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).

Примеры

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

ИзотопЗНпериод полураспадаДМДЭ
кэВ
Способ формированияКомментарии
Тритий ( 3H )1212,3 годаβ 19Космогенныйсамый легкий радионуклид, используемый в искусственном ядерном синтезе , также используется для радиолюминесценции и как океанический транзитный индикатор. Синтезирован нейтронной бомбардировкой лития-6 или дейтерия
Бериллий-10461,387,000 летβ 556Космогенныйиспользуется для изучения эрозии почвы, формирования почвы из реголита и возраста ледяных кернов
Углерод-14685700 летβ 156Космогенныйиспользуется для радиоуглеродного датирования
Фтор-1899110 мин.β + , ЕС633/1655КосмогенныйИсточник позитронов, синтезированный для использования в качестве медицинского радиоактивного индикатора при ПЭТ-сканировании .
Алюминий-261313717,000 летβ + , ЕС4004Космогенныйдатирование обнажений горных пород, отложений
Хлор-361719301,000 летβ , EC709Космогенныйдатирование обнажения горных пород, трассер грунтовых вод
Калий-4019211,24 × 109 летβ , EC1330/1505Изначальныйиспользуется для калий-аргонового датирования , источник атмосферного аргона , источник радиогенного тепла , крупнейший источник естественной радиоактивности
Кальций-41202199,400 летЕСКосмогенныйдатирование обнажения карбонатных пород
Кобальт-6027335,3 годаβ 2824Синтетическийпроизводит гамма-лучи высокой энергии, используемые для радиотерапии, стерилизации оборудования, облучения продуктов питания
Криптон-813645229,000 летβ +Космогенныйдатирование грунтовых вод
Стронций-90385228,8 летβ 546Продукт делениясреднеживущий продукт деления ; вероятно, наиболее опасный компонент радиоактивных осадков
Технеций-994356210,000 летβ 294Продукт делениянаиболее распространенный изотоп самого легкого нестабильного элемента, наиболее значимый из долгоживущих продуктов деления
Технеций-99м43566 часовγ ,IC141Синтетическийнаиболее часто используемый медицинский радиоизотоп, используемый в качестве радиоактивного индикатора
Йод-129537615,700,000 летβ 194Космогенныйсамый долгоживущий продукт деления ; индикатор грунтовых вод
Йод-13153788 дн.β 971Продукт делениянаиболее значительная краткосрочная опасность для здоровья от ядерного деления, используется в ядерной медицине, промышленный индикатор
Ксенон-13554819,1 ч.β 1160Продукт делениясильнейший из известных «ядерных ядов» (поглотитель нейтронов), оказывающий существенное влияние на работу ядерного реактора.
Цезий-137558230,2 г.β 1176Продукт делениядругие основные среднеживущие продукты деления, вызывающие беспокойство
Гадолиний-1536489240 дЕССинтетическийКалибровка ядерного оборудования, скрининг плотности костной ткани
Висмут-209831262,01 × 1019 летα3137Изначальныйдолгое время считался стабильным, распад был обнаружен только в 2003 году
Полоний-21084126138 дα5307Продукт распадаВысокотоксичный, использовался при отравлении Александра Литвиненко.
Радон-222861363,8 дн.α5590Продукт распадагаз, ответственный за большую часть воздействия ионизирующего излучения на население, вторая по частоте причина рака легких
Торий-232901421,4 × 1010 летα4083Изначальныйоснова ториевого топливного цикла
Уран-235921437 × 108 летα4679Изначальныйрасщепляющийся , основное ядерное топливо
Уран-238921464,5 × 109 летα4267ИзначальныйОсновной изотоп урана
Плутоний-2389414487,7 летα5593Синтетическийиспользуется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) и радиоизотопных нагревательных установках в качестве источника энергии для космических аппаратов
Плутоний-2399414524,110 летα5245Синтетическийиспользуется для большинства современных ядерных вооружений
Америций-24195146432 г.α5486Синтетическийиспользуется в бытовых дымовых извещателях в качестве ионизирующего агента
Калифорний-252981542,64 г.α/СФ6217Синтетическийподвергается спонтанному делению (3% распадов), что делает его мощным источником нейтронов, используемым в качестве инициатора реактора и для устройств обнаружения

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 .

Класс устойчивостиКоличество нуклидовТекущий итогПримечания по текущему итогу
Теоретически устойчив ко всему, кроме распада протона.9090Включает первые 40 элементов. Распад протона еще не наблюдался.
Теоретически устойчив к альфа-распаду , бета-распаду , изомерному переходу и двойному бета-распаду , но не к спонтанному делению , которое возможно для «стабильных» нуклидов ≥ ниобия-93.56146Все нуклиды, которые, возможно, полностью стабильны (спонтанное деление никогда не наблюдалось для нуклидов с массовым числом < 232).
Энергетически нестабильны к одному или нескольким известным режимам распада, но распад пока не наблюдался. Все считаются «стабильными» до тех пор, пока не будет обнаружен распад.105251Общее количество классически стабильных нуклидов .
Радиоактивные первичные нуклиды .35286Общее количество первичных элементов включает уран , торий , висмут , рубидий-87 , калий-40 , теллур-128 , а также все стабильные нуклиды.
Радиоактивный, непервичный, но встречающийся в природе на Земле.61347Углерод-14 (и другие изотопы, образующиеся под действием космических лучей ) и дочерние продукты радиоактивных первичных элементов, таких как радий , полоний и т. д. 41 из них имеют период полураспада более одного часа.
Период полураспада радиоактивных синтетических веществ ≥ 1,0 часа. Включает в себя наиболее полезные радиоактивные индикаторы .662989Эти 989 нуклидов перечислены в статье Список нуклидов .
Радиоактивный синтетический (период полураспада < 1,0 часа).>2400>3300Включает все хорошо охарактеризованные синтетические нуклиды.

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

ИзотопАктивностьПериод полураспадаЭнергии ( кэВ )
Барий-1339694 ТБк/кг (262 Ки/г)10,7 лет81,0, 356,0
Кадмий-10996200 ТБк/кг (2600 Ки/г)453 дня88.0
Кобальт-57312280 ТБк/кг (8440 Ки/г)270 дней122.1
Кобальт-6040700 ТБк/кг (1100 Ки/г)5,27 лет1173,2, 1332,5
Европий-1526660 ТБк/кг (180 Ки/г)13,5 лет121,8, 344,3, 1408,0
Марганец-54287120 ТБк/кг (7760 Ки/г)312 дней834,8
Натрий-22237540 ТБк/кг (6240 Ки/г)2,6 года511,0, 1274,5
Цинк-65304510 ТБк/кг (8230 Ки/г)244 дня511,0, 1115,5
Технеций-99м1,95 × 10 7  ТБк/кг (5,27 × 10 5 Ки/г)6 часов140

Только бета-излучение

ИзотопАктивностьПериод полураспадаЭнергии (кэВ)
Стронций-905180 ТБк/кг (140 Ки/г)28,5 лет546.0
Таллий-20417057 ТБк/кг (461 Ки/г)3,78 года763.4
Углерод-14166,5 ТБк/кг (4,5 Ки/г)5730 лет49,5 (средний)
Тритий (Водород-3)357050 ТБк/кг (9650 Ки/г)12.32 года5.7 (в среднем)

Только альфа-излучение

ИзотопАктивностьПериод полураспадаЭнергии (кэВ)
Полоний-210166500 ТБк/кг (4500 Ки/г)138.376 дней5304.5
Уран-23812580 кБк/кг (0,00000034 Ки/г)4,468 миллиарда лет4267

Множественные излучатели излучения

ИзотопАктивностьПериод полураспадаТипы излученийЭнергии (кэВ)
Цезий-1373256 ТБк/кг (88 Ки/г)30,1 летГамма и бетаГ: 32, 661,6 Б: 511,6, 1173,2
Америций-241129,5 ТБк/кг (3,5 Ки/г)432,2 годаГамма и альфаГ: 59,5, 26,3, 13,9 А: 5485, 5443

Смотрите также

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, последствия для здоровья 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.
  • 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
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Радионуклид&oldid=1246213166"