Америций-241

Америций-241,  ²⁴¹ Am

Маленькая кнопка, содержащая 241 AmO 2 от дымовой пожарной сигнализации
Общий
Символ	241 утра
Имена	америций-241, Ам-241
Протоны	95
Нейтронов	146
Данные о нуклидах
Природное изобилие	0 ( синтетический )
Период полураспада	432,2 года
Родительские изотопы	241 Pu  ( β - ) 241 Cm  ( EC ) 245 Bk  ( α )
Продукты распада	237 нп
Изотопная масса	241.056829144 ед.
Вращение	5 / 2-
Избыточная энергия	52936.008 кэВ
Связующая энергия	7543,272 кэВ
Режимы распада
Режим распада	Энергия распада ( МэВ )
α-распад (альфа)	5,486
γ-излучение (гамма)	0,0595409
CD (кластерный распад)	93,923
Изотопы америция Полная таблица нуклидов

Америций-241 ( ²⁴¹ Am , Am-241 ) - изотоп америция . Как и все изотопы америция, он радиоактивен с периодом полураспада 432,2 года. ²⁴¹ Am является наиболее распространенным изотопом из америция , а также наиболее распространенный изотоп америция в ядерных отходах . Он обычно используется в детекторах дыма ионизационного типа и является потенциальным топливом для радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов) с длительным сроком службы . Его общие родительские нуклиды - β ^- из ²⁴¹ Pu, ECот ²⁴¹ См и α от ²⁴⁵ Bk. ²⁴¹ Am является делящимся, а критическая масса голой сферы составляет 57,6–75,6 кг, а диаметр сферы - 19–21 см. ^[1] Америций-241 имеет удельную активность 3,43 Ки / г ( кюри на грамм или 126,8 гигабеккерелей (ГБк) на грамм). ^[2] Обычно он находится в форме диоксида америция-241 ( ²⁴¹ AmO ₂ ). Этот изотоп также имеет одно мета-состояние , ^241m Am, с энергией возбуждения 2.2. МэВ и период полураспада 1,23 мкс. Присутствие америция-241 в плутонии определяется исходной концентрацией плутония-241 и возрастом образца. Из-за низкого проникновения альфа-излучения америций-241 представляет опасность для здоровья только при проглатывании или вдыхании. Более старые образцы плутония, содержащие плутоний-241, содержат накопление ²⁴¹ Am. В некоторых случаях может потребоваться химическое удаление америция-241 из переработанного плутония (например, при переработке плутониевых карьеров ).

Нуклеосинтез [ править ]

Америций-241 производился в небольших количествах в ядерных реакторах на протяжении десятилетий, и к настоящему времени накоплено много килограммов ²⁴¹ Am. ^[3] Тем не менее, с тех пор, как он был впервые выставлен на продажу в 1962 году, его цена, около 1500 долларов США за грамм ²⁴¹ Am, остается почти неизменной из-за очень сложной процедуры разделения. ^[4]

Америций-241 синтезируется не непосредственно из урана - наиболее распространенного реакторного материала - а из изотопа плутония ²³⁹ Pu. Последние должны быть произведены в первую очередь в соответствии со следующим ядерным процессом:

${\ displaystyle \ mathrm {^ {238} _ {\ 92} U \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 92} ^ {239} U \ {\ xrightarrow [{23,5 \ min} ] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 93} ^ {239} Np \ {\ xrightarrow [{2.3565 \ d}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 94} ^ {239 } Pu}}$

Захват двух нейтронов ²³⁹ Pu (так называемая (n, γ) реакция) с последующим β-распадом дает ²⁴¹ Am:

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2~(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\ yr}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }$

Плутоний, присутствующий в отработавшем ядерном топливе, содержит около 12% ²⁴¹ Pu. Поскольку он преобразуется в ²⁴¹ Am, ²⁴¹ Pu может быть извлечен и может быть использован для получения дополнительных ²⁴¹ Am. ^[4] Однако этот процесс довольно медленный: половина исходного количества ²⁴¹ Pu распадается до ²⁴¹ Am примерно через 14 лет, а количество ²⁴¹ Am достигает максимума через 70 лет. ^[5]

Полученный ²⁴¹ Am можно использовать для генерации более тяжелых изотопов америция путем дальнейшего захвата нейтронов внутри ядерного реактора. В легководном реакторе (LWR) 79% нейтронов, захваченных ²⁴¹ Am, превращаются в ²⁴² Am и 10% - в его ядерный изомер ^242m Am: ^[6]

79%:   ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$

Распад [ править ]

Америций-241 распадается в основном через альфа-распад со слабым побочным продуктом гамма-излучения . Α-распад показан следующим образом:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2}^{4}\alpha ^{2+}+\gamma ~59.5409~keV} }$

Энергия α-распада составляет 5,486 МэВ для 85% времени (та, которая широко принята для стандартной энергии α-распада), 5,443 МэВ для 13% времени и 5,388 МэВ для оставшихся 2%. ^[7] Энергия γ-квантов составляет по большей части 59,5409 кэВ , с небольшими количествами других энергий, таких как 13,9 кэВ, 17,8 кэВ и 26,4 кэВ. ^[8]

Второй наиболее распространенный тип распада, которому подвергается америций-241, - это спонтанное деление с коэффициентом ветвления 3,6 × 10 ^{-12 [9],} происходящим 1,2 раза в секунду на грамм ²⁴¹ Am. Написано так (звездочкой обозначено возбужденное ядро):

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow ~_{\ 95}^{241}Am^{*}\longrightarrow 3_{0}^{1}n~+~fission~products~+energy~(\gamma )} }$

Наименее распространенным (самым редким) типом распада америция-241 является распад кластера ³⁴ Si с коэффициентом ветвления менее 7,4 × 10 ^-16 . ^[9] Это записано следующим образом:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\longrightarrow _{\ 81}^{207}Tl+_{14}^{34}Si} }$

Приложения [ править ]

Детектор дыма ионизационного типа [ править ]

Америций-241 - единственный синтетический изотоп, попавший в домашнее хозяйство, где наиболее распространенный тип детектора дыма (ионизационный) использует ²⁴¹ AmO ₂ (диоксид америция-241) в качестве источника ионизирующего излучения . ^[10] Этот изотоп предпочтительнее ²²⁶ Ra, потому что он испускает в 5 раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения. При периоде полураспада 432,2 года америций в дымовом извещателе уменьшается и включает около 3% нептуния через 19 лет и около 5% через 32 года. Количество америция в типичном новом дымовом извещателе составляет 0,29 мкг.(около одной трети веса песчинки) с активностью 1 микрокюри (37  кБк ). Некоторые старые промышленные детекторы дыма (особенно от Pyrotronics Corporation) могут содержать до 80 мкКи. Количество ²⁴¹ Am медленно уменьшается, поскольку он распадается на нептуний-237 , другой трансурановый элемент с гораздо более длительным периодом полураспада (около 2,14 миллиона лет). Излучаемые альфа-частицы проходят через ионизационную камеру , заполненное воздухом пространство между двумя электродами , что позволяет пропускать небольшой постоянный электрический ток.проходить между пластинами конденсатора из-за излучения, ионизирующего воздушное пространство между ними. Любой дым, попадающий в камеру, блокирует / поглощает часть альфа-частиц от свободного прохода и снижает ионизацию и, следовательно, вызывает падение тока. Схема сигнализации обнаруживает это падение тока и, как следствие, включает пьезоэлектрический зуммер. По сравнению с альтернативным оптическим детектором дыма ионизационный детектор дыма дешевле и может обнаруживать частицы, которые слишком малы для того, чтобы вызывать значительное рассеяние света. Однако он более подвержен ложным срабатываниям . ^{[11] [12] [13] [14]}

Производственный процесс [ править ]

Процесс производства америция, используемого в кнопках детекторов дыма ионизационного типа, начинается с диоксида америция. AmO ₂ тщательно смешивается с золотом, формируется брикет и плавится под давлением и нагреванием при температуре более 1470 ° F (800 ° C). Подложка из серебра и лицевое покрытие из золота (или сплава золота или палладия).) наносятся на брикет и склеиваются методом горячей штамповки. Затем брикет проходит несколько стадий холодной прокатки для достижения желаемой толщины и уровня излучения. Конечная толщина составляет около 0,008 дюйма (0,20 мм), при этом золотое покрытие составляет около одного процента толщины. Полученную полосу фольги шириной около 0,8 дюйма (20 мм) разрезают на секции длиной 39 дюймов (1 м). Источники выбиты из фольги. Каждый диск диаметром около 0,2 дюйма (5,1 мм) установлен в металлическом держателе, обычно сделанном из алюминия. Держатель - это корпус, а это большая часть того, что видно на кнопке. Тонкий ободок держателя перевернут, чтобы полностью закрыть обрезанный край вокруг диска. ^[15]

Электроэнергетика РИТЭГ [ править ]

В ²⁴¹ Am имеет примерно аналогичный период полураспада в ²³⁸ Pu (432,2 лет против 87 лет), было предложено в качестве активного изотопа в радиоизотопных термоэлектрических генераторов , для использования в космических аппаратах. ^{[16] [17]} Несмотря на то, что америций-241 производит меньше тепла и электричества, чем плутоний-238 (выход энергии составляет 114,7 мВт / г для ²⁴¹ Am по сравнению с 390 мВт / г для ²³⁸ Pu) ^[16], его излучение вызывает большая угроза для людей из-за гамма- и нейтронного излучения, он имеет преимущества для длительных миссий с его значительно более длительным периодом полураспада. Европейское космическое агентствоработает над РИТЭГами на основе америция-241 для своих космических зондов ^[18] в результате глобального дефицита плутония-238 и легкого доступа к америцию-241 в Европе после переработки ядерных отходов. ^{[19] [20]}

Его требования к экранированию в РИТЭГе являются вторыми самыми низкими из всех возможных изотопов: только ²³⁸ Pu требует меньше. Преимущество перед ²³⁸ Pu состоит в том, что он производится как ядерные отходы и почти изотопно чист. Прототип конструкция ²⁴¹ Am РТГА ожидает 2-2,2 W _э / кг для 5-50 Вт _{электронной} РТГ дизайн, вкладывая ²⁴¹ Am РТГА в паритете с ²³⁸ Pu РТГОМ в пределах этого диапазона мощности. ^[21]

Источник нейтронов [ править ]

Оксиды ²⁴¹ Am, спрессованные с бериллием, могут быть очень эффективными источниками нейтронов , поскольку они испускают альфа-частицы во время радиоактивного распада :

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59.5~keV} }$

Здесь америций действует как альфа-источник, а бериллий производит нейтроны из-за своего большого сечения для (α, n) ядерной реакции:

${\textstyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}\longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } }$

Наиболее распространенным источником нейтронов ²⁴¹ AmBe является нейтронный зонд - устройство, используемое для измерения количества воды, присутствующей в почве, а также влажности / плотности для контроля качества при строительстве автомагистралей. Источники нейтронов ²⁴¹ Am также используются в каротажных исследованиях, а также в нейтронной радиографии , томографии и других радиохимических исследованиях.^[22]

Производство других элементов [ править ]

Америций-241 иногда используется в качестве исходного материала для производства других трансурановых элементов и трансактинидов - например, нейтронная бомбардировка ²⁴¹ Am дает ²⁴² Am:

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$

Оттуда 82,7% ²⁴² Am распадается до ²⁴² Cm и 17,3% до ²⁴² Pu:

82,7% → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm} }$

17,3% → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu} }$

В ядерном реакторе ²⁴² Am также преобразуется с повышением частоты за счет захвата нейтронов до ²⁴³ Am и ²⁴⁴ Am, которые преобразуются посредством β-распада в ²⁴⁴ Cm:

${\displaystyle \mathrm {^{242}_{\ 95}Am{\xrightarrow {(n,\gamma )}}~_{\ 95}^{243}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10.1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }$

Облучение ²⁴¹ Am ионами ¹² C или ²² Ne дает изотопы ²⁵³ Es ( эйнштейний ) или ²⁶³ Db ( дубний ) соответственно. ^[23] Кроме того, элемент берклий ( изотоп ²⁴³ Bk) был впервые намеренно произведен и идентифицирован путем бомбардировки ²⁴¹ Am альфа-частицами в 1949 году той же группой из Беркли с использованием того же 60-дюймового циклотрона, который использовался для многих предыдущие эксперименты. Аналогичным образом нобелий производился в Объединенном институте ядерных исследований , Дубна., Россия, в 1965 г. в нескольких реакциях, одна из которых включала облучение ²⁴³ Am ¹⁵ ионами N. Кроме того, одна из реакций синтеза лоуренсия , открытая учеными из Беркли и Дубны, включала бомбардировку ²⁴³ Am ¹⁸ O ^[24].

Спектрометр [ править ]

Америций-241 использовался в качестве портативного источника гамма-излучения и альфа-частиц для ряда медицинских и промышленных целей. Излучение гамма-излучения 59,5409 кэВ от ²⁴¹ Am в таких источниках можно использовать для косвенного анализа материалов в радиографии и рентгенофлуоресцентной спектроскопии, а также для контроля качества в стационарных ядерных плотномерах и ядерных плотномерах . Например, этот изотоп использовался для измерения толщины стекла для создания плоского стекла. ^[3]Америций-241 также подходит для калибровки гамма-спектрометров в области низких энергий, поскольку его спектр состоит почти из одного пика и незначительного комптоновского континуума (по крайней мере, на три порядка меньшей интенсивности). ^[25]

Медицина [ править ]

Гамма-лучи америция-241 использовались для пассивной диагностики функции щитовидной железы . Это медицинское приложение устарело. Гамма-лучи америция-241 могут обеспечить рентгенограммы приемлемого качества с 10-минутным временем воздействия. Рентгенограммы ²⁴¹ Am были получены только экспериментально из-за длительного времени воздействия, которое увеличивает эффективную дозу для живых тканей. Уменьшение продолжительности воздействия снижает вероятность событий ионизации, вызывающих повреждение клеток и ДНК, и является важным компонентом принципа «время, расстояние, защита», используемого в радиационной защите . ^[26]

Опасности [ править ]

Фактическая точность этого раздела оспаривается . Соответствующее обсуждение можно найти в Обсуждении: Америций-241 . Пожалуйста, помогите обеспечить надежный источник спорных заявлений . ( Февраль 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Америций-241 имеет те же общие опасности, что и другие изотопы америция: он чрезвычайно токсичен и радиоактивен. Хотя α-частицы можно остановить с помощью листа бумаги, проглатывание α-излучателей вызывает серьезные проблемы со здоровьем. Америций и его изотопы также очень химически токсичны в виде токсичных тяжелых металлов. Всего 0,03 мкКи (1110 Бк) - это максимально допустимая нагрузка на организм при ²⁴¹ Ам. ^[27]

Америций-241 - это α-излучатель со слабым побочным продуктом γ-излучения. Безопасное обращение с америцием-241 требует знания и соблюдения надлежащих мер предосторожности, поскольку без них это было бы чрезвычайно опасно. Его постоянная удельная гамма-доза составляет 3,14 x 10 ^-1 мР / час / мКи или 8,48 x 10 ^-5 мЗв / час / МБк на расстоянии 1 метр. ^[28]

При употреблении америций-241 выводится из организма в течение нескольких дней, и только 0,05% всасывается в кровь. Оттуда примерно 45% попадает в печень, 45% - в кости, а оставшиеся 10% выводятся из организма. Поглощение печенью зависит от человека и увеличивается с возрастом. В костях америций сначала откладывается на кортикальных и трабекулярных поверхностях и со временем медленно перераспределяется по кости. Биологический период полураспада ²⁴¹ Am составляет 50 лет в костях и 20 лет в печени, тогда как в гонадах (яичках и яичниках) он сохраняется постоянно; Во всех этих органах америций способствует образованию раковых клеток в результате своей радиоактивности. ^[29]

Америций-241 часто попадает на свалки из выброшенных детекторов дыма . Правила, связанные с утилизацией дымовых извещателей, ослаблены в большинстве юрисдикций. В США «Радиоактивный бойскаут» Дэвид Хан смог сконцентрировать америций-241 из детекторов дыма после того, как ему удалось купить сотню из них по остальным ценам, а также украсть несколько. ^{[30] [31] [32] [33]} Было несколько случаев воздействия америция-241, худшим из которых был Гарольд МакКласки , который в возрасте 64 лет подвергся воздействию америция в 500 раз превышающем профессиональный стандарт. -241 в результате взрыва в его лаборатории. Маккласки умер в возрасте 75 лет не в результате воздействия, а в результатеболезнь сердца, которая была у него до аварии. ^{[34] [35]}

См. Также [ править ]

Изотопы америция

Ссылки [ править ]