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 .
На Земле естественные радионуклиды делятся на три категории: первичные радионуклиды, вторичные радионуклиды и космогенные радионуклиды.
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.
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 ]
Синтетические радионуклиды преднамеренно синтезируются с использованием ядерных реакторов , ускорителей частиц или генераторов радионуклидов: [9]
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 следующей таблице перечислены свойства некоторых радионуклидов, иллюстрирующие спектр их свойств и применений.
Изотоп | З | Н | период полураспада | ДМ | ДЭ кэВ | Способ формирования | Комментарии |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Тритий ( 3H ) | 1 | 2 | 12,3 года | β − | 19 | Космогенный | самый легкий радионуклид, используемый в искусственном ядерном синтезе , также используется для радиолюминесценции и как океанический транзитный индикатор. Синтезирован нейтронной бомбардировкой лития-6 или дейтерия |
Бериллий-10 | 4 | 6 | 1,387,000 лет | β − | 556 | Космогенный | используется для изучения эрозии почвы, формирования почвы из реголита и возраста ледяных кернов |
Углерод-14 | 6 | 8 | 5700 лет | β − | 156 | Космогенный | используется для радиоуглеродного датирования |
Фтор-18 | 9 | 9 | 110 мин. | β + , ЕС | 633/1655 | Космогенный | Источник позитронов, синтезированный для использования в качестве медицинского радиоактивного индикатора при ПЭТ-сканировании . |
Алюминий-26 | 13 | 13 | 717,000 лет | β + , ЕС | 4004 | Космогенный | датирование обнажений горных пород, отложений |
Хлор-36 | 17 | 19 | 301,000 лет | β − , EC | 709 | Космогенный | датирование обнажения горных пород, трассер грунтовых вод |
Калий-40 | 19 | 21 | 1,24 × 109 лет | β − , EC | 1330/1505 | Изначальный | используется для калий-аргонового датирования , источник атмосферного аргона , источник радиогенного тепла , крупнейший источник естественной радиоактивности |
Кальций-41 | 20 | 21 | 99,400 лет | ЕС | Космогенный | датирование обнажения карбонатных пород | |
Кобальт-60 | 27 | 33 | 5,3 года | β − | 2824 | Синтетический | производит гамма-лучи высокой энергии, используемые для радиотерапии, стерилизации оборудования, облучения продуктов питания |
Криптон-81 | 36 | 45 | 229,000 лет | β + | Космогенный | датирование грунтовых вод | |
Стронций-90 | 38 | 52 | 28,8 лет | β − | 546 | Продукт деления | среднеживущий продукт деления ; вероятно, наиболее опасный компонент радиоактивных осадков |
Технеций-99 | 43 | 56 | 210,000 лет | β − | 294 | Продукт деления | наиболее распространенный изотоп самого легкого нестабильного элемента, наиболее значимый из долгоживущих продуктов деления |
Технеций-99м | 43 | 56 | 6 часов | γ ,IC | 141 | Синтетический | наиболее часто используемый медицинский радиоизотоп, используемый в качестве радиоактивного индикатора |
Йод-129 | 53 | 76 | 15,700,000 лет | β − | 194 | Космогенный | самый долгоживущий продукт деления ; индикатор грунтовых вод |
Йод-131 | 53 | 78 | 8 дн. | β − | 971 | Продукт деления | наиболее значительная краткосрочная опасность для здоровья от ядерного деления, используется в ядерной медицине, промышленный индикатор |
Ксенон-135 | 54 | 81 | 9,1 ч. | β − | 1160 | Продукт деления | сильнейший из известных «ядерных ядов» (поглотитель нейтронов), оказывающий существенное влияние на работу ядерного реактора. |
Цезий-137 | 55 | 82 | 30,2 г. | β − | 1176 | Продукт деления | другие основные среднеживущие продукты деления, вызывающие беспокойство |
Гадолиний-153 | 64 | 89 | 240 д | ЕС | Синтетический | Калибровка ядерного оборудования, скрининг плотности костной ткани | |
Висмут-209 | 83 | 126 | 2,01 × 1019 лет | α | 3137 | Изначальный | долгое время считался стабильным, распад был обнаружен только в 2003 году |
Полоний-210 | 84 | 126 | 138 д | α | 5307 | Продукт распада | Высокотоксичный, использовался при отравлении Александра Литвиненко. |
Радон-222 | 86 | 136 | 3,8 дн. | α | 5590 | Продукт распада | газ, ответственный за большую часть воздействия ионизирующего излучения на население, вторая по частоте причина рака легких |
Торий-232 | 90 | 142 | 1,4 × 1010 лет | α | 4083 | Изначальный | основа ториевого топливного цикла |
Уран-235 | 92 | 143 | 7 × 108 лет | α | 4679 | Изначальный | расщепляющийся , основное ядерное топливо |
Уран-238 | 92 | 146 | 4,5 × 109 лет | α | 4267 | Изначальный | Основной изотоп урана |
Плутоний-238 | 94 | 144 | 87,7 лет | α | 5593 | Синтетический | используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) и радиоизотопных нагревательных установках в качестве источника энергии для космических аппаратов |
Плутоний-239 | 94 | 145 | 24,110 лет | α | 5245 | Синтетический | используется для большинства современных ядерных вооружений |
Америций-241 | 95 | 146 | 432 г. | α | 5486 | Синтетический | используется в бытовых дымовых извещателях в качестве ионизирующего агента |
Калифорний-252 | 98 | 154 | 2,64 г. | α/СФ | 6217 | Синтетический | подвергается 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
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]
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]
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 устойчивости | Количество нуклидов | Текущий итог | Примечания по текущему итогу |
---|---|---|---|
Теоретически устойчив ко всему, кроме распада протона. | 90 | 90 | Включает 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. | 56 | 146 | Все 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. | 105 | 251 | Общее количество классически стабильных нуклидов . |
Радиоактивные первичные нуклиды . | 35 | 286 | Общее 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. | 61 | 347 | Углерод-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 . | 662 | 989 | Эти 989 нуклидов перечислены в статье Список нуклидов . |
Радиоактивный синтетический (период полураспада < 1,0 часа). | >2400 | >3300 | Включает все хорошо охарактеризованные синтетические нуклиды. |
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.
Изотоп | Активность | Период полураспада | Энергии ( кэВ ) |
---|---|---|---|
Барий-133 | 9694 ТБк/кг (262 Ки/г) | 10,7 лет | 81,0, 356,0 |
Кадмий-109 | 96200 ТБк/кг (2600 Ки/г) | 453 дня | 88.0 |
Кобальт-57 | 312280 ТБк/кг (8440 Ки/г) | 270 дней | 122.1 |
Кобальт-60 | 40700 ТБк/кг (1100 Ки/г) | 5,27 лет | 1173,2, 1332,5 |
Европий-152 | 6660 ТБк/кг (180 Ки/г) | 13,5 лет | 121,8, 344,3, 1408,0 |
Марганец-54 | 287120 ТБк/кг (7760 Ки/г) | 312 дней | 834,8 |
Натрий-22 | 237540 ТБк/кг (6240 Ки/г) | 2,6 года | 511,0, 1274,5 |
Цинк-65 | 304510 ТБк/кг (8230 Ки/г) | 244 дня | 511,0, 1115,5 |
Технеций-99м | 1,95 × 10 7 ТБк/кг (5,27 × 10 5 Ки/г) | 6 часов | 140 |
Изотоп | Активность | Период полураспада | Энергии (кэВ) |
---|---|---|---|
Стронций-90 | 5180 ТБк/кг (140 Ки/г) | 28,5 лет | 546.0 |
Таллий-204 | 17057 ТБк/кг (461 Ки/г) | 3,78 года | 763.4 |
Углерод-14 | 166,5 ТБк/кг (4,5 Ки/г) | 5730 лет | 49,5 (средний) |
Тритий (Водород-3) | 357050 ТБк/кг (9650 Ки/г) | 12.32 года | 5.7 (в среднем) |
Изотоп | Активность | Период полураспада | Энергии (кэВ) |
---|---|---|---|
Полоний-210 | 166500 ТБк/кг (4500 Ки/г) | 138.376 дней | 5304.5 |
Уран-238 | 12580 кБк/кг (0,00000034 Ки/г) | 4,468 миллиарда лет | 4267 |
Изотоп | Активность | Период полураспада | Типы излучений | Энергии (кэВ) |
---|---|---|---|---|
Цезий-137 | 3256 ТБк/кг (88 Ки/г) | 30,1 лет | Гамма и бета | Г: 32, 661,6 Б: 511,6, 1173,2 |
Америций-241 | 129,5 ТБк/кг (3,5 Ки/г) | 432,2 года | Гамма и альфа | Г: 59,5, 26,3, 13,9 А: 5485, 5443 |