Радиохимия — это химия радиоактивных материалов, где радиоактивные изотопы элементов используются для изучения свойств и химических реакций нерадиоактивных изотопов (часто в радиохимии отсутствие радиоактивности приводит к тому, что вещество описывается как неактивное , поскольку изотопы стабильны ). Большая часть радиохимии занимается использованием радиоактивности для изучения обычных химических реакций . Это сильно отличается от радиационной химии , где уровни радиации поддерживаются слишком низкими, чтобы влиять на химию.
Радиохимия включает в себя изучение как природных, так и искусственных радиоизотопов.
Все радиоизотопы являются нестабильными изотопами элементов — которые подвергаются ядерному распаду и испускают некоторую форму излучения . 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 (которая содержит 2 протона и 2 нейтрона) из атомного ядра . Когда это происходит, атомная масса атома уменьшается на 4 единицы, а атомный номер уменьшается 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 различить по их проникающей способности.
Альфа может быть довольно легко остановлена несколькими сантиметрами воздуха или листом бумаги и эквивалентна ядру гелия. Бета может быть отсечена алюминиевой пластиной толщиной всего в несколько миллиметров и является электронами. Гамма является наиболее проникающей из трех и представляет собой безмассовый беззарядный высокоэнергетический фотон . Гамма-излучение требует значительного количества радиационной защиты из тяжелых металлов (обычно на основе свинца или бария ) для снижения его интенсивности.
При нейтронном облучении объектов можно вызвать радиоактивность; эта активация стабильных изотопов для создания радиоизотопов является основой нейтронного активационного анализа . Наиболее интересным объектом с высокой энергией, который был изучен таким образом, являются волосы с головы Наполеона , которые были исследованы на содержание мышьяка . [1]
Существует ряд различных экспериментальных методов, которые были разработаны для измерения ряда различных элементов в различных матрицах. Чтобы уменьшить влияние матрицы, обычно используют химическую экстракцию нужного элемента и/или позволяют радиоактивности, вызванной элементами матрицы, распасться до измерения радиоактивности. Поскольку влияние матрицы можно скорректировать, наблюдая за спектром распада, для некоторых образцов требуется небольшая или не требуется никакой подготовки образцов, что делает нейтронно-активационный анализ менее восприимчивым к загрязнению.
Эффекты серии различных времен охлаждения можно увидеть, если гипотетический образец, содержащий натрий, уран и кобальт в соотношении 100:10:1, подвергся очень короткому импульсу тепловых нейтронов . Начальная радиоактивность будет определяться активностью 24 Na ( период полураспада 15 ч), но с увеличением времени будет преобладать активность 239 Np (период полураспада 2,4 дня после образования из родительского 239 U с периодом полураспада 24 мин) и, наконец, активность 60 Co (5,3 года).
Одним из биологических применений является изучение ДНК с использованием радиоактивного фосфора -32. В этих экспериментах стабильный фосфор заменяется химически идентичным радиоактивным P-32, а полученная радиоактивность используется для анализа молекул и их поведения.
Другим примером является работа, которая была проделана по метилированию таких элементов, как сера , селен , теллур и полоний живыми организмами. Было показано, что бактерии могут преобразовывать эти элементы в летучие соединения, [2] считается, что метилкобаламин ( витамин B12 ) алкилирует эти элементы, создавая диметилы. Было показано, что комбинация кобалоксима и неорганического полония в стерильной воде образует летучее соединение полония, в то время как контрольный эксперимент, который не содержал соединения кобальта , не образовывал летучее соединение полония. [3] Для работы с серой использовался изотоп 35S , в то время как для полония использовался 207Po . В некоторых связанных работах путем добавления 57Co к бактериальной культуре с последующим выделением кобаламина из бактерий (и измерением радиоактивности выделенного кобаламина) было показано, что бактерии преобразуют доступный кобальт в метилкобаламин.
В медицине сканирование ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) обычно используется в диагностических целях. Пациенту внутривенно вводят радиоактивный индикатор, а затем помещают в ПЭТ-аппарат. Радиоактивный индикатор испускает излучение наружу от пациента, а камеры в аппарате интерпретируют лучи излучения от индикатора. Аппараты ПЭТ используют твердотельную сцинтилляционную детектирование из-за их высокой эффективности обнаружения, кристаллы NaI(Tl) поглощают излучение индикатора и производят фотоны, которые преобразуются в электрический сигнал для анализа аппаратом. [4]
Радиохимия также включает в себя изучение поведения радиоизотопов в окружающей среде; например, лесной или травяной пожар может снова сделать радиоизотопы мобильными. [5] В этих экспериментах пожары были начаты в зоне отчуждения вокруг Чернобыля , и радиоактивность в воздухе измерялась по ветру.
Важно отметить, что огромное количество процессов может выбрасывать радиоактивность в окружающую среду, например, воздействие космических лучей на воздух ответственно за образование радиоизотопов (таких как 14 C и 32 P), распад 226 Ra приводит к образованию 222 Rn, который представляет собой газ, способный проникать через горные породы, прежде чем попасть в здания [6] [7] [8] , а также растворяться в воде и, таким образом, попадать в питьевую воду [9]. Кроме того, деятельность человека, такая как испытания бомб , аварии [10] и обычные выбросы в промышленности, приводит к выбросу радиоактивности.
Химия окружающей среды некоторых радиоактивных элементов, таких как плутоний, осложняется тем, что растворы этого элемента могут подвергаться диспропорционированию [11] , и в результате одновременно могут сосуществовать многие различные состояния окисления. Была проделана некоторая работа по определению состояния окисления и координационного числа плутония и других актинидов в различных условиях.[2] Это включает работу как над растворами относительно простых комплексов [12] [13] , так и над коллоидами [14]. Две ключевые матрицы — это почва / горные породы и бетон , в этих системах химические свойства плутония изучались с использованием таких методов, как EXAFS и XANES . [15] [3][4]
В то время как связывание металла с поверхностями частиц почвы может предотвратить его перемещение через слой почвы, возможно, что частицы почвы, несущие радиоактивный металл, могут мигрировать в виде коллоидных частиц через почву. Было показано, что это происходит с использованием частиц почвы, меченых 134 Cs, они способны перемещаться через трещины в почве. [16]
Радиоактивность присутствует на Земле повсюду с момента ее формирования. По данным Международного агентства по атомной энергии , один килограмм почвы обычно содержит следующие количества следующих трех природных радиоизотопов: 370 Бк 40 K (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 может фиксировать уран; Thermoanaerobacter может использовать хром (VI), железо (III), кобальт (III), марганец (IV) и уран (VI) в качестве акцепторов электронов, в то время как ацетат , глюкоза , водород , лактат , пируват , сукцинат и ксилоза могут выступать в качестве доноров электронов для метаболизма бактерий. Таким образом, металлы могут быть восстановлены 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 Geobacter sexualreducens может восстанавливать UO2+
2катионов в диоксид урана заключается в том, что бактерии восстанавливают катионы уранила до UO+
2который затем подвергается диспропорционированию с образованием UO2+
2и UO 2. Это рассуждение основывалось (по крайней мере частично) на наблюдении, что NpO+
2не преобразуется бактериями в нерастворимый оксид нептуния. [19]
Несмотря на растущее использование ядерной медицины, потенциальное расширение атомных электростанций и беспокойство по поводу защиты от ядерных угроз и управления ядерными отходами, образовавшимися в последние десятилетия, число студентов, выбравших специализацию в области ядерной и радиохимии, значительно сократилось за последние несколько десятилетий. Теперь, когда многие специалисты в этих областях приближаются к пенсионному возрасту, необходимо принять меры для предотвращения дефицита рабочей силы в этих критически важных областях, например, путем повышения интереса студентов к этим карьерам, расширения образовательных возможностей университетов и колледжей и предоставления более конкретной подготовки на рабочем месте. [20]
Ядерная и радиохимия (ЯРХ) в основном преподается на университетском уровне, обычно сначала на уровне магистратуры и докторантуры. В Европе прилагаются значительные усилия для гармонизации и подготовки образования ЯРХ к будущим потребностям промышленности и общества. Эти усилия координируются в проектах, финансируемых Координированными действиями, поддерживаемыми 7-й Рамочной программой Европейского сообщества по атомной энергии: проект CINCH-II - Сотрудничество в образовании и обучении в области ядерной химии.