دید کلی

در هنگام اجرای یک واکنش هسته‌ای القایی یا فروپاشی خود به خودی رادیواکتیو ، پدیده‌های شیمیایی وجود دارند که به موازات فرآیندهای هسته‌ای رخ می‌دهند. واکنشهای هسته‌ای منجر به تشکیل گونه‌های شیمیایی بسیار فعال می‌شوند که دارای بار و انرژی‌های جنبشی بالا هستند.

با توجه به اینکه انرژی‌های این گونه بسیار بزرگتر از انرژی حرارتی اتم‌ها و مولکولهای محیط هستند، آنها به نام اتمهای داغ بوده و مطالعه پدیده‌های شیمیایی آنها به نام شیمی داغ معروف است.


 

تفاوت شیمی اتم داغ با شیمی تشعشع

شیمی داغ نباید با شیمی تشعشع یا فوتوشیمی که اثرات تشعشع الکترومغناطیسی روی مولکولهای کمپلکس را مطالعه می‌کنند، اشتباه گردد. در آن مطالعات ، واکنشهای هسته‌ای یا فروپاشیها رخ نمی‌دهند. تشعشع از خارج سیستم تحت مطالعه ، برای ایجاد تغییرات شیمیایی بکار رفته و این گونه‌های فعال شیمیایی تولید شده بوسیله برهمکنش تشعشع با الکترونهای اوربیتال است تا مورد توجه قرار می‌گیرد. انرژی در این رابطه بسیار کمتر از حالت شیمی اتم داغ است.
 

تولید اتمهای داغ

اتمهای داغ می‌توانند بوسیله واکنشهای هسته‌ای القایی یا بوسیله فروپاشی رادیواکتیو تولید ‌شوند. هر دوی این فرآیندها منجر به پس‌زنی هسته متاثر ، بدلیل بقای ممنتوم است. با توجه به اینکه مقادیر زیاد انرژی در فرآیندهای هسته‌ای تولید می‌شود، هسته پس‌زن ، تقریبا همیشه دارای انرژی کافی برای شکستن پیوند شیمیایی که اتم‌ها را در مولکول نگهداری می‌کند، است.

هنگامی که اتم داغ از مولکول جدا شد، هنوز دارای انرژی جنبشی کافی و بار کافی برای انجام برهمکنشهای گوناگون شیمیایی با مولکولهای مجاور جهت تشکیل رادیکالها ، یون‌ها و حالات برانگیخته است. توضیح این برهکنشها یک زمینه تحقیقاتی در شیمی اتم داغ است. واکنشهای هسته‌ای که بیشتر از همه در شیمی اتم داغ مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، واکنشهایی هستند که در آنها گونه‌های محصول ، ایزوتوپی از اتم هدف هستند.

واکنشهای هسته‌ای ، در حال حاضر توجه خاصی را با توجه به کاربرد افزایشی رادیو داروهای تولید شده بوسیله سیکلوترون برای استفاده در پزشکی به خود جلب نموده است. فرآیندهای فروپاشی رادیواکتیو همچنین می‌توانند گونه برانگیخته شیمیایی تشکیل دهند. فروپاشی آلفا ، گذارهای ایزومری ، فروپاشی بتا ، واکنشهای جذب الکترون ، همه قادر به تشکیل اتمهای داغ هستند.
 

انرژی

انرژی رها شده در فرآیندهای هسته‌ای ، بسیار بزرگتر از حالت فرآیندهای شیمیایی است. انرژی که در یک واکنش هسته‌ای یا فروپاشی آزاد می‌شود، بین ذره منتشر شده و هسته ‌ای که پس از نشر ذره می‌ماند، تقسیم می‌گردد. تقسیم انرژی براساس قانون بقای ممنتوم کنترل می‌گردد، در نتیجه لازم است ممنتوم اشعه گاما یا ذره نشر شده از یک هسته با ممنتوم هسته مانده ، پس از فروپاشی برابر باشد.


 

کاربردهای واکنشهای اتم داغ

شیمی اتم داغ هم دارای کاربردهای عملی و هم بنیادی است. مطالعه شیمی اتم داغ روشنایی جدیدی را هم به سنیتیکهای واکنش و هم به مکانیسمهایی که واکنشهای شیمیایی بوسیله آنها رخ می‌دهند، بخشیده است. دانستن پدیده‌های اتم داغ برای بسیاری از زمینه‌هایی که در آنها رادیوایزوتوپها بکار می‌روند، مهم هستند. مثلا ، اثرات بیولوژیکی اتمهای داغ حاصل از رادیو داروها ، فاکتور مهمی در بررسی سلامتی مریض است. در مطالعات مواد برای راکتورهای هسته‌ای ، خواص اجزاء ساختاری تحت شرایط پرتو دهی بالا در راکتور باید معلوم باشد.

فرآیندهای اتم داغ برای تولید ایزوتوپهایی با اکتیویته مخصوص بالا و نشاندار کردن مولکول‌ها با اتمهای رادیواکتیو بکار می‌روند. شاید مشهورترین کاربرد شیمی اتم داغ ، برای تولید و جداسازی ایزوتوپ‌های با اکتیویته مخصوص بالا است. این ایزوتوپها برای بسیاری از کاربردهای ردیابی مطلوب هستند، چرا که مقدار ایزوتوپی غیر اکتیو کمتری از ردیاب حاضر وجود دارد که مثلا منجر به مشکلات سمیت در سیستمهای زنده می‌گردد.

فرآیند تشکیل ایزوتوپهای با اکتیویته مخصوص بالا از طریق واکنشهای اتم داغ ابتدا بوسیله T.A. Chalmers و L. Szilard در سال 1934 توضیح داده شد و غالبا به نام پدیده Szilard - Chalmers مشهور است. در آزمایش اولیه ، یدید اتیل برای تولید اتمهای داغ ¹²⁸I^* با نوترون‌ها مورد پرتودهی قرار گرفت:



در کنار محصولات مقداری اشعه گاما و پاره‌های آلی بدست می‌آید.

دو دانشمند ذکر شده دریافتند که ید معدنی استخراج شده از یدید آلی پرتو دیده ،‌اساسا همه ¹²⁸I بود (یعنی ، رادیو ایزوتوپ دارای اکتیویته مخصوص بالا بود). بنابراین جداسازی ایزوتوپی ، بوسیله فرآیندهای اتم داغ که متعاقب پرتودهی انجام پذیرفت، متاثر شده بود. این اثر جداسازی ، همچنین بوسیله هالوژنها نیز می‌تواند توضیح داده شود.

کاربرد دیگر شیمی اتم داغ نشان دار کردن ترکیبات آلی بکار رفته به عنوان ردیابها در بسیاری از بررسی‌ها در شیمی آلی و بیوشیمی است. یک روش برای انجام این امر ، نشان دار کردن تصادفی ساده است. ترکیبی که مشابه ترکیب مورد نظر است، پرتودهی می‌گردد. محصولات متعددی تشکیل می‌گردد که یکی از آنها احتمالا ترکیب مورد نظر است. چنانچه جداسازی میسر باشد، ترکیب مورد نظر می‌تواند از مخلوط جدا گردد.