Радионуклид

Atom that has excess nuclear energy, making it unstable

Радионуклид ( радиоактивный нуклид , радиоизотоп или радиоактивный изотоп ) — это нуклид , который имеет избыточное количество нейтронов или протонов , что придает ему избыточную ядерную энергию и делает его нестабильным. Эту избыточную энергию можно использовать одним из трех способов: испустить из ядра в виде гамма-излучения ; передается одному из своих электронов , чтобы высвободить его в качестве конверсионного электрона ; или используется для создания и испускания новой частицы ( альфа-частицы или бета-частицы ) из ядра. Говорят, что во время этих процессов радионуклид подвергается радиоактивному распаду . ^[1] Эти выбросы считаются ионизирующим излучением , поскольку они достаточно энергичны, чтобы высвободить электрон из другого атома. Радиоактивный распад может привести к образованию стабильного нуклида или иногда к образованию нового нестабильного радионуклида, который может подвергнуться дальнейшему распаду. Радиоактивный распад — это случайный процесс на уровне отдельных атомов: невозможно предсказать, когда распадется тот или иной конкретный атом. ^{[2] [3] [4] [5]} Однако для совокупности атомов одного нуклида скорость распада и, следовательно, период полураспада ( t 1/2 ₎ для этой коллекции можно рассчитать на основе их измеренного распада . константы . Диапазон периодов полураспада радиоактивных атомов не имеет известных пределов и охватывает временной интервал более 55 порядков величины.

Радионуклиды встречаются в природе или производятся искусственно 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 являются первичными радионуклидами , которые были созданы до образования Земли. По меньшей мере еще 60 радионуклидов обнаруживаются в природе либо как дочерние элементы первичных радионуклидов, либо как радионуклиды, образующиеся в результате естественного образования на Земле под действием космического излучения. Более 2400 радионуклидов имеют период полураспада менее 60 минут. Большинство из них производятся искусственно и имеют очень короткий период полураспада. Для сравнения, стабильных нуклидов около 251 . (Теоретически только 146 из них стабильны, а остальные 105, как полагают, распадаются посредством альфа-распада , бета-распада , двойного бета-распада , захвата электрона или двойного захвата электрона .)

Все химические элементы могут существовать в виде радионуклидов. Даже самый легкий элемент, водород , имеет известный радионуклид тритий . Элементы тяжелее свинца , а также элементы технеций и прометий существуют только в виде радионуклидов. (Теоретически элементы тяжелее диспрозия существуют только в виде радионуклидов, но некоторые такие элементы, например золото и платина , наблюдательно стабильны , и период их полураспада не определен).

Незапланированное воздействие радионуклидов обычно оказывает вредное воздействие на живые организмы, включая человека, хотя небольшие уровни воздействия происходят естественным путем и не причиняют вреда. Степень вреда будет зависеть от характера и степени производимого излучения, количества и характера воздействия (тесный контакт, вдыхание или проглатывание), а также биохимических свойств элемента; с повышенным риском развития рака – самое обычное последствие. Однако радионуклиды с подходящими свойствами используются в ядерной медицине как для диагностики, так и для лечения. Индикатор визуализации, изготовленный из радионуклидов, называется радиоактивным индикатором . Фармацевтический препарат , изготовленный из радионуклидов, называется радиофармпрепаратом .

Источник

Естественный

На Земле встречающиеся в природе радионуклиды делятся на три категории: первичные радионуклиды, вторичные радионуклиды и космогенные радионуклиды.

• Радионуклиды образуются в результате звездного нуклеосинтеза и взрывов сверхновых наряду со стабильными нуклидами. Большинство из них быстро распадаются, но их все же можно наблюдать астрономически и они могут сыграть роль в понимании астрономических процессов. Первичные радионуклиды, такие как уран и торий , существуют в настоящее время, поскольку период их полураспада настолько велик (>100 миллионов лет), что они еще не полностью распались. Период полураспада некоторых радионуклидов настолько велик (во много раз превышает возраст Вселенной), что распад был обнаружен лишь недавно, и для большинства практических целей их можно считать стабильными, особенно висмут-209 : обнаружение этого распада означало, что висмут уже не считается стабильным. Возможно, распад можно наблюдать и в других нуклидах, которые пополнят этот список первичных радионуклидов.
• Вторичные радионуклиды – это радиогенные изотопы, образующиеся в результате распада первичных радионуклидов. Они имеют более короткий период полураспада, чем первичные радионуклиды. 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 под действием космических лучей . ^[6]

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

Ядерное деление

Радионуклиды образуются как неизбежный результат ядерного деления и термоядерных взрывов . В процессе ядерного деления образуется широкий спектр продуктов деления , большинство из которых являются радионуклидами. Дополнительные радионуклиды могут быть созданы в результате облучения ядерного топлива (с созданием ряда 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. ^{[ нужна цитата ]}

Синтетический

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

Синтетические радионуклиды намеренно синтезируются с использованием ядерных реакторов , ускорителей частиц или генераторов радионуклидов: ^{[ нужна ссылка ]}

• Радиоизотопы не только извлекаются из ядерных отходов, но и могут преднамеренно производиться с помощью ядерных реакторов, используя присутствующий высокий поток нейтронов . Эти нейтроны активируют элементы, расположенные внутри реактора. Типичным продуктом ядерного реактора является иридий-192 . Говорят, что элементы, которые имеют большую склонность поглощать нейтроны в реакторе, имеют высокое нейтронное сечение .
• Ускорители частиц, такие как циклотроны , ускоряют частицы для бомбардировки цели с образованием радионуклидов. Циклотроны ускоряют протоны на мишени для производства радионуклидов, излучающих позитроны, например фтора-18 .
• Радионуклидные генераторы содержат материнский радионуклид, который распадается с образованием дочернего радиоактивного радионуклида. Родитель обычно производится в ядерном реакторе. Типичным примером является генератор технеция-99m, используемый в ядерной медицине . Исходным материалом, производимым в реакторе, является молибден-99 .

Использование

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

• В биологии радионуклиды углерода могут служить радиоактивными индикаторами , поскольку по химическому составу они очень похожи на нерадиоактивные нуклиды, поэтому большинство химических, биологических и экологических процессов обрабатывают их почти одинаково. Затем можно проверить результат с помощью детектора радиации, такого как счетчик Гейгера , чтобы определить, где были включены полученные атомы. Например, можно выращивать растения в среде, в которой углекислый газ содержит радиоактивный углерод; тогда части растения, содержащие атмосферный углерод, будут радиоактивными. Радионуклиды можно использовать для мониторинга таких процессов, как репликация ДНК или транспорт аминокислот .
• В физике и биологии радионуклидная рентгенофлуоресцентная спектрометрия применяется для определения химического состава соединения . Излучение радионуклидного источника попадает на образец и возбуждает в нем характеристическое рентгеновское излучение. Это излучение регистрируется, и на основе анализа измеренного спектра можно определить химический состав образца. Измеряя энергию характеристических линий излучения, можно определить число протонов химического элемента , излучающего излучение, а измеряя количество испускаемых фотонов , можно определить концентрацию отдельных химических элементов.
• В ядерной медицине радиоизотопы используются для диагностики, лечения и исследований. Радиоактивные химические индикаторы, испускающие гамма-лучи или позитроны, могут предоставить диагностическую информацию о внутренней анатомии и функционировании конкретных органов, включая человеческий мозг . ^{[9] [10] [11]} Это используется в некоторых формах томографии: однофотонная эмиссионная компьютерная томография и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) сканирование и черенковская люминесцентная визуализация . Радиоизотопы также являются методом лечения гемопоэтических форм опухолей; успех лечения солидных опухолей ограничен. Более мощные источники гамма-излучения стерилизуют шприцы и другое медицинское оборудование.
• При консервировании пищевых продуктов радиация используется для остановки прорастания корнеплодов после сбора урожая, для уничтожения паразитов и вредителей, а также для контроля созревания хранящихся фруктов и овощей. При облучении пищевых продуктов обычно используются бета-распадающиеся нуклиды с сильным гамма-излучением, такие как кобальт-60 или цезий-137 .
• 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 полезных ископаемых и топлива.
• В космических кораблях радионуклиды используются для обеспечения электроэнергией и теплом, в частности, с помощью радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) и радиоизотопных нагревательных устройств (RHU).
• В астрономии и космологии радионуклиды играют роль в понимании звездных и планетарных процессов.
• В физике элементарных частиц радионуклиды помогают открывать новую физику ( физику за пределами Стандартной модели ) путём измерения энергии и импульса продуктов их бета-распада (например, безнейтринный двойной бета-распад и поиск слабовзаимодействующих массивных частиц ). ^[12]
• В экологии радионуклиды используются для отслеживания и анализа загрязняющих веществ, для изучения движения поверхностных вод, измерения стока воды от дождя и снега, а также скорости течения ручьев и рек.
• В геологии , археологии и палеонтологии природные радионуклиды используются для измерения возраста горных пород, минералов и ископаемых материалов.

Примеры

В следующей таблице перечислены свойства выбранных радионуклидов, иллюстрирующие диапазон свойств и области применения.

Ключ: Z  =  атомный номер ; N  =  число нейтронов ; DM = режим затухания; DE = энергия распада; EC =  захват электрона

Бытовые детекторы дыма

Контейнер с америцием-241 в детекторе дыма.

Капсула америция-241, обнаруженная в детекторе дыма. Круг более темного металла в центре — америций-241; окружающий корпус выполнен из алюминия.

Радионуклиды присутствуют во многих домах, поскольку они используются в наиболее распространенных бытовых детекторах дыма . В качестве радионуклида используется америций-241 , который создается путем бомбардировки плутония нейтронами в ядерном реакторе. Он распадается, испуская альфа-частицы и гамма-излучение , образуя нептуний-237 . Детекторы дыма используют очень небольшое количество ²⁴¹ Am (около 0,29 микрограмма 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, в результате чего возникает небольшой электрический ток. При наличии дыма часть ионов нейтрализуется, тем самым уменьшая ток, что активирует сигнализацию извещателя. ^{[13] [14]}

Воздействие на организмы

Радионуклиды, попадающие в окружающую среду, могут вызывать вредные последствия в виде радиоактивного загрязнения . Они также могут нанести ущерб, если их чрезмерно использовать во время лечения или иным образом подвергать воздействию живых существ, в результате радиационного отравления . Потенциальный вред здоровью от воздействия радионуклидов зависит от ряда факторов и «может повредить функции здоровых тканей/органов. Радиационное воздействие может вызывать самые разные последствия: от покраснения кожи и выпадения волос до радиационных ожогов и острого лучевого синдрома ». Длительное воздействие может приводят к повреждению клеток и, в свою очередь, к раку. Признаки раковых клеток могут не проявляться в течение многих или даже десятилетий после воздействия». ^[15]

Сводная таблица классов нуклидов стабильных и радиоактивных

Ниже приводится сводная таблица списка из 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа. В общей сложности никогда не наблюдалось распада 251 нуклида, и они классически считаются стабильными. Из них 90 считаются абсолютно стабильными, за исключением распада протона (который никогда не наблюдался), тогда как остальные « стабильны по наблюдениям » и теоретически могут подвергаться радиоактивному распаду с чрезвычайно длительным периодом полураспада.

Остальные радионуклиды, представленные в таблице, имеют период полураспада более 1 часа и хорошо охарактеризованы ( полную таблицу см. в списке нуклидов ). Они включают в себя 30 нуклидов с измеренным периодом полураспада, превышающим предполагаемый возраст Вселенной (13,8 миллиардов лет ^[16] ), и еще четыре нуклида с периодом полураспада, достаточно длительным (>100 миллионов лет), что они являются радиоактивными первичными нуклидами , и могут быть обнаружены на Земле, поскольку они сохранились от своего присутствия в межзвездной пыли еще до образования Солнечной системы , около 4,6 миллиардов лет назад. Еще более 60 короткоживущих нуклидов могут быть обнаружены естественным путем как дочерние элементы долгоживущих нуклидов или продуктов космических лучей. Остальные известные нуклиды известны исключительно в результате искусственной ядерной трансмутации .

Цифры не точны и могут немного измениться в будущем, поскольку наблюдается радиоактивность «стабильных нуклидов» с очень длительным 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

Этот список охватывает распространенные изотопы, большинство из которых доступны в очень небольших количествах широкой публике в большинстве стран. Другие, которые не являются общедоступными, коммерчески продаются в промышленной, медицинской и научной областях и подлежат государственному регулированию.

Только гамма-излучение

Только бета-излучение

Только альфа-излучение

Несколько излучателей излучения

Смотрите также

• В списке нуклидов показаны все радионуклиды с периодом полураспада > 1 часа.
• Стол гипераккумуляторов – 3
• Радиоактивность в биологии
• Радиометрическое датирование
• Радионуклидная цистернограмма
• Использование радиоактивности в нефтяных и газовых скважинах

Примечания

1. Петруччи, Р.Х.; Харвуд, Вашингтон; Сельдь, ФГ (2002). Общая химия (8-е изд.). Прентис-Холл. стр. 1025–26. ISBN 0-13-014329-4.
2. «Распад и период полураспада» . Проверено 14 декабря 2009 г.
3. Стабин, Майкл Г. (2007). «3». Стабин, Майкл Дж. (ред.). Радиационная защита и дозиметрия: введение в физику здравоохранения (представленная рукопись). Спрингер . дои : 10.1007/978-0-387-49983-3. ISBN 978-0387499826.
4. Лучше всего, Лара; Родригес, Джордж; Велкер, Викрам (2013). «1,3». Учебное пособие по радиационной онкологии и обзор . Медицинское издательство Демос . ISBN 978-1620700044.
5. Лавленд, В.; Моррисси, Д.; Сиборг, GT (2006). Современная ядерная химия . Уайли-Интерсайенс. п. 57. Бибкод : 2005mnc..книга.....Л. ISBN 978-0-471-11532-8.
6. Эйзенбуд, Меррил; Гезелл, Томас Ф. (25 февраля 1997 г.). Радиоактивность окружающей среды: из природных, промышленных и военных источников. Эльзевир. п. 134. ИСБН 9780122351549.
7. Бэгналл, KW (1962). «Химия полония». Достижения неорганической химии и радиохимии 4. Нью-Йорк: Academic Press. стр. 197–226. doi:10.1016/S0065-2792(08)60268-X. ISBN 0-12-023604-4 . Проверено 14 июня 2012 г., с. 746 
8. Бэгналл, KW (1962). «Химия полония». Достижения неорганической химии и радиохимии 4. Нью-Йорк: Academic Press., с. 198
9. Ингвар, Дэвид Х. [на шведском языке] ; Лассен, Нильс А. (1961). «Количественное определение регионарного мозгового кровообращения у человека». Ланцет . 278 (7206): 806–807. дои : 10.1016/s0140-6736(61)91092-3.
10. Ингвар, Дэвид Х. [на шведском языке] ; Франзен, Горан (1974). «Распределение мозговой активности при хронической шизофрении». Ланцет . 304 (7895): 1484–1486. дои : 10.1016/s0140-6736(74)90221-9. ПМИД  4140398.
11. Лассен, Нильс А .; Ингвар, Дэвид Х. [на шведском языке] ; Скинхой, Эрик [на датском языке] (октябрь 1978 г.). «Функция мозга и кровоток». Научный американец . 239 (4): 62–71. Бибкод : 1978SciAm.239d..62L. doi : 10.1038/scientificamerican1078-62. ПМИД  705327.
12. Северийнс, Натал; Бек, Маркус; Навилиат-Кунчич, Оскар (2006). «Испытания стандартной электрослабой модели ядерного бета-распада». Обзоры современной физики . 78 (3): 991–1040. arXiv : nucl-ex/0605029 . Бибкод :2006РвМП...78..991С. doi : 10.1103/RevModPhys.78.991. S2CID  18494258.
13. «Детекторы дыма и америций». world-nuclear.org . Архивировано из оригинала 12 ноября 2010 г.
14. Управление радиационной защиты - Информационный бюллетень Am 241 - Департамент здравоохранения штата Вашингтон. Архивировано 18 марта 2011 г. в Wayback Machine.
15. «Ионизирующее излучение, воздействие на здоровье и защитные меры». Всемирная организация здравоохранения. Ноябрь 2012 года . Проверено 27 января 2014 г.
16. «Космические детективы». Европейское космическое агентство (ЕКА). 2 апреля 2013 г. Проверено 15 апреля 2013 г.
17. Данные таблицы получены путем подсчета членов списка; см. WP:CALC . Ссылки на сами данные списка приведены ниже в справочном разделе списка нуклидов.

Рекомендации

• Карлссон, Дж.; Форсселл Аронссон, Э; Хиетала, ЮАР; Стигбранд, Т; Теннвалл, Дж; и другие. (2003). «Терапия опухолей радионуклидами: оценка прогресса и проблем». Лучевая терапия и онкология . 66 (2): 107–117. дои : 10.1016/S0167-8140(02)00374-2. ПМИД  12648782.
• «Радиоизотопы в промышленности». Всемирная ядерная ассоциация .
• Мартин, Джеймс (2006). Физика для радиационной защиты: Справочник . Джон Уайли и сыновья. п. 130. ИСБН 978-3527406111.

дальнейшее чтение

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

Внешние ссылки

• Агентство по охране окружающей среды – Радионуклиды – Программа радиационной защиты Агентства по охране окружающей среды: Информация.
• FDA – Радионуклиды – Программа радиационной защиты FDA: Информация.
• Интерактивная диаграмма нуклидов - диаграмма всех нуклидов.
• Национальный центр разработки изотопов - источник радионуклидов правительства США - производство, исследования, разработки, распространение и информация
• Живая карта нуклидов – МАГАТЭ
• Симулятор производства радионуклидов – МАГАТЭ