Радионуклид

Атом, имеющий избыточную ядерную энергию, что делает его нестабильным

Радионуклид ( радиоактивный нуклид , радиоизотоп или радиоактивный изотоп ) — это нуклид , который имеет избыточное количество нейтронов или протонов , что дает ему избыточную ядерную энергию и делает его нестабильным. Эта избыточная энергия может быть использована одним из трех способов: испущена из ядра в виде гамма-излучения ; передана одному из его электронов для высвобождения его в качестве конверсионного электрона ; или использована для создания и испускания новой частицы ( альфа-частицы или бета-частицы ) из ядра. Во время этих процессов радионуклид, как говорят, подвергается радиоактивному распаду . ^[1] Эти выбросы считаются ионизирующим излучением , потому что они достаточно энергичны, чтобы освободить электрон из другого атома. Радиоактивный распад может производить стабильный нуклид или иногда будет производить новый нестабильный радионуклид, который может подвергаться дальнейшему распаду. Радиоактивный распад — это случайный процесс на уровне отдельных атомов: невозможно предсказать, когда распадется один конкретный атом. ^{[2] [3] [4] [5]} Однако для набора атомов одного нуклида скорость распада и, следовательно, период полураспада ( t _1/2 ) для этого набора можно рассчитать из их измеренных констант распада . Диапазон периодов полураспада радиоактивных атомов не имеет известных пределов и охватывает временной диапазон 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 крайней мере еще 60 радионуклидов обнаруживаются в природе, либо как дочерние продукты первичных радионуклидов, либо как радионуклиды, полученные в результате естественного производства на Земле под действием космического излучения. Более 2400 радионуклидов имеют период полураспада менее 60 минут. Большинство из них производятся только искусственно и имеют очень короткие периоды полураспада. Для сравнения, существует около 251 стабильного нуклида .

Все химические элементы могут существовать в виде радионуклидов. Даже самый легкий элемент, водород , имеет хорошо известный радионуклид, тритий . Элементы тяжелее свинца , а также элементы технеций и прометий существуют только в виде радионуклидов.

Незапланированное воздействие радионуклидов, как правило, оказывает вредное воздействие на живые организмы, включая людей, хотя низкие уровни воздействия происходят естественным образом без вреда. Степень вреда будет зависеть от природы и степени производимого излучения, количества и характера воздействия (тесный контакт, вдыхание или проглатывание) и биохимических свойств элемента; наиболее обычным последствием является повышенный риск рака. Однако радионуклиды с подходящими свойствами используются в ядерной медицине как для диагностики, так и для лечения. Индикатор визуализации, изготовленный с использованием радионуклидов, называется радиоактивным индикатором . Фармацевтический препарат, изготовленный с использованием радионуклидов, называется радиофармацевтическим препаратом .

Источник

Естественный

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

• Радионуклиды производятся в звездном нуклеосинтезе и взрывах сверхновых вместе со стабильными нуклидами. Большинство распадается быстро, но все еще может наблюдаться астрономически и может играть роль в понимании астрономических процессов. Первичные радионуклиды, такие как уран и торий , существуют в настоящее время, потому что их периоды полураспада настолько велики (>100 миллионов лет), что они еще не полностью распались. Некоторые радионуклиды имеют периоды полураспада настолько велики (во много раз превышающие возраст Вселенной), что распад был обнаружен только недавно, и для большинства практических целей их можно считать стабильными, в частности, висмут-209 : обнаружение этого распада означало, что висмут больше не считался стабильным. Возможно, распад может наблюдаться и в других нуклидах, дополняя этот список первичных радионуклидов.
• Вторичные радионуклиды — это радиогенные изотопы, полученные в результате распада первичных радионуклидов. Они имеют более короткие периоды полураспада, чем первичные радионуклиды. Они возникают в цепочке распада первичных изотопов тория-232 , урана-238 и урана-235 . Примерами являются природные изотопы полония и радия .
• Космогенные изотопы , такие как углерод-14 , присутствуют, поскольку они постоянно образуются в атмосфере из-за космических лучей . ^[6]

Многие из этих радионуклидов существуют только в следовых количествах в природе, включая все космогенные нуклиды. Вторичные радионуклиды будут встречаться пропорционально их периодам полураспада, поэтому короткоживущие будут очень редки. Например, полоний можно найти в урановых рудах в количестве около 0,1 мг на метрическую 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 производятся как неизбежный результат ядерного деления и термоядерных взрывов . Процесс ядерного деления создает широкий спектр продуктов деления , большинство из которых являются радионуклидами. Дополнительные радионуклиды могут быть созданы при облучении ядерного топлива (создавая ряд актинидов ) и окружающих структур, давая продукты активации . Эта сложная смесь радионуклидов с различной химией и радиоактивностью делает обращение с ядерными отходами и борьбу с радиоактивными осадками особенно проблематичными. ^{[ необходима цитата ]}

Синтетический

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

Синтетические радионуклиды преднамеренно синтезируются с использованием ядерных реакторов , ускорителей частиц или генераторов радионуклидов: ^[9]

• Помимо извлечения из ядерных отходов, радиоизотопы могут быть получены преднамеренно с помощью ядерных реакторов, используя высокий поток присутствующих нейтронов . Эти нейтроны активируют элементы, размещенные внутри реактора. Типичным продуктом ядерного реактора является иридий-192 . Говорят, что элементы, которые имеют большую склонность к захвату нейтронов в реакторе, имеют высокое нейтронное сечение .
• Ускорители частиц, такие как циклотроны, ускоряют частицы для бомбардировки цели с целью получения радионуклидов. Циклотроны ускоряют протоны на цели для получения позитрон-излучающих радионуклидов, например, фтора-18 .
• Радионуклидные генераторы содержат родительский радионуклид, который распадается, образуя радиоактивный дочерний элемент. Родительский элемент обычно производится в ядерном реакторе. Типичным примером является генератор технеция-99m, используемый в ядерной медицине . Родительский элемент, производимый в реакторе, — молибден-99 .

Использует

Радионуклиды используются двумя основными способами: либо только из-за их излучения ( облучение , ядерные батареи ), либо из-за комбинации их химических свойств и излучения (индикаторы, биофармацевтические препараты).

• В биологии радионуклиды углерода могут служить радиоактивными индикаторами, поскольку они химически очень похожи на нерадиоактивные нуклиды, поэтому большинство химических, биологических и экологических процессов обрабатывают их почти идентично. Затем можно изучить результат с помощью детектора излучения, например, счетчика Гейгера , чтобы определить, куда были включены предоставленные атомы. Например, можно выращивать растения в среде, в которой углекислый газ содержит радиоактивный углерод; тогда части растения, которые включают атмосферный углерод, будут радиоактивными. Радионуклиды можно использовать для мониторинга таких процессов, как репликация ДНК или транспорт аминокислот .
• в физике и биологии радионуклидная рентгенофлуоресцентная спектрометрия используется для определения химического состава соединения . Излучение от радионуклидного источника попадает на образец и возбуждает в образце характеристическое рентгеновское излучение. Это излучение регистрируется, и химический состав образца может быть определен из анализа измеренного спектра. Измеряя энергию характеристических линий излучения, можно определить число протонов химического элемента , который испускает излучение, а измеряя число 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 определенных органов, включая человеческий мозг . ^{[10] [11] [12]} Это используется в некоторых формах томографии: однофотонная эмиссионная компьютерная томография и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и черенковская люминесцентная визуализация . Радиоизотопы также являются методом лечения гемопоэтических форм опухолей; успех в лечении солидных опухолей был 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-распадные нуклиды с сильным гамма-излучением, такие как кобальт-60 или цезий-137 .
• В промышленности и горнодобывающей промышленности радионуклиды используются для проверки сварных швов, обнаружения утечек, изучения скорости износа, эрозии и коррозии металлов, а также для анализа в процессе добычи широкого спектра минералов и видов топлива.
• В космических аппаратах радионуклиды используются для получения электроэнергии и тепла, в частности, с помощью радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) и радиоизотопных нагревательных установок (РИУ).
• 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 ) путем измерения энергии и импульса продуктов их бета-распада (например, безнейтринный двойной бета-распад и поиск слабовзаимодействующих массивных частиц ). ^[13]
• В экологии радионуклиды используются для отслеживания и анализа загрязняющих веществ, изучения движения поверхностных вод, измерения стока дождевой и снеговой воды, а также расхода ручьев и рек.
• В геологии , археологии и палеонтологии естественные радионуклиды используются для измерения возраста горных пород, минералов и ископаемых материалов.

Примеры

В следующей таблице перечислены свойства некоторых радионуклидов, иллюстрирующие спектр их свойств и применений.

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

Бытовые дымовые извещатели

Контейнер с америцием-241 в дымовом извещателе.

Капсула америция-241, обнаруженная в дымовом извещателе. Круг более темного металла в центре — америций-241; окружающий корпус — алюминий.

Радионуклиды присутствуют во многих домах, поскольку они используются внутри самых распространенных бытовых дымовых извещателей . Используемый радионуклид — америций-241 , который создается путем бомбардировки плутония нейтронами в ядерном реакторе. Он распадается, испуская альфа-частицы и гамма-излучение, превращаясь в нептуний-237 . Дымовые извещатели используют очень небольшое количество ²⁴¹ Am (около 0,29 микрограмма на дымовой извещатель) в форме диоксида америция . ²⁴¹ Am используется, поскольку он испускает альфа-частицы, которые ионизируют воздух в ионизационной камере извещателя . К ионизированному воздуху подается небольшое электрическое напряжение, что приводит к возникновению небольшого электрического тока. При наличии дыма некоторые ионы нейтрализуются, тем самым уменьшая ток, что активирует сигнал тревоги извещателя. ^{[14] [15]}

Воздействие на организмы

Радионуклиды, которые попадают в окружающую среду, могут вызывать вредные эффекты в виде радиоактивного заражения . Они также могут наносить вред, если они чрезмерно используются во время лечения или иным образом подвергаются воздействию на живые существа, путем радиационного отравления . Потенциальный вред здоровью от воздействия радионуклидов зависит от ряда факторов и «может повредить функции здоровых тканей/органов. Воздействие радиации может вызывать эффекты, варьирующиеся от покраснения кожи и потери волос до радиационных ожогов и острого лучевого синдрома . Длительное воздействие может привести к повреждению клеток, что в свою очередь приведет к раку. Признаки раковых клеток могут не проявляться в течение многих лет или даже десятилетий после воздействия». ^[16]

Сводная таблица классов нуклидов, стабильных и радиоактивных

Ниже приведена сводная таблица списка из 989 нуклидов с периодами полураспада более одного часа. Всего 251 нуклид никогда не наблюдался для распада и классически считается стабильным. Из них 90 считаются абсолютно стабильными, за исключением распада протона (который никогда не наблюдался), в то время как остальные являются « наблюдательно стабильными » и теоретически могут подвергаться радиоактивному распаду с чрезвычайно длительными периодами полураспада.

Оставшиеся табулированные 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 миллиардов лет ^[17] ), и еще четыре нуклида с периодом полураспада, достаточно большим (> 100 миллионов лет), чтобы они были радиоактивными первичными нуклидами и могли быть обнаружены на Земле, сохранившись из своего присутствия в межзвездной пыли еще до образования Солнечной системы , около 4,6 миллиардов лет назад. Еще 60+ короткоживущих нуклидов могут быть обнаружены естественным путем как дочерние продукты более долгоживущих нуклидов или продуктов космических лучей. Остальные известные нуклиды известны исключительно из искусственной ядерной трансмутации .

Цифры не точны и могут немного измениться в будущем, поскольку «стабильные нуклиды» ​​считаются радиоактивными и имеют очень длительный период полураспада.

Это сводная таблица ^[18] для 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа (включая стабильные), приведенные в списке нуклидов .

Список коммерчески доступных радионуклидов

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

Только гамма-излучение

Только бета-излучение

Только альфа-излучение

Множественные излучатели излучения

Смотрите также

• Список нуклидов показывает все радионуклиды с периодом полураспада > 1 часа.
• Таблица гипераккумуляторов – 3
• Радиоактивность в биологии
• Радиометрическое датирование
• Радионуклидная цистернограмма
• Использование радиоактивности в нефтяных и газовых скважинах

Примечания

1. Петруччи, Р. Х.; Харвуд, В. С.; Херринг, Ф. Г. (2002). Общая химия (8-е изд.). Prentice-Hall. С. 1025–26. ISBN 0-13-014329-4.
2. "Распад и период полураспада" . Получено 2009-12-14 .
3. Stabin, Michael G. (2007). "3". В Stabin, Michael G (ред.). Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics (Представленная рукопись). Springer . doi :10.1007/978-0-387-49983-3. ISBN 978-0387499826.
4. Best, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram (2013). "1.3". Radiation Oncology Primer and Review . Demos Medical Publishing . ISBN 978-1620700044.
5. Лавленд, У.; Моррисси, Д.; Сиборг, Г. Т. (2006). Современная ядерная химия . Wiley-Interscience. стр. 57. Bibcode :2005mnc..book.....L. ISBN 978-0-471-11532-8.
6. Eisenbud, Merril; Gesell, Thomas F (1997-02-25). Радиоактивность окружающей среды: от природных, промышленных и военных источников. Elsevier. стр. 134. ISBN 9780122351549.
7. Bagnall, KW (1962). «Химия полония». Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry 4. New York: Academic Press. pp. 197–226. doi:10.1016/S0065-2792(08)60268-X. ISBN 0-12-023604-4 . Получено 14 июня 2012 г., стр. 746 
8. Bagnall, KW (1962). "Химия полония". Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry 4. New York: Academic Press., стр. 198
9. "Радиоизотопы". www.iaea.org . 2016-07-15 . Получено 2023-06-25 .
10. Ингвар, Дэвид Х. [на шведском] ; Лассен, Нильс А. (1961). «Количественное определение регионального мозгового кровотока у человека». The Lancet . 278 (7206): 806–807. doi :10.1016/s0140-6736(61)91092-3.
11. Ингвар, Дэвид Х. [на шведском] ; Францен, Йоран (1974). «Распределение мозговой активности при хронической шизофрении». The Lancet . 304 (7895): 1484–1486. ​​doi :10.1016/s0140-6736(74)90221-9. PMID  4140398.
12. Лассен, Нильс А.; Ингвар, Дэвид Х. [на шведском] ; Скинхой, Эрик [на датском] (октябрь 1978 г.). «Функция мозга и кровоток». Scientific American . 239 (4): 62–71. Bibcode : 1978SciAm.239d..62L. doi : 10.1038/scientificamerican1078-62. PMID  705327.
13. Severijns, Nathal; Beck, Marcus; Naviliat-Cuncic, Oscar (2006). «Проверки стандартной электрослабой модели в ядерном бета-распаде». Reviews of Modern Physics . 78 (3): 991–1040. arXiv : nucl-ex/0605029 . Bibcode :2006RvMP...78..991S. doi :10.1103/RevModPhys.78.991. S2CID  18494258.
14. "Дымовые извещатели и америций". world-nuclear.org . Архивировано из оригинала 2010-11-12.
15. Управление по радиационной защите – Информационный бюллетень Am 241 – Департамент здравоохранения штата Вашингтон. Архивировано 18 марта 2011 г. на Wayback Machine.
16. «Ионизирующее излучение, его воздействие на здоровье и защитные меры». Всемирная организация здравоохранения. Ноябрь 2012 г. Получено 27 января 2014 г.
17. "Космические детективы". Европейское космическое агентство (ЕКА). 2013-04-02 . Получено 2013-04-15 .
18. Данные таблицы получены путем подсчета членов списка; см. WP:CALC . Ссылки на данные самого списка приведены ниже в разделе ссылок в списке нуклидов

Ссылки

• Карлссон, Дж.; Форссел Аронссон, Э.; Хиетала, СО; Стигбранд, Т.; Теннвалл, Дж.; и др. (2003). «Терапия опухолей радионуклидами: оценка прогресса и проблем». Радиотерапия и онкология . 66 (2): 107–117. doi :10.1016/S0167-8140(02)00374-2. PMID  12648782.
• "Радиоизотопы в промышленности". Всемирная ядерная ассоциация . Архивировано из оригинала 2013-02-27 . Получено 2008-05-02 .
• Мартин, Джеймс (2006). Физика радиационной защиты: Справочник . John Wiley & Sons. стр. 130. ISBN 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

• EPA – Радионуклиды – Программа радиационной защиты EPA: Информация.
• FDA – Радионуклиды – Программа FDA по радиационной защите: Информация.
• Интерактивная карта нуклидов – карта всех нуклидов
• Национальный центр разработки изотопов – источник радионуклидов правительства США – производство, исследование, разработка, распространение и информация
• Текущая карта нуклидов – МАГАТЭ
• Симулятор производства радионуклидов – МАГАТЭ