కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం

ఈ శాస్త్రం ఒక మూలకం మరొక మూలకంగా ఎలా మారుతుందో అధ్యయనం చేస్తుంది, దీనినే కేంద్రక రూపాంతరం అని పిలుస్తారు. కేంద్రకం యొక్క స్వభావం, లక్షణాలను కూడా ఇది పరిశోధిస్తుంది.

మన దైనందిన జీవితంలో కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం చాలా కీలకం. అణు రియాక్టర్లు ఎలా పనిచేస్తాయి, వాటిని సురక్షితంగా ఎలా ఉంచాలి అని అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది సహాయపడుతుంది. వైద్య రంగంలో క్యాన్సర్ వంటి భయంకరమైన వ్యాధులకు చికిత్స చేయడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తారు. అంతేకాకుండా, పురాతన వస్తువులు లేదా రాళ్ల వయస్సును కనుగొనడానికి శాస్త్రవేత్తలకు ఇది ఉపయోగపడుతుంది. ఈ శాస్త్రం రసాయన శాస్త్రం, కేంద్రక భౌతిక శాస్త్రం రెండింటి కలయికతో ఏర్పడింది.

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం - ఒక అవలోకనం

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం ప్రధానంగా రేడియోధార్మిక మూలకాల గురించి వివరిస్తుంది. రేడియం, రేడాన్, ఆక్టినైడ్స్ వంటి మూలకాలు ఈ జాబితాలోకి వస్తాయి. ఈ మూలకాలు స్థిరంగా ఉండవు. ఇవి స్థిరత్వాన్ని పొందడం కోసం రేడియేషన్ (వికిరణం) రూపంలో శక్తిని బయటకు విడుదల చేస్తాయి.

ఈ రంగంలో పనిచేసే శాస్త్రవేత్తలు ప్రధానంగా కొన్ని ముఖ్యమైన అంశాలపై దృష్టి పెడతారు:

పరికరాలు, రియాక్టర్లు: వీరు అణు రియాక్టర్ల వంటి యంత్రాల రసాయన శాస్త్రాన్ని అధ్యయనం చేస్తారు. ఇందులో తుప్పు పట్టడం (ఉపరితలాలు పాడవ్వడం), వేడి, రేడియేషన్ ఉన్నప్పుడు పదార్థాలు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి అనే విషయాలు ఉంటాయి.

కేంద్రక వ్యర్థాలు (Nuclear Waste): అణు ఇంధనాన్ని ఉపయోగించిన తర్వాత, అది చాలా కాలం పాటు రేడియోధార్మికతను కలిగి ఉంటుంది. ఈ కేంద్రక వ్యర్థాలను పర్యావరణానికి హాని కలగకుండా ఎలా భద్రపరచాలో కేంద్రక రసాయన శాస్త్రవేత్తలు పరిశోధిస్తారు.

జీవరాశులపై ప్రభావం: రేడియేషన్ వల్ల మొక్కలు, జంతువులు, మనుషులపై ఎలాంటి ప్రభావం పడుతుందో వీరు గమనిస్తారు. ఇది రేడియేషన్ బయాలజీలో ఒక పెద్ద భాగం. ఆరోగ్యకరమైన కణాలకు హాని కలగకుండా, క్యాన్సర్ కణాలను చంపడానికి రేడియేషన్‌ను ఎలా వాడాలో ఇది వైద్యులకు నేర్పిస్తుంది.

పరిశ్రమలు, విజ్ఞానం: ఒక వ్యవస్థలో రసాయనాలు ఎలా కదులుతున్నాయో తెలుసుకోవడానికి రేడియోధార్మిక పదార్థాలను "ట్రేసర్లు"గా ఉపయోగిస్తారు. పాలిమర్లు (ప్లాస్టిక్స్) వంటి పదార్థాల లక్షణాలను మార్చడానికి కూడా వీటిని వాడతారు.

ఈ రంగం యొక్క చరిత్ర

కేంద్రక రసాయన శాస్త్ర ప్రయాణం 1800వ సంవత్సరం చివరలో మొదలైంది. 1895లో Wilhelm Röntgen గారు ఎక్స్-రేలను కనుగొన్నారు. కంటికి కనిపించని ఈ కిరణాల గురించి తెలుసుకోవాలనే ఆసక్తి ఇది మిగతా శాస్త్రవేత్తలలో కలిగించింది.

తొలి ఆవిష్కరణలు

1896లో Henri Becquerel యురేనియంపై పరిశోధనలు చేస్తున్నారు. యురేనియం తనంతట తానుగా కొన్ని కిరణాలను విడుదల చేస్తుందని ఆయన గమనించారు. చీకటిలో ఉన్నా కూడా ఈ కిరణాలు ఒక ఫోటోగ్రాఫిక్ ప్లేట్ మీద గుర్తులను వదిలివేస్తున్నాయి. ఇదే రేడియోధార్మికత (Radioactivity) ఆవిష్కరణకు దారితీసింది.

ఆ తర్వాత కొద్ది కాలానికే, Marie Curie, ఆమె భర్త Pierre Curie ఇతర రేడియోధార్మిక పదార్థాల కోసం వెతకడం ప్రారంభించారు. వారు యురేనియం ఖనిజంతో పనిచేశారు. ఆ ఖనిజాన్ని వేర్వేరు రసాయన భాగాలుగా విడదీశారు. ఈ క్రమంలో వారు పోలోనియం, రేడియం అనే రెండు కొత్త మూలకాలను కనుగొన్నారు. "రేడియో యాక్టివిటీ" అనే పదాన్ని మొదట ఉపయోగించిన వ్యక్తి మేరీ క్యూరీ.

పరమాణువును అర్థం చేసుకోవడం

Ernest Rutherford ఈ రంగంలో మరొక ప్రసిద్ధ శాస్త్రవేత్త. రేడియోధార్మిక క్షయం అనేది అర్ధ-జీవిత కాలం (half-life) అనే పద్ధతిని అనుసరిస్తుందని ఆయన కనుగొన్నారు. అంటే ఒక రేడియోధార్మిక పదార్థం సగం కావడానికి పట్టే సమయం అన్నమాట. వికిరణాలలో ఉండే రకాలను ఆయన ఆల్ఫా, బీటా, గామా అని పిలిచారు.

రూథర్‌ఫర్డ్ బంగారు రేకుతో ఒక ప్రసిద్ధ ప్రయోగం చేశారు. పరమాణువులో ఎక్కువ భాగం ఖాళీగా ఉంటుందని ఆయన నిరూపించారు. పరమాణువు మధ్యలో కేంద్రకం (nucleus) అనే చిన్న, ధనాత్మక భాగం ఉంటుందని ఆయన నిరూపించారు. ఇది ప్రపంచం పట్ల మన అవగాహనను మార్చివేసింది. తర్వాత, 1934లో మేరీ క్యూరీ కుమార్తె Irène Joliot-Curie, ఆమె భర్త Frédéric Joliot-Curie కలిసి "కృత్రిమ రేడియోధార్మికత"ను సృష్టించారు. ఒక మూలకంపై కణాలతో కొట్టడం ద్వారా దానిని మరొక మూలకంగా మార్చారు.

కేంద్రక రసాయన శాస్త్ర పితామహుడు

Otto Hahn గారిని తరచుగా "కేంద్రక రసాయన శాస్త్ర పితామహుడు" అని పిలుస్తారు. 1920, 1930 దశకాల్లో రేడియోధార్మిక పదార్థాలను అధ్యయనం చేయడానికి ఆయన కొత్త మార్గాలను కనిపెట్టారు. 1938లో హాన్‌, Lise Meitner, Fritz Strassmann కలిసి కేంద్రక విచ్ఛిత్తిని (nuclear fission) కనుగొన్నారు. అంటే యురేనియం వంటి బరువైన కేంద్రకం రెండు చిన్న ముక్కలుగా విడిపోవడం అన్నమాట. ఈ ఆవిష్కరణ చాలా గొప్పది, ఎందుకంటే ఇది అపారమైన శక్తిని విడుదల చేస్తుంది. దీనివల్లే అణు విద్యుత్, అణు ఆయుధాల తయారీ సాధ్యమైంది. ఈ కృషికి గాను ఓట్టో హాన్‌ 1944లో రసాయన శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి పొందారు.

ప్రధాన అధ్యయన అంశాలు

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం పలు విభాగాలుగా విభజించబడింది. ప్రతి విభాగం కేంద్రకాలు, వికిరణాలు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో వివరిస్తుంది.

రేడియో కెమిస్ట్రీ (Radiochemistry)

రసాయన చర్యలను అధ్యయనం చేయడానికి రేడియోధార్మిక ఐసోటోపులను ఉపయోగించడమే రేడియో కెమిస్ట్రీ. కొన్నిసార్లు ఒక రసాయనానికి రేడియోధార్మికతను జోడించి (లేబులింగ్), అది ఎక్కడికి వెళ్తుందో శాస్త్రవేత్తలు గమనిస్తారు. ఒక పదార్థానికి రేడియోధార్మికత లేకపోతే, దానిని "స్థిరమైనది" అని అంటారు.

రేడియేషన్ కెమిస్ట్రీ (Radiation Chemistry)

ఇది రేడియో కెమిస్ట్రీ కంటే భిన్నమైనది. ఒక పదార్థంపై రేడియేషన్ పడినప్పుడు ఆ పదార్థంలో వచ్చే మార్పులను రేడియేషన్ కెమిస్ట్రీ పరిశీలిస్తుంది. ఆ పదార్థం రేడియోధార్మికత కలిగి ఉండకపోవచ్చు. ఉదాహరణకు, నీటిపై రేడియేషన్ పడితే అది హైడ్రోజన్ వాయువుగా, హైడ్రోజన్ పెరాక్సైడ్‌గా మారుతుంది. హ్యూగో ఫ్రిక్ అనే శాస్త్రవేత్త ఈ విషయంలో చాలా పరిశోధనలు చేశారు. ఎక్స్-రేలు జీవకణాల్లోని నీటి రసాయన స్వభావాన్ని ఎలా మారుస్తాయో ఆయన వివరించారు.

అణు శక్తి రసాయన శాస్త్రం (Nuclear Power Chemistry)

అణు శక్తి ఉత్పత్తికి అవసరమైన రసాయన శాస్త్రం ఇది. ఇందులో ఈ క్రింది అంశాలు ఉంటాయి:

యురేనియం, థోరియం నుండి ఇంధనాన్ని తయారు చేయడం.

రియాక్టర్లలో ఉండే పైపులు తుప్పు పట్టకుండా నీటిని శుభ్రంగా ఉంచడం.

రేడియోధార్మిక వ్యర్థాలను శుద్ధి చేయడం, భద్రపరచడం.

రేడియోధార్మిక వాయువులు లీక్ కాకుండా పర్యవేక్షించడం.

కేంద్రక ఇంధన చక్రం (The Nuclear Fuel Cycle)

కేంద్రక ఇంధన చక్రం అనేది అణు ఇంధనం యొక్క పూర్తి జీవితకాలాన్ని వివరిస్తుంది. ఇందులో మూడు ప్రధాన భాగాలు ఉన్నాయి:

మొదటి దశ (Front End): యురేనియం తవ్వడం, దానిని శుద్ధి చేయడం, ఇంధన కడ్డీలను తయారు చేయడం.

ఉపయోగించే దశ (Service Period): అణు రియాక్టర్ లోపల ఇంధనాన్ని వాడి విద్యుత్తును తయారు చేయడం.

చివరి దశ (Back End): ఉపయోగించిన అణు ఇంధనాన్ని నిర్వహించడం. దీనిని భద్రపరచడం లేదా పునర్వినియోగం చేయడం వంటివి ఇందులో ఉంటాయి.

కేంద్రక ఇంధన చక్రంలోని భాగాలు

దశ	పని	ప్రధాన రసాయన ప్రక్రియ
మొదటి దశ	తవ్వకం, శుద్ధి	ఖనిజాన్ని యురేనియం హెక్సాఫ్లోరైడ్‌గా మార్చడం
ఉపయోగం	విద్యుత్ ఉత్పత్తి	రియాక్టరు కేంద్రంలో జరిగే కేంద్రక విచ్ఛిత్తి
చివరి దశ	నిల్వ, పునర్వినియోగం	వ్యర్థాల నుండి ప్లుటోనియం, యురేనియం వేరు చేయడం

కేంద్రక పునర్వినియోగం (Nuclear Reprocessing)

కేంద్రక పునర్వినియోగం అంటే వాడిన ఇంధనం నుండి ఉపయోగపడే భాగాలను వేరు చేసి, వ్యర్థాలను తొలగించడం. దీనివల్ల మనం ఇంధనాన్ని మళ్ళీ వాడుకోవచ్చు.

చట్టాలు-నిబంధనలు

అమెరికాలో సామాన్య ప్రజల విద్యుత్ అవసరాల కోసం పునర్వినియోగం సాధారణంగా చేయరు. 1977లో అధ్యక్షుడు Jimmy Carter దీనిని నిలిపివేశారు. దీనికి కారణం అణు విస్తరణ భయం. అంటే, వేరు చేసిన ప్లుటోనియం‌ను ఎవరైనా బాంబులు తయారు చేయడానికి వాడతారేమోనన్న ఆందోళన. అయితే రష్యా, ఫ్రాన్స్, బ్రిటన్ వంటి దేశాలు ఇంధనాన్ని పునర్వినియోగం చేస్తున్నాయి.

ప్యూరెక్స్ ప్రక్రియ (The PUREX Process)

ఇంధనాన్ని పునర్వినియోగం చేయడానికి అత్యంత సాధారణ పద్ధతిని PUREX అంటారు. దీని పూర్తి పేరు Plutonium Uranium Reduction EXtraction. ఇందులో నూనెతో కలిపిన tributyl phosphate అనే రసాయనాన్ని ఉపయోగిస్తారు.

వాడిన ఇంధనాన్ని మొదట నైట్రిక్ యాసిడ్‌తో కరిగిస్తారు. రసాయన మిశ్రమం ద్వారా యురేనియం, ప్లుటోనియంలను యాసిడ్ నుండి వేరు చేస్తారు. దీనివల్ల ప్రమాదకరమైన విచ్ఛిత్తి పదార్థాలు విడిపోతాయి. ఇప్పుడు యూరెక్స్ (UREX), ట్రూయెక్స్ (TRUEX) వంటి కొత్త పద్ధతులను కూడా శాస్త్రవేత్తలు పరీక్షిస్తున్నారు. ఇవి వ్యర్థాలను మరింత సురక్షితంగా మారుస్తాయి.

వైద్యం - జీవశాస్త్రంలో ఉపయోగాలు

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం వైద్య రంగంలో ఎంతో మంది ప్రాణాలను కాపాడుతోంది. దీనిని తరచుగా న్యూక్లియర్ మెడిసిన్ అని పిలుస్తారు.

మెడికల్ ఇమేజింగ్

శరీరం లోపలి భాగాలను చూడటానికి డాక్టర్లు రేడియోధార్మిక ట్రేసర్లను ఉపయోగిస్తారు. ఉదాహరణకు Positron emission tomography (PET) స్కాన్. రోగికి స్వల్ప పరిమాణంలో ఫ్లోరిన్-18 వంటి రేడియోధార్మిక రసాయనాన్ని ఇస్తారు. ఒక కెమెరా ఆ వికిరణాలను గుర్తించి, కణితులు (tumors) ఎక్కడ ఉన్నాయో లేదా మెదడు ఎలా పనిచేస్తుందో చూపిస్తుంది. Nuclear magnetic resonance (NMR) అనేది మరొక ప్రసిద్ధ సాధనం, దీనిని MRI స్కాన్‌లలో ఉపయోగిస్తారు. ఇది పరమాణు కేంద్రకం యొక్క భ్రమణాన్ని (spin) ఉపయోగించి చిత్రాలను తయారు చేస్తుంది.

రేడియోథెరపీ (Radiotherapy)

క్యాన్సర్ చికిత్సలో క్యాన్సర్ కణాలను చంపడానికి అధిక శక్తి గల వికిరణాలను ఉపయోగిస్తారు. కేంద్రక రసాయన శాస్త్రవేత్తలు ఈ వికిరణ మూలకాలను రూపొందించడంలో సహాయపడతారు. ఇవి క్యాన్సర్ గడ్డలను చంపేంత బలంగా ఉండాలి, అదే సమయంలో రోగికి సురక్షితంగా ఉండాలి.

జీవశాస్త్ర పరిశోధన

శరీరం ఎలా పనిచేస్తుందో తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు కార్బన్-14 లేదా ట్రిటియం వంటి ఐసోటోపులను వాడతారు. ఉదాహరణకు, ఒక చక్కెర అణువుకు రేడియోధార్మికతను జోడించి, మొక్కలు కిరణజన్య సంయోగక్రియ సమయంలో దానిని ఎలా వాడుకుంటాయో గుర్తించవచ్చు. రేడియోధార్మిక పరమాణువులను యంత్రాల ద్వారా సులభంగా కనుగొనవచ్చు కాబట్టి, జీవులలో రసాయనాల ప్రయాణాన్ని కనిపెట్టడానికి ఇవి బాగా ఉపయోగపడతాయి.

భూగర్భ శాస్త్రం, నేర పరిశోధనలో ఉపయోగాలు

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం భూమి యొక్క చరిత్రను అర్థం చేసుకోవడానికి కూడా సహాయపడుతుంది.

రాళ్లు, శిలాజాల వయస్సును కనుగొనడం

కొన్ని పరమాణువులు చిన్న గడియారాల్లా పనిచేస్తాయి. ఉదాహరణకు, పాత ఎముకలు లేదా చెక్క వయస్సును తెలుసుకోవడానికి రేడియో కార్బన్ డేటింగ్ (కార్బన్-14) ఉపయోగిస్తారు. భూగర్భ శాస్త్రంలో ఒక రాయి ఎన్ని మిలియన్ల సంవత్సరాల నాటిదో తెలుసుకోవడానికి యురేనియం, సీసం వంటి మూలకాలను ఉపయోగిస్తారు. దీనినే ఐసోటోప్ జియోకెమిస్ట్రీ అంటారు.

ఫోరెన్సిక్ సైన్స్ (Forensic Science)

నేరాలను ఛేదించడంలో కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం తోడ్పడుతుంది. ఒక తుపాకీ గుండు ఎక్కడి నుండి వచ్చింది లేదా ఒక వ్యక్తి ఏమి తిన్నాడు వంటి విషయాలను కూడా ఇది చెప్పగలదు. వెంట్రుక ముక్కలోని ఐసోటోపులను పరిశీలించడం ద్వారా, ఆ వ్యక్తి ప్రపంచంలోని ఏ ప్రాంతంలో నివసించాడో శాస్త్రవేత్తలు అంచనా వేయగలరు.

విద్య, భవిష్యత్తు

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం చాలా ముఖ్యమైన రంగం అయినప్పటికీ, నేడు చాలా తక్కువ మంది విద్యార్థులు దీనిని చదువుతున్నారు. చాలా మంది నిపుణులు వయస్సు పైబడి పదవీ విరమణ చేస్తున్నారు. వైద్యం, స్వచ్ఛమైన అణు శక్తి వంటి రంగాలలో సహాయం చేయడానికి కొత్త విద్యార్థులు రేడియో కెమిస్ట్రీని నేర్చుకోవాల్సిన అవసరం ఎంతైనా ఉంది. ఐరోపాలోని 'NucWik' వంటి కార్యక్రమాలు ఈ శాస్త్రాన్ని ఆన్‌లైన్‌లో సులభంగా నేర్చుకోవడానికి ప్రయత్నిస్తున్నాయి.

మరింత సమాచారం కోసం

Choppin, G., Liljenzin, J.O., and Rydberg, J. (2001). Radiochemistry and Nuclear Chemistry. ISBN 0-7506-7463-6.

Hahn, Otto (1966). Otto Hahn: A Scientific Autobiography.

Vértes, A., Nagy, S., and Klencsár, Z. (2011). Handbook of Nuclear Chemistry. ISBN 978-1-4419-0721-9.