Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Radioisotopes )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Радионуклид ( радиоактивный нуклид , радиоизотоп или радиоактивный изотоп ) представляет собой атом , который имеет избыток ядерной энергии, что делает его неустойчивым. Эта избыточная энергия может использоваться одним из трех способов: испускаться ядром в виде гамма-излучения ; передается одному из своих электронов, чтобы высвободить его как электрон преобразования ; или используется для создания и испускания новой частицы ( альфа-частицы или бета-частицы ) из ядра. Считается, что во время этих процессов радионуклид подвергается радиоактивному распаду . [1]Эти выбросы считаются ионизирующими излучениями, потому что они достаточно мощные, чтобы освободить электрон от другого атома. В результате радиоактивного распада может образоваться стабильный нуклид, а иногда - новый нестабильный радионуклид, который может подвергнуться дальнейшему распаду. Радиоактивный распад - это случайный процесс на уровне отдельных атомов: невозможно предсказать, когда один конкретный атом распадется. [2] [3] [4] [5] Однако для набора атомов одного элемента скорость распада и, таким образом, период полураспада ( t 1/2 ) для этого набора, может быть рассчитан на основе их измеренного распада. константы. Диапазон периодов полураспада радиоактивных атомов не имеет известных ограничений и охватывает временной диапазон более 55 порядков.

Радионуклиды возникают в природе или искусственно производятся в ядерных реакторах , циклотронах , ускорителях частиц или генераторах радионуклидов . Существует около 730 радионуклидов с периодом полураспада более 60 минут (см. Список нуклидов ). Тридцать два из них - первичные радионуклиды.которые были созданы до образования Земли. По крайней мере еще 60 радионуклидов обнаруживаются в природе либо в виде дочерних элементов первичных радионуклидов, либо в виде радионуклидов, образующихся в результате естественного образования на Земле космического излучения. Более 2400 радионуклидов имеют период полураспада менее 60 минут. Большинство из них производятся только искусственно и имеют очень короткий период полураспада. Для сравнения: стабильных нуклидов около 252 . (Теоретически только 146 из них являются стабильными, а остальные 106, как полагают, распадаются посредством альфа-распада , бета-распада , двойного бета-распада , электронного захвата или двойного электронного захвата .)

Все химические элементы могут существовать в виде радионуклидов. Даже в самом легком элементе, водороде , есть хорошо известный радионуклид - тритий . Элементы тяжелее свинца , а также технеций и прометий существуют только в виде радионуклидов. (Теоретически элементы тяжелее диспрозия существуют только в виде радионуклидов, но некоторые такие элементы, такие как золото и платина , стабильны при наблюдениях, и их период полураспада не определен).

Незапланированное воздействие радионуклидов обычно оказывает вредное воздействие на живые организмы, включая людей, хотя низкие уровни воздействия происходят естественным образом без вреда. Степень вреда будет зависеть от характера и степени произведенного излучения, количества и характера воздействия (тесный контакт, вдыхание или проглатывание) и биохимических свойств элемента; с повышенным риском рака - самое обычное последствие. Однако радионуклиды с подходящими свойствами используются в ядерной медицине как для диагностики, так и для лечения. Индикатор для визуализации, сделанный с использованием радионуклидов, называется радиоактивным индикатором . Фармацевтический препарат из радионуклидов называется радиофармацевтическим .

Происхождение [ править ]

Естественный [ править ]

На Земле естественные радионуклиды делятся на три категории: первичные радионуклиды, вторичные радионуклиды и космогенные радионуклиды.

  • Радионуклиды образуются в звездном нуклеосинтезе и взрывах сверхновых вместе со стабильными нуклидами. Большинство из них быстро распадаются, но их все еще можно наблюдать астрономически и они могут сыграть роль в понимании астрономических процессов. Первичные радионуклиды, такие как уран и торий , существуют в настоящее время, потому что их период полураспада настолько велик (> 100 миллионов лет), что они еще не полностью распались. У некоторых радионуклидов период полураспада настолько велик (во много раз превышает возраст Вселенной), что распад был обнаружен совсем недавно, и для большинства практических целей они могут считаться стабильными, в первую очередь висмут-209 : обнаружение этого распада означало, что висмутбольше не считалось стабильным. Не исключено, что распад может наблюдаться и в других нуклидах, пополняющих этот список первичных радионуклидов.
  • Вторичные радионуклиды - это радиогенные изотопы, полученные в результате распада первичных радионуклидов. У них более короткий период полураспада, чем у первичных радионуклидов. Они возникают в цепочке распада первичных изотопов тория-232 , урана-238 и урана-235 . Примеры включают природные изотопы полония и радия .
  • Космогенные изотопы , такие как углерод-14 , присутствуют потому, что они постоянно образуются в атмосфере из-за космических лучей . [6]

Многие из этих радионуклидов существуют в природе только в следовых количествах, включая все космогенные нуклиды. Вторичные радионуклиды будут появляться пропорционально их периоду полураспада, поэтому короткоживущие радионуклиды будут очень редкими. Например, полоний содержится в урановых рудах в количестве около 0,1 мг на метрическую тонну (1 часть из 10 10 ). [7] [8] Другие радионуклиды могут встречаться в природе в практически не обнаруживаемых количествах в результате редких событий, таких как спонтанное деление или необычные взаимодействия космических лучей.

Ядерное деление [ править ]

Радионуклиды образуются в результате ядерного деления и термоядерных взрывов . В процессе ядерного деления образуется широкий спектр продуктов деления , большинство из которых являются радионуклидами. Дальнейшие радионуклиды могут образовываться при облучении ядерного топлива (создавая ряд актинидов ) и окружающих структур с образованием продуктов активации . Эта сложная смесь радионуклидов с различным химическим составом и радиоактивностью делает обращение с ядерными отходами и борьбу с ядерными осадками особенно проблематичными.

Синтетический [ править ]

Искусственный нуклид америций-241, испускающий альфа-частицы, помещенный в камеру Вильсона для визуализации

Синтетические радионуклиды намеренно синтезируются с использованием ядерных реакторов , ускорителей частиц или генераторов радионуклидов:

  • Радиоизотопы можно не только извлекать из ядерных отходов, но и сознательно производить с помощью ядерных реакторов, используя высокий поток присутствующих нейтронов . Эти нейтроны активируют элементы, размещенные внутри реактора. Типичный продукт ядерного реактора - иридий-192 . Считается, что элементы, которые имеют большую склонность поглощать нейтроны в реакторе, имеют высокое нейтронное сечение .
  • Ускорители элементарных частиц, такие как циклотроны, ускоряют частицы, чтобы бомбардировать цель с образованием радионуклидов. Циклотроны ускоряют протоны на мишени с образованием излучающих позитроны радионуклидов, например фтора-18 .
  • Генераторы радионуклидов содержат родительский радионуклид, который распадается с образованием дочернего радиоактивного вещества. Родитель обычно производится в ядерном реакторе. Типичный пример - генератор технеция-99m, используемый в ядерной медицине . Материнским источником, получаемым в реакторе, является молибден-99 .

Использует [ редактировать ]

Радионуклиды используются двумя основными способами: либо только для радиации ( облучение , ядерные батареи ), либо для сочетания химических свойств и их излучения (индикаторы, биофармацевтические препараты).

  • В биологии радионуклиды углерода могут служить радиоактивными индикаторами, потому что они химически очень похожи на нерадиоактивные нуклиды, поэтому большинство химических, биологических и экологических процессов обрабатывают их почти одинаково. Затем можно проверить результат с помощью детектора излучения, такого как счетчик Гейгера , чтобы определить, где были введены атомы. Например, можно выращивать растения в среде, в которой диоксид углерода содержит радиоактивный углерод; тогда части растения, которые содержат атмосферный углерод, будут радиоактивными. Радионуклиды можно использовать для мониторинга таких процессов, как репликация ДНК или аминокислот. транспорт.
  • В ядерной медицине радиоизотопы используются для диагностики, лечения и исследований. Радиоактивные химические индикаторы, излучающие гамма-лучи или позитроны, могут предоставить диагностическую информацию о внутренней анатомии и функционировании конкретных органов, включая мозг человека . [9] [10] [11] Это используется в некоторых формах томографии: однофотонной эмиссионной компьютерной томографии и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), сканировании и черенковской люминесцентной визуализации . Радиоизотопы также являются методом лечения гемопоэтических форм опухолей; Успех лечения солидных опухолей был ограничен. Более мощные источники гамма-излучения стерилизуют шприцы и другое медицинское оборудование.
  • При консервировании пищевых продуктов радиация используется, чтобы остановить прорастание корнеплодов после сбора урожая, убить паразитов и вредителей и контролировать созревание хранящихся фруктов и овощей.
  • В промышленности и горнодобывающей промышленности радионуклиды используются для исследования сварных швов, обнаружения утечек, изучения скорости износа, эрозии и коррозии металлов, а также для оперативного анализа широкого спектра минералов и топлива.
  • В космических аппаратах радионуклиды используются для выработки электроэнергии и тепла, в частности, с помощью радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов) и радиоизотопных нагревательных устройств (RHU).
  • В астрономии и космологии радионуклиды играют роль в понимании звездных и планетных процессов.
  • В физике элементарных частиц радионуклиды помогают открыть новую физику ( физику за пределами Стандартной модели ), измеряя энергию и импульс продуктов их бета-распада (например, безнейтринный двойной бета-распад и поиск слабовзаимодействующих массивных частиц ). [12]
  • В экологии радионуклиды используются для отслеживания и анализа загрязнителей, для изучения движения поверхностных вод и для измерения стока воды от дождя и снега, а также расхода ручьев и рек.
  • В геологии , археологии и палеонтологии природные радионуклиды используются для измерения возраста горных пород, минералов и ископаемых материалов.

Примеры [ править ]

В следующей таблице перечислены свойства выбранных радионуклидов с указанием диапазона свойств и применения.

Ключ: Z  =  атомный номер ; N  =  нейтронное число ; DM = режим распада; DE = энергия распада; EC =  электронный захват

Детекторы дыма бытовые [ править ]

Контейнер америция-241 в дымовом извещателе.
Капсула Америций-241, обнаруженная в дымовом извещателе. Круг из более темного металла в центре - это америций-241; окружающий корпус из алюминия.

Радионуклиды присутствуют во многих домах, поскольку они используются в наиболее распространенных домашних детекторах дыма . Используемый радионуклид - америций-241 , который создается путем бомбардировки плутония нейтронами в ядерном реакторе. Он распадается, испуская альфа-частицы и гамма-излучение, и превращается в нептуний-237 . Детекторы дыма используют очень небольшое количество 241 Am (около 0,29 мкг на детектор дыма) в форме диоксида америция . 241 Am используется, поскольку он испускает альфа-частицы, которые ионизируют воздух в ионизационной камере детектора.. К ионизированному воздуху прикладывается небольшое электрическое напряжение, которое вызывает небольшой электрический ток. В присутствии дыма некоторые ионы нейтрализуются, тем самым уменьшая ток, что активирует сигнализацию извещателя. [13] [14]

Воздействие на организмы [ править ]

Радионуклиды, попадающие в окружающую среду, могут вызывать вредные последствия в виде радиоактивного загрязнения . Они также могут причинить вред, если чрезмерно используются во время лечения или иным образом подвергаются воздействию живых существ в результате радиационного отравления . Возможный ущерб здоровью от облучения радионуклидами зависит от ряда факторов и «может повредить функции здоровых тканей / органов. Облучение может вызывать такие эффекты, как покраснение кожи и выпадение волос, радиационные ожоги и острый лучевой синдром . Продолжительное воздействие может приводят к повреждению клеток и, в свою очередь, к раку. Признаки раковых клеток могут не проявляться в течение нескольких лет или даже десятилетий после воздействия ». [15]

Сводная таблица по классам нуклидов: «стабильные» и радиоактивные [ править ]

Ниже приводится сводная таблица для полного списка нуклидов с периодом полураспада более одного часа. Девяносто из этих 989 нуклидов теоретически стабильны, за исключением протонного распада (который никогда не наблюдался). Приблизительно 252 нуклида никогда не наблюдались распада и классически считаются стабильными.

Остающиеся в таблице радионуклиды имеют период полураспада более 1 часа и хорошо охарактеризованы (см. Список нуклидов для полной таблицы). Они включают 30 нуклидов с измеренным периодом полураспада, превышающим предполагаемый возраст Вселенной (13,8 миллиарда лет [16] ), и еще 4 нуклида с периодом полураспада, достаточно долгим (> 100 миллионов лет), что они являются радиоактивными первичными нуклидами , могут быть обнаружены на Земле, поскольку они выжили благодаря своему присутствию в межзвездной пыли еще до образования Солнечной системы, около 4,6 миллиарда лет назад. Еще 60+ короткоживущих нуклидов могут быть обнаружены естественным путем как дочерние элементы долгоживущих нуклидов или продуктов космических лучей. Остальные известные нуклиды известны исключительно из искусственных источников.ядерная трансмутация .

Числа неточные и могут немного измениться в будущем, так как «стабильные нуклиды», по наблюдениям, радиоактивны с очень большим периодом полураспада.

Это сводная таблица [17] для 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа (включая стабильные), приведенных в списке нуклидов .

Список коммерчески доступных радионуклидов [ править ]

Этот список охватывает распространенные изотопы, большинство из которых доступны в очень небольших количествах для широкой публики в большинстве стран. Другие, которые не являются общедоступными, продаются в промышленных, медицинских и научных областях и подлежат государственному регулированию.

Только гамма-излучение [ править ]

Только бета-версия [ править ]

Только альфа-излучение [ править ]

Множественные излучатели [ править ]

См. Также [ править ]

  • В списке нуклидов указаны все радионуклиды с периодом полураспада> 1 часа.
  • Стол гипераккумуляторов - 3 шт.
  • Радиоактивность в биологии
  • Радиометрическое датирование
  • Цистернограмма радионуклидов
  • Использование радиоактивности в нефтяных и газовых скважинах

Примечания [ править ]

  1. RH Petrucci, WS Harwood и FG Herring, General Chemistry (8-е изд., Prentice-Hall 2002), p.1025–26
  2. ^ "Распад и Период полураспада" . Проверено 14 декабря 2009 .
  3. ^ Стабин, Майкл Г. (2007). «3». В Стабине, Майкл Г. (ред.). Радиационная защита и дозиметрия: Введение в физику здоровья (Представленная рукопись). Springer . DOI : 10.1007 / 978-0-387-49983-3 . ISBN 978-0387499826.
  4. Лучше всего, Лара; Родригес, Джордж; Велкер, Викрам (2013). «1,3». Справочник по радиационной онкологии . Demos Medical Publishing . ISBN 978-1620700044.
  5. ^ Loveland, W .; Morrissey, D .; Сиборг, GT (2006). Современная ядерная химия . Современная ядерная химия . Wiley-Interscience. п. 57. Bibcode : 2005mnc..book ..... L . ISBN 978-0-471-11532-8.
  6. ^ Айзенбуд, Меррил; Гезелл, Томас Ф (1997-02-25). Радиоактивность окружающей среды: от природных, промышленных и военных источников . п. 134. ISBN 9780122351549.
  7. Перейти ↑ Bagnall, KW (1962). «Химия полония». Успехи неорганической химии и радиохимии 4. Нью-Йорк: Academic Press. С. 197–226. DOI: 10.1016 / S0065-2792 (08) 60268-X. ISBN 0-12-023604-4 . Проверено 14 июня 2012 г., стр. 746 
  8. Перейти ↑ Bagnall, KW (1962). «Химия полония». Достижения неорганической химии и радиохимии 4. Нью-Йорк: Academic Press., P. 198
  9. ^ Ингвар, Дэвид Х .; Лассен, Нильс А. (1961). «Количественное определение регионарного церебрального кровотока у человека» . Ланцет . 278 (7206): 806–807. DOI : 10.1016 / s0140-6736 (61) 91092-3 .
  10. ^ Ингвар, Дэвид Х .; Франзен, Горан (1974). «Распределение церебральной активности при хронической шизофрении» . Ланцет . 304 (7895): 1484–1486. DOI : 10.1016 / s0140-6736 (74) 90221-9 . PMID 4140398 . 
  11. ^ Лассен, Нильс А .; Ингвар, Дэвид Х .; Скинхой, Эрик (октябрь 1978 г.). «Функции мозга и кровоток». Scientific American . 239 (4): 62–71. Bibcode : 1978SciAm.239d..62L . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1078-62 . PMID 705327 . 
  12. ^ Северинс, Натал; Бек, Маркус; Навилиат-Кунчик, Оскар (2006). «Испытания стандартной электрослабой модели при бета-распаде ядра». Обзоры современной физики . 78 (3): 991–1040. arXiv : nucl-ex / 0605029 . Bibcode : 2006RvMP ... 78..991S . DOI : 10.1103 / RevModPhys.78.991 . S2CID 18494258 . 
  13. ^ "Детекторы дыма и америций" . world-nuclear.org . Архивировано из оригинала на 2010-11-12.
  14. Управление радиационной защиты - Am 241 Fact Sheet - Департамент здравоохранения штата Вашингтон. Архивировано 18 марта 2011 г. в Wayback Machine.
  15. ^ «Ионизирующее излучение, воздействие на здоровье и защитные меры» . Всемирная организация здоровья. Ноября 2012 . Проверено 27 января 2014 года .
  16. ^ "Космические детективы" . Европейское космическое агентство (ЕКА). 2013-04-02 . Проверено 15 апреля 2013 .
  17. ^ Табличные данные получаются путем подсчета членов списка; см. WP: CALC . Ссылки на сами данные списка приведены ниже в разделе ссылок в списке нуклидов.

Ссылки [ править ]

  • Carlsson, J .; Forssell Aronsson, E; Hietala, SO; Стигбранд, Т; Теннвалл, Дж; и другие. (2003). «Терапия опухолей радионуклидами: оценка прогресса и проблем». Лучевая терапия и онкология . 66 (2): 107–117. DOI : 10.1016 / S0167-8140 (02) 00374-2 . PMID  12648782 .
  • «Радиоизотопы в промышленности» . Всемирная ядерная ассоциация .
  • Мартин, Джеймс (2006). Физика для радиационной защиты: Справочник . п. 130. ISBN 978-3527406111.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Luig, H .; Келлерер, AM; Грибель, младший (2011). «Радионуклиды, 1. Введение». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . DOI : 10.1002 / 14356007.a22_499.pub2 . ISBN 978-3527306732.

Внешние ссылки [ править ]

  • EPA - Radionuclides - EPA's Radiation Protection Program: Information.
  • FDA - Radionuclides - Программа радиационной защиты FDA: Информация.
  • Интерактивная карта нуклидов - карта всех нуклидов
  • Национальный центр разработки изотопов - источник радионуклидов правительства США - производство, исследования, разработки, распространение и информация
  • Живая карта нуклидов - МАГАТЭ
  • Симулятор производства радионуклидов - МАГАТЭ