stringtranslate.com

Радиохимия

Бардачок

Радиохимия — это химия радиоактивных материалов, где радиоактивные изотопы элементов используются для изучения свойств и химических реакций нерадиоактивных изотопов (часто в рамках радиохимии отсутствие радиоактивности приводит к тому, что вещество описывается как неактивное , поскольку изотопы стабильны ). . Большая часть радиохимии посвящена использованию радиоактивности для изучения обычных химических реакций . Это сильно отличается от радиационной химии , где уровни радиации слишком низкие, чтобы влиять на химию.

Радиохимия включает изучение как природных, так и искусственных радиоизотопов.

Основные режимы распада

Все радиоизотопы являются нестабильными изотопами элементов , которые подвергаются ядерному распаду и испускают ту или иную форму радиации . Испускаемое излучение может быть нескольких типов, включая альфа- , бета- , гамма-излучение , протонное и нейтронное излучение, а также пути распада нейтрино и античастиц .

1. α (альфа) излучение — испускание альфа-частицы (содержащей 2 протона и 2 нейтрона) из атомного ядра . Когда это произойдет, атомная масса атома уменьшится на 4 единицы, а атомный номер уменьшится на 2.

2. β(бета) излучение — превращение нейтрона в электрон и протон . После этого электрон вылетает из ядра в электронное облако .

3. γ (гамма) излучение — излучение электромагнитной энергии (например, гамма-лучей ) из ядра атома. Обычно это происходит во время альфа- или бета- радиоактивного распада .

Эти три типа излучения можно отличить по разнице в проникающей способности.

Альфу можно довольно легко остановить с помощью нескольких сантиметров воздуха или листа бумаги, и она эквивалентна ядру гелия. Бета может быть отрезана алюминиевым листом толщиной всего в несколько миллиметров и представляет собой электроны. Гамма является наиболее проникающей из трех и представляет собой безмассовый беззарядовый фотон высокой энергии . Гамма-излучение требует значительного количества радиационной защиты из тяжелых металлов (обычно на основе свинца или бария ), чтобы снизить его интенсивность.

Анализ активации

Нейтронным облучением объектов можно вызвать радиоактивность; эта активация стабильных изотопов для создания радиоизотопов является основой нейтронно-активационного анализа . Наиболее интересным высокоэнергетическим объектом, изученным таким образом, являются волосы головы Наполеона , которые исследовали на содержание мышьяка . [1]

Существует ряд различных экспериментальных методов, которые были разработаны для измерения ряда различных элементов в разных матрицах. Чтобы уменьшить влияние матрицы, обычно используют химическую экстракцию искомого элемента и/или позволяют радиоактивности, обусловленной элементами матрицы, распасться перед измерением радиоактивности. Поскольку матричный эффект можно скорректировать путем наблюдения за спектром затухания, для некоторых образцов не требуется или совсем не требуется подготовка проб, что делает нейтронно-активационный анализ менее восприимчивым к загрязнению.

Эффекты серии разного времени охлаждения можно увидеть, если гипотетический образец, содержащий натрий, уран и кобальт в соотношении 100:10:1, подвергнут очень короткому импульсу тепловых нейтронов . В начальной радиоактивности будет преобладать активность 24 Na ( период полураспада 15 часов), но с увеличением времени активность 239 Np (период полураспада 2,4 дня после образования из родительского 239 U с периодом полураспада 24 минуты) и, наконец, активность 60 Co. (5,3 года) будет преобладать.

Биологические приложения

Одним из биологических применений является исследование ДНК с использованием радиоактивного фосфора -32. В этих экспериментах стабильный фосфор заменяется химически идентичным радиоактивным Р-32, а полученная радиоактивность используется при анализе молекул и их поведения.

Другой пример — работа, проделанная по метилированию живых организмов таких элементов, как сера , селен , теллур и полоний . Было показано, что бактерии могут превращать эти элементы в летучие соединения. [2] считается, что метилкобаламин ( витамин B 12 ) алкилирует эти элементы с образованием диметилов. Показано, что сочетание кобалоксима и неорганического полония в стерильной воде образует летучее соединение полония, тогда как в контрольном эксперименте, не содержащем соединения кобальта , летучее соединение полония не образовывалось. [3] Для работы с серой использовался изотоп 35 S, а для полония 207 Po. В некоторых связанных работах путем добавления 57 Co к бактериальной культуре с последующим выделением кобаламина из бактерий (и измерением радиоактивности выделенного кобаламина) было показано, что бактерии превращают доступный кобальт в метилкобаламин.

В медицине ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) обычно используется в диагностических целях. Радиационный индикатор вводится пациенту внутривенно, а затем доставляется в ПЭТ-аппарат. Радиоактивный индикатор испускает радиацию наружу от пациента, а камеры в аппарате интерпретируют лучи излучения от индикатора. Машины для ПЭТ-сканирования используют твердотельное сцинтилляционное обнаружение из-за их высокой эффективности обнаружения. Кристаллы NaI (Tl) поглощают излучение индикатора и производят фотоны, которые преобразуются в электрический сигнал для анализа машиной. [4]

Относящийся к окружающей среде

Радиохимия включает также изучение поведения радиоизотопов в окружающей среде; например, лесной или травяной пожар может снова сделать радиоизотопы подвижными. [5] В ходе этих экспериментов в зоне отчуждения вокруг Чернобыля разжигались пожары и измерялась радиоактивность воздуха с подветренной стороны.

Важно отметить, что огромное количество процессов может привести к выбросу радиоактивности в окружающую среду, например, действие космических лучей на воздух ответственно за образование радиоизотопов (таких как 14 C и 32 P), распад 226 Ра образует 222 Rn, который представляет собой газ, который может диффундировать через камни перед входом в здания [6] [7] [8] и растворяться в воде и, таким образом, попадать в питьевую воду [9] . Кроме того, человеческая деятельность, такая как испытания бомб , несчастные случаи, [ 10] и обычные выбросы из промышленности привели к выбросу радиоактивности.

Химическая форма актинидов

Химия окружающей среды некоторых радиоактивных элементов, таких как плутоний, осложняется тем, что растворы этого элемента могут подвергаться диспропорционированию [11] и в результате могут сосуществовать одновременно множество различных степеней окисления. Была проделана некоторая работа по идентификации степени окисления и координационного числа плутония и других актинидов в различных условиях.[2] Сюда входят работы как над растворами относительно простых комплексов [12] [13] , так и работы над коллоидами [14]. Две ключевые матрицы — почва / камни и бетон , в этих системах химические свойства плутония изучались с помощью таких методов, как EXAFS и XANES . [15] [3][4]

Движение коллоидов

Хотя связывание металла с поверхностью частиц почвы может препятствовать его движению через слой почвы, частицы почвы, несущие радиоактивный металл, могут мигрировать через почву в виде коллоидных частиц. Было показано, что это происходит с использованием частиц почвы, меченных 134 Cs, которые способны перемещаться через трещины в почве. [16]

Нормальный фон

Радиоактивность присутствует повсюду на Земле с момента ее образования. По данным Международного агентства по атомной энергии , один килограмм почвы обычно содержит следующие количества следующих трех природных радиоизотопов: 370 Бк, 40 К (типичный диапазон 100–700 Бк), 25 Бк, 226 Ra (типичный диапазон 10–50 Бк), 25 Бк 238 U (типичный диапазон 10–50 Бк) и 25 Бк 232 Th (типичный диапазон 7–50 Бк). [17]

Действие микроорганизмов

Действие микроорганизмов может фиксировать уран; Термоанаэробактер может использовать хром (VI), железо (III), кобальт (III), марганец (IV) и уран (VI) в качестве акцепторов электронов, тогда как ацетат , глюкоза , водород , лактат , пируват , сукцинат и ксилоза могут действовать как электроны. доноры для метаболизма бактерий. Таким способом можно восстановить металлы с образованием магнетита (Fe 3 O 4 ), сидерита (FeCO 3 ), родохрозита (MnCO 3 ) и уранинита (UO 2 ). [18] Другие исследователи также работали над фиксацией урана с помощью бактерий [5][6][7], Фрэнсис Р. Ливенс и др. (Работающие в Манчестере ) предположили, что причина, по которой Geobacterulferreducens может снижать UO2+
2катионов урана до диоксида урана заключается в том, что бактерии восстанавливают катионы уранила до UO.+
2который затем подвергается диспропорции с образованием UO2+
2и УО 2 . Это рассуждение было основано (по крайней мере частично) на наблюдении, что NpO+
2не преобразуется бактериями в нерастворимый оксид нептуния. [19]

Образование

Несмотря на растущее использование ядерной медицины, потенциальное расширение атомных электростанций и беспокойство по поводу защиты от ядерных угроз и обращения с ядерными отходами, образовавшимися в последние десятилетия, число студентов, предпочитающих специализироваться в области ядерной и радиохимии, значительно сократилось за последние десятилетия. последние несколько десятилетий. Теперь, когда многие эксперты в этих областях приближаются к пенсионному возрасту, необходимо принять меры, чтобы избежать дефицита рабочей силы в этих важнейших областях, например, путем повышения интереса студентов к этим профессиям, расширения образовательного потенциала университетов и колледжей и предоставления более конкретной информации. обучение на рабочем месте. [20]

Ядерная и радиохимия (ЯРХ) в основном преподается на университетском уровне, обычно сначала на уровне магистра и доктора философии. В Европе прилагаются значительные усилия для гармонизации и подготовки образования NRC к будущим потребностям отрасли и общества. Эти усилия координируются в проектах, финансируемых в рамках программы «Скоординированные действия», поддерживаемой 7-й рамочной программой Европейского сообщества по атомной энергии: проект CINCH-II – Сотрудничество в области образования и подготовки кадров в области ядерной химии.

Рекомендации

  1. ^ Х. Смит, С. Форшувуд и А. Вассен, Nature , 1962, 194 (26 мая), 725–726.
  2. ^ Н. Момошима, Li-X. Сонг, С. Осаки и Ю. Маэда, «Биологически индуцированное выделение Po из пресной воды», Журнал экологической радиоактивности , 2002, 63 , 187–197.
  3. ^ Н. Момошима, Li-X. Сонг, С. Осаки и Ю. Маэда, «Образование и выброс летучих соединений полония в результате микробной активности и метилирования полония метилкобаламином», Environmental Science and Technology , 2001, 35 , 2956–2960.
  4. ^ Саха, Гопал Б. (2010). «Системы сканирования ПЭТ». Основы ПЭТ-визуализации . Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. стр. 19–39. дои : 10.1007/978-1-4419-0805-6_2. ISBN 9781441908049.
  5. ^ Йощенко В.И. и др. (2006) Ресуспендирование и перераспределение радионуклидов во время луговых и лесных пожаров в Чернобыльской зоне отчуждения: часть I. Эксперименты с огнем J Envir Radioact 86 :143–63 PMID  16213067
  6. ^ Янья Ваупотич и Иван Кобал, «Эффективные дозы в школах на основе наноразмерных аэрозолей дочерних продуктов радона», Атмосферная среда , 2006, 40 , 7494–7507.
  7. ^ Майкл Дюран, Строительство и окружающая среда , «Загрязнение воздуха внутри помещений, вызванное геотермальными газами», 2006, 41 , 1607–1610.
  8. ^ Паоло Боффетта, «Рак человека из-за загрязнителей окружающей среды: эпидемиологические данные», Исследования мутаций / Генетическая токсикология и экологический мутагенез , 2006, 608 , 157–162.
  9. ^ М. Форте, Р. Рускони, М. Т. Каццанига и Г. Сгорбати, «Измерение радиоактивности в итальянской питьевой воде». Микрохимический журнал , 2007, 85 , 98–102.
  10. ^ Р. Пёллянен, М. Е. Кеттерер, С. Лехто, М. Хокканен, Т. К. Икахеймонен, Т. Сиисконен, М. Моринг, член парламента Рубио Монтеро и А. Мартин Санчес, «Мультитехнологическая характеристика частицы ядерной бомбы в результате аварии в Паломаресе» , Журнал «Радиоактивность окружающей среды» , 2006, 90 , 15–28.
  11. ^ Рабидо, SW, Журнал Американского химического общества , 1957, 79 , 6350–6353.
  12. ^ П.Г. Аллен, Дж.Дж. Бучер, Д.К. Шух, Н.М. Эдельштейн и Т. Райх, «Исследование аква- и хлорокомплексов UO 2 2+ , NpO 2+ , Np 4+ и Pu 3+ с помощью тонкой структуры рентгеновского поглощения Спектроскопия», Неорганическая химия , 1997, 36 , 4676–4683.
  13. ^ Дэвид Л. Кларк, Стивен Д. Конрадсон, Д. Вебстер Кио Филлип Д. Палмер Брайан Л. Скотт и К. Дрю Тейт, «Идентификация предельных видов в карбонатной системе плутония (IV). Молекулярная структура твердого тела и раствора иона [Pu(CO 3 ) 5 ] 6− », Неорганическая химия , 1998, 37 , 2893–2899.
  14. ^ Йорг Роте, Клеменс Вальтер, Мелисса А. Денеке и Т. Фангханель, «Исследование XAFS и LIBD образования и структуры коллоидных продуктов гидролиза Pu (IV)», Неорганическая химия , 2004, 43 , 4708–4718.
  15. ^ MC Duff, DB Hunter, IR Triay, PM Bertsch, DT Reed, SR Sutton, G. Shea-McCarthy, J. Kitten, P. Eng, SJ Chipera и DT Vaniman, «Минеральные ассоциации и средние состояния окисления сорбированного Pu на Туфе», Окружающая среда. наук. Технол. , 1999, 33 , 2163–2169
  16. ^ Р. Д. Уикер и С. А. Ибрагим, «Вертикальная миграция частиц почвы , содержащих 134 Cs, в засушливых почвах: последствия для перераспределения плутония», Journal of Environmental Radioactivity , 2006, 88 , 171–188.
  17. ^ «Общие процедуры оценки и реагирования во время радиационной аварийной ситуации», серия TECDOC Международного агентства по атомной энергии, номер 1162, опубликовано в 2000 г. [1]
  18. ^ Юл Ро, Ши В. Лю, Гуаншань Ли, Хешу Хуан, Томми Дж. Фелпс и Цзичжун Чжоу, «Выделение и характеристика металлредуцирующих штаммов термоанаэробактеров из глубоких подземных сред бассейна Писанс, Колорадо», Прикладная и экологическая микробиология , 2002, 68 , 6013–6020.
  19. ^ Джоанна К. Реншоу, Лаура Дж. К. Батчинс, Фрэнсис Р. Ливенс, Иэн Мэй, Джон М. Чарнок и Джонатан Р. Ллойд, Environ. наук. Технол. , 2005, 39 (15), 5657–5660.
  20. ^ Обеспечение будущей американской ядерной и радиохимической экспертизы . Совет по химическим наукам и технологиям. 2012. ISBN 978-0-309-22534-2.

Внешние ссылки