فلز کالیفرنیوم، عنصری استراتژیک برای صنایع پیشرفته از هسته‌ای تا فضایی

فلزات عناصر شیمیایی هستند که دارای خواص فیزیکی و شیمیایی خاصی هستند که آن‌ها را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌کند. فلزات معمولاً درخشان، رسانای الکتریسیته و گرما، و چکش خوار و شکل پذیر هستند. فلزات نقش مهمی در زندگی بشر دارند. آن‌ها در ساخت انواع مختلف محصولات از جمله وسایل نقلیه، ساختمان‌ها، لوازم الکترونیکی، و جواهرات استفاده می‌شوند. فلزات همچنین در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند تولید برق، تولید فولاد و ساخت آلیاژها استفاده می‌شوند. از همین فولاد و آلیاژهای مختلف است که مقاطع مختلفی از جمله قوطی آهن و پروفیل سبک ساخته شده و برای تولید محصولات مختلف به کار گرفته می‌شوند. اگر مقاله “فلز چیست؟” را مطالعه کرده باشید، احتمالاً می‌دانید که بیش از سه چهارم جدول تناوبی از فلزات تشکیل شده است. بعضی از این فلزات کمیاب هستند و بعضی نیز به دلیل کاربردهای فراوان و نادر بودن، به عنوان فلز گرانبها شناخته می‌شوند. بعضی نیز برعکس بسیار فرآوانند.

کالیفرنیوم چیست؟

کالیفرنیوم (به انگلیسی: Californium) عنصری شیمیایی است که نماد آن Cf و با عدد اتمی 98 می‌باشد. این عنصر در جدول تناوبی اصولاً جزء انتزاعی‌ها (لانتانیدها) قرار دارد و یک عنصر انتزاعی و نادر می‌باشد. اسم کالیفرنیوم از نام ایالت کالیفرنیا گرفته شده است.

کالیفرنیوم در سال 1950 توسط دانشمندان گلن تی. سبورگ و کاوری ایسلی به دست آمد. این عنصر به‌طور معمول به‌صورت ترکیبات کمیاب با کالیفرنیوم-252 به‌عنوان یک منبع نوترون در پژوهش‌های هسته‌ای و پزشکی استفاده می‌شود. همچنین کالیفرنیوم ممکن است در تحقیقات علمی و برنامه‌های فضایی به‌عنوان یک منبع انرژی یا منبع نوترون استفاده شود.

به‌دلیل نادربودن و خطرناک بودن ترکیبات کالیفرنیوم و همچنین هزینه‌های بالای تولید آن، کاربردهای کالیفرنیوم به‌طور محدود و در موارد خاص استفاده می‌شود. همچنین به‌دلیل پرتوزایی بالای ترکیبات کالیفرنیوم، باید از آن‌ها با احتیاط و مطابق با دستورالعمل‌های ایمنی استفاده شود.

جدول مشخصات عنصر کالیفرنیوم

کاربردهای فلز کالیفرنیوم

فلز کالیفرنیوم، به دلیل نادربودن و پرتوزایی بالای آن، کاربردهای خاص و محدودی دارد و بیشتر به عنوان منبع نوترون و در تحقیقات هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه، برخی از کاربردهای فلز کالیفرنیوم توضیح داده شده‌اند:

1. منبع نوترون: کالیفرنیوم-252 به عنوان یک منبع نوترون بسیار قوی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوترون‌ها از کالیفرنیوم-252 به دلیل ویژگی‌های هسته‌ای آن (برخورداری از چرخش هسته‌ای و جذب نوترون) تشکیل می‌شوند. این منبع نوترون در تحقیقات هسته‌ای، آزمایش‌های مختلف، و همچنین در کاربردهای صنعتی به‌عنوان منبع نوترون مورد استفاده قرار می‌گیرد.
2. رادیوگرافی ترکیبات: کالیفرنیوم-252 در صنعت رادیوگرافی برای بررسی ترکیبات و شناسایی مواد استفاده می‌شود. نوترون‌های تولید شده توسط کالیفرنیوم-252 می‌توانند از مواد عبور کنند و با برخورد با هسته‌ها تغییر مسیر می‌دهند. این تغییرات مسیر نوترون‌ها می‌توانند اطلاعاتی از نقاط داخلی ترکیبات به‌دست آورند که در تصویربرداری با پرتو ایکس معمولی به‌راحتی قابل مشاهده نیستند.
3. آزمایش‌های هسته‌ای و فیزیک هسته‌ای: کالیفرنیوم در آزمایش‌های هسته‌ای و فیزیک هسته‌ای به‌عنوان منبع نوترون و همچنین به عنوان یک منبع پرتو آلفا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آزمایش‌ها ممکن است برای بررسی و مطالعه خصوصیات هسته‌ای و تعاملات هسته‌ای به کار گرفته شوند.
4. کاربردهای پزشکی: با وجود پرتوزایی بالای کالیفرنیوم، استفاده از این فلز در کاربردهای پزشکی محدود است. اما ممکن است در تحقیقات پزشکی و برخی کاربردهای پزشکی خاص برای تولید نوترون‌ها و پرتوهای آلفا استفاده شود.

به‌طور خلاصه فلز کالیفرنیوم در کاربردهای زیر استفاده می‌شوند:

معدن کالیفرنیوم

کالیفرنیوم یک عنصر بسیار نادر و نیمه انتزاعی است که به صورت طبیعی در طبقه‌بندی عناصر تناوبی وجود ندارد. بنابراین، عمدتاً به صورت مصنوعی تولید می‌شود. این عنصر اولین بار در سال 1950 توسط دانشمندان جورج تی. سبورگ و کالیفرنیا ایسوتوپیک پروژه در آزمایشگاه ملی لاری برکلی در ایالت کالیفرنیا، ایالات متحده، کشف شد و از این‌رو نام کالیفرنیوم به آن اختصاص یافت.

کالیفرنیوم به صورت نمونه‌های بسیار کوچک و اندک تولید می‌شود و معمولاً به‌عنوان محصول تجاری قابل تهیه نیست. در مواردی که به‌عنوان یک منبع نوترون یا برای تحقیقات هسته‌ای استفاده می‌شود، می‌توان از کالیفرنیوم-252 استفاده کرد که از جمله ایزوتوپ‌های پایدار و یکی از ایزوتوپ‌های مهم کالیفرنیوم محسوب می‌شود.

به دلیل نادربودن کالیفرنیوم و نیاز به فناوری پیچیده برای تولید آن، هزینه‌های تولید این عنصر بسیار بالاست. از این‌رو کالیفرنیوم به‌عنوان یکی از عناصر نادر و باارزش شناخته می‌شود.

تولید کالیفرنیوم به دلیل پرتوزایی بالای آن و نیاز به فناوری پیچیده برای تولید، محدود و پیچیده است و تنها چند کشور قابلیت تولید کالیفرنیوم را دارند. این کشورها عبارتند از:

– ایالات متحده: ایالات متحده یکی از کشورهای اولیه‌ای بود که کالیفرنیوم در آن به دست آمد و به‌عنوان کشور پیشرو در تحقیقات هسته‌ای، بخشی از تولید کالیفرنیوم برعهده آزمایشگاه‌ها و مؤسسات هسته‌ای آن کشور است.

– روسیه: روسیه نیز از کشورهای دارای توانایی تولید کالیفرنیوم است و این فرایند در مؤسسات و آزمایشگاه‌های هسته‌ای این کشور صورت می‌گیرد.

– ژاپن: ژاپن نیز به‌عنوان یکی از کشورهای تکنولوژیک و پیشرو در زمینه تحقیقات هسته‌ای، توانایی تولید کالیفرنیوم را دارد.

معدن کالیفرنیوم در ایران

همان‌طور که در بالا توضیح دادیم، معادنی برای استخراج فلز کالیفرنیوم، نه در ایران و نه در هیچ کشور دنیا وجود ندارد و این فلز تنها در آزمایشگاه و توسط کشورهای خاصی تولید می‌شود که ایران جزء این کشورها نیست. اما با این وجود دیده می‌شود که در بازار عده‌ای به دنبال خرید و فروش این فلز نادر و خطرناک هستند. به همین دلیل آشنایی با روش تشخیص کالیفرنیوم از اهمیت زیادی برخوردار است تا مانع از کلاه برداری‌های رایج در بازار شوید.

کالیفرنیوم، عنصری با اهمیت بسیار در علم انرژی هسته‌ای و تحقیقات پیشرفته در زمینه‌های علمی و پزشکی می‌باشد.

کالیفرنیوم فعال و غیر فعال

کالیفرنیوم، همانند بسیاری از عناصر شیمیایی دیگر، دارای ایزوتوپ‌های فعال و غیرفعال است. این ایزوتوپ‌ها بر اساس پایداری هسته‌ای و نیمه عمر آن‌ها تقسیم‌بندی می‌شوند.

کالیفرنیوم فعال

ایزوتوپ‌های فعال کالیفرنیوم هسته‌هایی هستند که به صورت پرتوزا هستند و پرتوهای ذرات بتا یا گاما را تابش می‌دهند. این ایزوتوپ‌ها معمولاً نیمه عمر کوتاه‌تری دارند و به صورت طبیعی وجود ندارند، بلکه به‌طور مصنوعی در آزمایشگاه‌ها یا تجهیزات هسته‌ای تولید می‌شوند. کالیفرنیوم-252 یکی از ایزوتوپ‌های فعال کالیفرنیوم است که به‌عنوان منبع نوترون مصنوعی به کار می‌رود.

کالیفرنیوم غیرفعال

ایزوتوپ‌های غیرفعال کالیفرنیوم هسته‌هایی هستند که پایدار هستند و تابش ناچیزی دارند. این ایزوتوپ‌ها عمدتاً معمولی‌ترین ایزوتوپ کالیفرنیوم به نام کالیفرنیوم-249 است که بدون تابش ذرات یا پرتوهای گاما پایدار است.

معمولاً استفاده‌های مهم کالیفرنیوم، مختص به ایزوتوپ‌های فعال است، زیرا توانایی آن‌ها در تولید نوترون‌ها و پرتوهای گاما از نظر کاربردهای هسته‌ای مهم است. به‌عنوان مثال، کالیفرنیوم-252 به عنوان منبع نوترون مصنوعی بسیار مورد استفاده در تحقیقات هسته‌ای، پزشکی، و صنایع مختلف قرار می‌گیرد.

گاهی اوقات از عبارت “کالیفرنیوم خاموش” استفاده می‌شود که منظور همان کالیفرنیوم غیرفعال است. کالیفرنیوم-249 یکی از ایزوتوپ‌های پایدار کالیفرنیوم است که پرتوزایی ندارد و غیرفعال است. این ایزوتوپ کالیفرنیوم، که اغلب به عنوان “کالیفرنیوم خاموش” نیز شناخته می‌شود، بدون تابش ذرات یا پرتوهای گاما پایدار است.

در تحقیقات هسته‌ای، ایزوتوپ‌های پایدار کالیفرنیوم که به صورت غیرفعال هستند، برای کاربردهایی که به پرتوزایی بالا نیاز ندارند مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال، کالیفرنیوم-249 به عنوان یک منبع نوترون مصنوعی و کمکی در آزمایش‌های هسته‌ای و تحقیقات پزشکی به کار می‌رود.

به‌طور خلاصه، کالیفرنیوم خاموش، به ایزوتوپ‌های پایدار کالیفرنیوم اشاره دارد که پرتوزایی ندارند و در برخی کاربردها به‌عنوان منبع نوترون استفاده می‌شوند.

نحوه و طریقه ساخت کالیفرنیوم

تولید کالیفرنیوم یک فرآیند بسیار پیچیده و هزینه‌بر است و عمدتاً به صورت مصنوعی انجام می‌شود. در واقع، کالیفرنیوم در طبیعت به صورت طبیعی وجود ندارد و به‌طور معمول به وسیله‌ی تجهیزات هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذراتی تولید می‌شود.

مراحل تولید کالیفرنیوم به صورت خلاصه به شرح زیر است:

1. تهیه ایزوتوپ: برای تولید کالیفرنیوم، نیاز به ایزوتوپ پایه‌ای برای تولید آن است. معمولاً ایزوتوپ کالیفرنیوم-249 به عنوان ایزوتوپ پایه‌ای برای تولید کالیفرنیوم استفاده می‌شود.
2. تولید کالیفرنیوم: ایزوتوپ پایه‌ای کالیفرنیوم-249 به وسیله‌ی مواد هسته‌ای دیگر، مثلاً با بمباران نوترونی، به کالیفرنیوم-250 تبدیل می‌شود. این فرآیند به وسیله‌ی واکنش هسته‌ای صورت می‌گیرد.
3. تصفیه و استخراج: پس از تولید کالیفرنیوم-250، فرآیند تصفیه و استخراج انجام می‌شود تا کالیفرنیوم خالص به‌دست آید.
4. استفاده: کالیفرنیوم تولید شده می‌تواند به عنوان منبع نوترون در تحقیقات هسته‌ای، آزمایش‌ها، و صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

توجه داشته باشید که تولید کالیفرنیوم به دلیل پرتوزایی بالا و مشکلات فنی، اقتصادی و ایمنی، معمولاً محدود و تحت کنترل رسمی دولتی انجام می‌شود و توسط کشورها با قدرت هسته‌ای قابل انجام است. همچنین، نیازمند مجوزهای ایمنی و کنترل رادیولوژیکی است.

خطرات و مضرات کالیفرنیوم

کالیفرنیوم یک عنصر پرتوزا است و استفاده از آن نیازمند مراعات دقیق اصول ایمنی و کنترل رادیولوژیکی است. استفاده نادرست از کالیفرنیوم می‌تواند به خطرات و مضرات زیر منجر شود:

1. پرتوزایی بالا: کالیفرنیوم دارای پرتوزایی بالایی است و اگر با آن به‌طور نادرست برخورد شود، می‌تواند به تابش پرتوهای گاما و پرتوهای بتا منجر شود که بهداشت و ایمنی فرد را تهدید می‌کند.
2. آلودگی هسته‌ای: به‌علت پرتوزایی کالیفرنیوم و آزادسازی نوترون‌ها، محیط و وسایل دیگر می‌توانند آلوده شوند. این آلودگی‌ها نیازمند بررسی و کنترل دقیق هستند تا ایمنی کارکنان و جامعه تامین شود.
3. آسیب به سلول‌ها: پرتوزایی کالیفرنیوم می‌تواند به سلول‌های بدن آسیب برساند و باعث تغییرات زیستی و آسیب‌های ایمنی شود.
4. حساسیت پوستی: برخورد با کالیفرنیوم به‌طور مستقیم می‌تواند به حساسیت پوستی و حساسیت‌های ناشی از تابش موجود در این فلز منجر شود.
5. آلودگی محیطی: دور ریز کالیفرنیوم و موادی که با آن در تماس هستند، می‌تواند به آلودگی محیطی منجر شود و محیط زیست را تحت تأثیر قرار دهد.

به دلیل این خطرات و مضرات، استفاده از کالیفرنیوم نیازمند تجهیزات و تکنیک‌های ایمنی مناسب است و باید تحت کنترل صاحبان مجوزهای ایمنی و مسئولین مربوطه انجام شود. همچنین، افرادی که با کالیفرنیوم کار می‌کنند باید آموزش‌های ایمنی لازم را دریافت کنند و از تجهیزات حفاظتی مورد نیاز استفاده کنند تا ایمنی خود را حفظ کنند.

روش نگهداری کالیفرنیوم

کالیفرنیوم یک عنصر رادیواکتیو است که دارای نیمه عمری حدود 432 سال است. این بدان معناست که هر 432 سال، یک نیمه از اتم‌های کالیفرنیوم به ایزوتوپ‌های دیگر تبدیل می‌شوند. کالیفرنیوم به دلیل خاصیت رادیواکتیوی خود، خطرناک است. قرار گرفتن در معرض کالیفرنیوم می‌تواند منجر به آسیب به DNA، سرطان، و سایر مشکلات سلامتی شود. به همین دلیل، نگهداری کالیفرنیوم باید با دقت انجام شود. کالیفرنیوم باید در یک محفظه محکم و ضد اشعه قرار گیرد. محفظه باید از موادی ساخته شود که در برابر خوردگی و تخریب توسط تشعشعات محافظت می‌کند.

منظور از موادی که در برابر خوردگی و تخریب توسط تشعشعات محافظت می‌کنند، موادی هستند که در برابر خوردگی و تخریب توسط اشعه‌های یونیزان مقاوم هستند. این مواد معمولاً دارای خاصیت جذب کنندگی بالایی برای این اشعه‌ها هستند. برخی از موادی که برای ساخت محفظه‌های کالیفرنیوم استفاده می‌شوند عبارتند از:

• فولاد ضد زنگ: فولاد ضد زنگ یک آلیاژ از آهن، کروم، و نیکل است که در برابر خوردگی و زنگ زدگی مقاوم است. همچنین، فولاد ضد زنگ خاصیت جذب کنندگی بالایی برای اشعه‌های یونیزان دارد.
• بتن: بتن یک ماده ساختمانی است که از سیمان، آب، و سنگدانه ساخته می‌شود. بتن خاصیت جذب کنندگی بالایی برای اشعه‌های یونیزان دارد.
• سرب: سرب یک فلز است که در برابر خوردگی و زنگ زدگی مقاوم است. همچنین، سرب خاصیت جذب کنندگی بالایی برای اشعه‌های یونیزان دارد.

انتخاب ماده مناسب برای ساخت محفظه کالیفرنیوم به عوامل مختلفی مانند نوع کالیفرنیوم، میزان پرتوزایی آن، و شرایط محیطی نگهداری آن بستگی دارد.

کالیفرنیوم باید در یک مکان خشک و خنک نگهداری شود. دمای بالا می‌تواند باعث تسریع روند تجزیه کالیفرنیوم شود. کالیفرنیوم باید از دسترس کودکان و حیوانات خانگی دور نگه داشته شود. اگر با کالیفرنیوم کار می‌کنید، باید از تجهیزات محافظتی مناسب استفاده کنید. این تجهیزات شامل لباس محافظ، دستکش، عینک ایمنی، و ماسک تنفسی است. همچنین باید از دستورالعمل‌های ایمنی ارائه شده توسط تولید کننده کالیفرنیوم پیروی کنید.

در ایران، تنها نگهداری کالیفرنیوم توسط سازمان انرژی اتمی ایران مجاز است.

فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 14 آذر 1402