine Henri Becquerel oppdaget radioaktiv stråling i 1896. De første arbeidene innen kjernekjemi/radiokjemi var Marie og Pierre Curies isolasjon av polonium (Po) og radium (Ra) i 1898.
Grunnstoffene etter uran i grunnstoffenes periodesystem kalles for transuranene. De to første av disse, neptunium og plutonium, ble oppdaget i Berkeley, California i 1940. De tunge grunnstoffene, nummer 107–112, er alle påvist i eksperimenter med det såkalte hastighetsfilteret ved Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI, i Darmstadt, under ledelse av Sigurd Hofmann (født 1944), Gottfried Münzenberg (født 1940) og Peter Armbruster (født 1931). Grunnstoff nummer 112, ble oppdaget i 1996 og er det tyngste hvor man har rapportert alfahenfall til kjente kjerner.
Klarlegging av de kjemiske egenskapene av de tunge grunnstoffene er et viktig kjemisk grunnforskningsfelt fordi man kan vente seg spesielle relativistiske effekter i dette området. De tyngste grunnstoffene (fra Z = 113) er kun observert, men ikke undersøkt kjemisk. For de aller tyngste er det ikke observert mer enn 2–3 atomer av hvert.
Radiokjemiske metoder
Radiokjemiske metoder har stor anvendelse i forbindelse med mange andre kjemiske fagfeltene. Nøytronaktiveringsanalyse er den mest følsomme analysemetoden som finnes for mange sporstoffer, og en av de få som muliggjør bestemmelse av grunnstoffer uavhengig av deres kjemiske tilstand. Også protoner og andre partikler kan brukes til aktiveringsanalyse.
Betegnelsen radioanalytisk kjemi brukes både om aktiveringsanalyse og om kjemiske metoder som tar sikte på å bestemme små mengder radioaktive forbindelser i ulike prøver. Radio-økologi er læren om hvordan radioaktive forbindelser, både naturlige og kunstig fremstilte, transporteres og opptas i økosystemer og om de kjemiske prosessene som finner sted i forbindelse med dette.
Ulike typer kjernekjemiske metoder brukes for øvrig innen mange ulike felter, fra karakterisering av DNA til målinger av asfalttykkelse.
Radiologisk datering
Radiologisk datering er en spesiell kjernekjemisk teknikk. For eksempel brukes karbonisotopen 14 C (halveringstid 5730 år) til datering av arkeologisk materiale, mens 40 K (halveringstid 1,28 milliarder år) og 87 Rb (halveringstid 50 milliarder år) kan brukes til geologiske dateringer. Se geologisk datering.
Tracermetoder
Tracermetoder har stor utbredelse innen flere fagfelter, særlig kjemi, biologi og medisin. Ved slike metoder tilsettes kontrollert en egnet radioaktiv forbindelse, som gjør det mulig å følge en prosess ved radioaktivitetsmålinger gjennom ulike stadier.
Tracermetoder brukes for eksempel ved oljeutvinning, der man kan skaffe informasjon om strømningsforholdene i et oljereservoar ved å tilsette en sterk radioaktiv forbindelse i ett borehull og måle innholdet av radioaktivitet i olje som kommer opp fra et annet borehull. Tracere brukes også i meget stor utstrekning til studier av kjemiske reaksjonsmekanismer. En annen meget viktig bruk av tracere er radioaktive forbindelser til medisinsk diagnostikk og til biokjemiske analyser i medisinske laboratorier.
Kjernekjemien overlapper således også med medisinen, og dette grensefeltet kalles nukleærmedisin.
- Les mer om tracere.
Fremstilling
Fremstilling av radioaktive kjemiske forbindelser har muligens blitt det viktigste delfeltet av kjernekjemien. Ofte må man benytte spesielle arbeidsteknikker, særlig hvis det arbeides med såkalte bærerfrie aktiviteter, det vil si at det bare eller nesten bare er radioaktive atomer av et bestemt grunnstoff til stede.
Hot-atom-kjemi
Hot-atom-kjemi er kjemiske forandringer som inntreffer på grunn av kjerneprosesser. Denne typen prosesser ble først oppdaget av Leo Szilard og Chalmers i 1934, da de fant fritt radioaktivt jod i metyljodid som var bestrålt med nøytroner. Denne typen hot-atom-kjemi har etter hvert fått mindre betydning.
En annen form for hot-atom-kjemi kan finne sted ved radioaktiv desintegrasjon. Når et atom forandrer seg fra ett grunnstoff til et annet, kan denne prosessen ofte føre til så store forstyrrelser at kjemiske bindinger brytes. Det gjelder særlig dersom desintegrasjonen fører til drastiske forandringer i elektronskallet rundt atomet. Denne typen hot-atom-kjemi er særlig viktig i forbindelse med mulig fremtidig bruk av radioaktive forbindelser i kreftterapi, og studeres for tiden intenst flere steder.
Betydning
Kjernekjemi er viktig for mange problemstillinger knyttet til kjernekraft og kjernereaktorer, der det ofte arbeides med svært sterke kilder, for eksempel brukt reaktorbrensel. Utvikling av rutiner for opparbeiding og sikker forvaring av reaktoravfall er betydningsfullt i denne sammenhengen. Det arbeides også mer langsiktig med utvikling av metoder for nedbrytning av slikt avfall. Håndtering av sterke kilder krever automatiserte rutiner og spesiallaboratorier, av og til med såkalte hot-celler, der arbeidet utføres ved hjelp av fjernstyrte manipulatorer og den som utfører arbeidet er fysisk atskilt fra kilden.
Kjemiske metoder spiller også en viktig rolle i mange eksperimenter som tar sikte på å kartlegge kjerners egenskaper. Mye av dette ligger i grenselandet mot kjernefysikk. Studier av ustabile kjerner med halveringstider ned til noen millisekunder er en viktig del av dagens kjerneforskning, og raske kjemiske prosesser er av vesentlig betydning i fremstillingen av disse kortlivede kjernene. Slike eksperimenter foregår stort sett i store internasjonale spesiallaboratorier. På grunn av utviklingen av moderne detektorsystemer har kjemiske metoder i dag mindre betydning enn tidligere i studier av kjernereaksjoner, der rent fysiske målemetoder nå stort sett har tatt over.