Radionuklid - Radionuclide
Et radionuklid ( radioaktivt nuklid , radioisotop eller radioaktivt isotop ) er et nuklid som har overflødig kjernekraft, noe som gjør det ustabilt. Denne overskytende energien kan brukes på en av tre måter: utsendes fra kjernen som gammastråling ; overført til et av dets elektroner for å frigjøre det som et konverteringselektron ; eller brukes til å lage og avgi en ny partikkel ( alfa -partikkel eller beta -partikkel ) fra kjernen. Under disse prosessene sies det at radionuklidet gjennomgår radioaktivt forfall . Disse utslippene regnes som ioniserende stråling fordi de er kraftige nok til å frigjøre et elektron fra et annet atom. Det radioaktive forfallet kan produsere et stabilt nuklid eller vil noen ganger produsere et nytt ustabilt radionuklid som kan gjennomgå ytterligere forfall. Radioaktivt forfall er en tilfeldig prosess på nivået av enkeltatomer: det er umulig å forutsi når ett bestemt atom vil forfalle. For en samling av atomer i et enkelt nuklid kan imidlertid forfallshastigheten, og dermed halveringstiden ( t 1/2 ) for den samlingen, beregnes ut fra deres målte forfallskonstanter . Området for halveringstider for radioaktive atomer har ingen kjente grenser og spenner over et tidsintervall på over 55 størrelsesordener.
Radionuklider forekommer naturlig eller produseres kunstig i atomreaktorer , syklotroner , partikkelakseleratorer eller radionuklidgeneratorer . Det er omtrent 730 radionuklider med halveringstider lengre enn 60 minutter (se liste over nuklider ). 32 av disse er urradionuklider som ble skapt før jorden ble dannet. Minst ytterligere 60 radionuklider er påviselige i naturen, enten som døtre av urradionuklider eller som radionuklider produsert gjennom naturlig produksjon på jorden ved kosmisk stråling. Mer enn 2400 radionuklider har halveringstider mindre enn 60 minutter. De fleste av dem er kun produsert kunstig, og har svært korte halveringstider. Til sammenligning er det omtrent 252 stabile nuklider . (I teorien er bare 146 av dem stabile, og de andre 106 antas å forfalle via alfa -forfall , beta -forfall , dobbelt beta -forfall , elektronfangst eller dobbelt elektronfangst .)
Alle kjemiske elementer kan eksistere som radionuklider. Selv det letteste grunnstoffet, hydrogen , har et velkjent radionuklid, tritium . Elementer som er tyngre enn bly , og elementene technetium og promethium , eksisterer bare som radionuklider. (I teorien eksisterer elementer som er tyngre enn dysprosium bare som radionuklider, men noen slike elementer, som gull og platina , er observasjonsstabile og halveringstiden er ikke bestemt).
Uplanlagt eksponering for radionuklider har generelt en skadelig effekt på levende organismer, inkludert mennesker, selv om lave eksponeringsnivåer forekommer naturlig uten skade. Graden av skade vil avhenge av arten og omfanget av strålingen som produseres, mengden og arten av eksponering (nærkontakt, innånding eller svelging) og elementets biokjemiske egenskaper; med økt risiko for kreft den vanligste konsekvensen. Imidlertid brukes radionuklider med egnede egenskaper i nukleærmedisin for både diagnose og behandling. Et bildebehandlingsspor laget med radionuklider kalles et radioaktivt sporstoff . Et farmasøytisk legemiddel laget med radionuklider kalles et radiofarmaka .
Opprinnelse
Naturlig
På jorden faller naturlig forekommende radionuklider inn i tre kategorier: primordiale radionuklider, sekundære radionuklider og kosmogene radionuklider.
- Radionuklider produseres i stjernenukleosyntese og supernovaeksplosjoner sammen med stabile nuklider. De fleste henfaller raskt, men kan fortsatt observeres astronomisk og kan spille en rolle i å forstå astronomiske prosesser. Urradionuklider, for eksempel uran og thorium , eksisterer i dag fordi halveringstiden er så lang (> 100 millioner år) at de ennå ikke har forfalt helt. Noen radionuklider har halveringstider så lange (mange ganger universets alder) at forfall først nylig har blitt oppdaget, og for de fleste praktiske formål kan de betraktes som stabile, særlig vismut-209 : påvisning av dette forfallet betydde at vismut var anses ikke lenger som stabil. Det er mulig forfall kan observeres i andre nuklider, og legger til denne listen over primordiale radionuklider.
- Sekundære radionuklider er radiogene isotoper avledet fra forfallet av urradionuklider. De har kortere halveringstid enn urradionuklider. De oppstår i forfallskjeden til de opprinnelige isotopene thorium-232 , uran-238 og uran-235 . Eksempler inkluderer de naturlige isotoper av polonium og radium .
- Kosmogene isotoper , som karbon-14 , er tilstede fordi de kontinuerlig dannes i atmosfæren på grunn av kosmiske stråler .
Mange av disse radionuklider eksisterer bare i spormengder i naturen, inkludert alle kosmogene nuklider. Sekundære radionuklider vil forekomme i forhold til halveringstiden, så kortlivede vil være svært sjeldne. For eksempel kan polonium finnes i uranmalm med omtrent 0,1 mg per tonn (1 del av 10 10 ). Ytterligere radionuklider kan forekomme i naturen i praktisk talt uoppdagbare mengder som et resultat av sjeldne hendelser som spontan fisjon eller uvanlige kosmiske stråleinteraksjoner.
Atomfisjon
Radionuklider produseres som et uunngåelig resultat av atomklyvning og termonukleære eksplosjoner . Kjernefysjonsprosessen skaper et bredt spekter av fisjonprodukter , hvorav de fleste er radionuklider. Ytterligere radionuklider kan opprettes fra bestråling av kjernebrenselet (skaper en rekke aktinider ) og de omkringliggende strukturene, noe som gir aktiveringsprodukter . Denne komplekse blandingen av radionuklider med forskjellige kjemikalier og radioaktivitet gjør håndtering av atomavfall og håndtering av kjernefysisk nedfall spesielt problematisk.
Syntetisk
Syntetiske radionuklider syntetiseres bevisst ved hjelp av atomreaktorer , partikkelakseleratorer eller radionuklidgeneratorer:
- I tillegg til å bli utvunnet fra atomavfall, kan radioisotoper produseres bevisst med atomreaktorer, og utnytte den høye strømmen av nøytroner som er tilstede. Disse nøytronene aktiverer elementer plassert i reaktoren. Et typisk produkt fra en atomreaktor er iridium-192 . Elementene som har stor tilbøyelighet til å ta opp nøytronene i reaktoren sies å ha et høyt nøytrontverrsnitt .
- Partikkelakseleratorer som syklotroner akselererer partikler for å bombardere et mål for å produsere radionuklider. Syklotroner akselererer protoner ved et mål for å produsere positronemitterende radionuklider, f.eks. Fluor-18 .
- Radionuklidgeneratorer inneholder et foreldreradionuklid som forfaller for å produsere en radioaktiv datter. Foreldrene produseres vanligvis i en atomreaktor. Et typisk eksempel er technetium-99m generatoren som brukes i nukleærmedisin . Foreldre produsert i reaktoren er molybden-99 .
Bruker
Radionuklider brukes på to hovedmåter: enten for strålingen alene ( bestråling , atombatterier ) eller for kombinasjonen av kjemiske egenskaper og deres stråling (sporstoffer, biofarmaka).
- I biologien kan radionuklider av karbon tjene som radioaktive sporstoffer fordi de er kjemisk veldig lik de ikke -radioaktive nuklidene, så de fleste kjemiske, biologiske og økologiske prosesser behandler dem på en nesten identisk måte. Man kan deretter undersøke resultatet med en strålingsdetektor, for eksempel en Geiger -teller , for å finne ut hvor de tilførte atomene ble inkorporert. For eksempel kan man dyrke planter i et miljø der karbondioksidet inneholdt radioaktivt karbon; da ville delene av anlegget som inneholder atmosfærisk karbon være radioaktive. Radionuklider kan brukes til å overvåke prosesser som DNA -replikasjon eller aminosyretransport .
- I nukleærmedisin brukes radioisotoper til diagnose, behandling og forskning. Radioaktive kjemiske sporstoffer som avgir gammastråler eller positroner kan gi diagnostisk informasjon om indre anatomi og funksjonen til spesifikke organer, inkludert menneskelig hjerne . Dette brukes i noen former for tomografi: enkeltfotonemisjonstomografi og positronemisjonstomografi (PET) skanning og Cherenkov luminescensavbildning . Radioisotoper er også en behandlingsmetode i hemopoietiske former for svulster; suksessen for behandling av solide svulster har vært begrenset. Mer kraftige gammakilder steriliserer sprøyter og annet medisinsk utstyr.
- Ved konservering av mat brukes stråling for å stoppe spiring av rotavlinger etter høsting, for å drepe parasitter og skadedyr, og for å kontrollere modning av lagret frukt og grønnsaker.
- I industrien og i gruvedriften brukes radionuklider for å undersøke sveiser, for å oppdage lekkasjer, for å studere hastigheten på slitasje, erosjon og korrosjon av metaller og for on-stream analyse av et bredt spekter av mineraler og drivstoff.
- I romfartøy brukes radionuklider til å levere kraft og varme, særlig gjennom radioisotop termoelektriske generatorer (RTG) og radioisotopvarmerenheter (RHU).
- I astronomi og kosmologi spiller radionuklider en rolle i forståelsen av stjerners og planetariske prosesser.
- I partikkelfysikk hjelper radionuklider med å oppdage ny fysikk ( fysikk utover standardmodellen ) ved å måle energien og momentumet i deres beta -forfallsprodukter (for eksempel nøytrinoløst dobbelt beta -forfall og søket etter svakt samspillende massive partikler ).
- I økologi brukes radionuklider for å spore og analysere forurensninger, for å studere bevegelsen av overflatevann og for å måle avrenning av vann fra regn og snø, samt strømningshastigheter i bekker og elver.
- I geologi , arkeologi og paleontologi brukes naturlige radionuklider til å måle alderen på bergarter, mineraler og fossile materialer.
Eksempler
Tabellen nedenfor viser egenskaper for utvalgte radionuklider som illustrerer egenskapene og bruksområdene.
Isotop | Z | N | halvt liv | DM | DE keV |
Formasjonsform | Kommentarer |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Tritium ( 3 H) | 1 | 2 | 12,3 år | β - | 19 | Kosmogen | letteste radionuklid, brukt i kunstig kjernefusjon , også brukt til radioluminescens og som oceanisk forbigående sporstoff. Syntetisert fra nøytronbombardement av litium-6 eller deuterium |
Beryllium-10 | 4 | 6 | 1.387.000 y | β - | 556 | Kosmogen | brukes til å undersøke jorderosjon, jorddannelse fra regolitt og alderen på iskjerner |
Karbon-14 | 6 | 8 | 5700 år | β - | 156 | Kosmogen | brukt til radiokarbondatering |
Fluor-18 | 9 | 9 | 110 min | β + , EC | 633/1655 | Kosmogen | positron -kilde, syntetisert for bruk som et medisinsk radiospor i PET -skanninger . |
Aluminium-26 | 1. 3 | 1. 3 | 717 000 y | β + , EC | 4004 | Kosmogen | eksponeringsdatering av bergarter, sediment |
Klor-36 | 17 | 19 | 301 000 y | β - , EC | 709 | Kosmogen | eksponeringsdatering av bergarter, grunnvannssporing |
Kalium-40 | 19 | 21 | 1,24 × 10 9 år | β - , EC | 1330/1505 | Ur | brukt til kalium-argondatering , kilde til atmosfærisk argon , kilde til radiogen varme , største kilde til naturlig radioaktivitet |
Kalsium-41 | 20 | 21 | 99 400 år | EC | Kosmogen | eksponeringsdatering av karbonatbergarter | |
Kobolt-60 | 27 | 33 | 5,3 y | β - | 2824 | Syntetisk | produserer høy energi gammastråler, brukt til strålebehandling, sterilisering av utstyr, matbestråling |
Krypton-81 | 36 | 45 | 229 000 y | β + | Kosmogen | dating på grunnvann | |
Strontium-90 | 38 | 52 | 28,8 år | β - | 546 | Fisjonprodukt | middels levetid fisjon produkt ; sannsynligvis den farligste komponenten i atomnedfall |
Technetium-99 | 43 | 56 | 210 000 y | β - | 294 | Fisjonprodukt | den vanligste isotopen til det letteste ustabile elementet, den viktigste av langlivede fisjonprodukter |
Technetium-99m | 43 | 56 | 6 timer | γ, IC | 141 | Syntetisk | mest brukte medisinske radioisotoper, brukt som et radioaktivt sporstoff |
Jod-129 | 53 | 76 | 15.700.000 y | β - | 194 | Kosmogen | lengste levetid fisjon produkt ; grunnvannssporing |
Jod-131 | 53 | 78 | 8 d | β - | 971 | Fisjonprodukt | mest betydningsfulle kortsiktige helsefare fra atomfisjon, brukt i nukleærmedisin, industrielt sporstoff |
Xenon-135 | 54 | 81 | 9,1 t | β - | 1160 | Fisjonprodukt | sterkeste kjente "atomgiften" (nøytronabsorber), med stor effekt på atomreaktoroperasjonen. |
Cesium-137 | 55 | 82 | 30,2 år | β - | 1176 | Fisjonprodukt | andre store middels levede fisjonprodukter av bekymring |
Gadolinium-153 | 64 | 89 | 240 d | EC | Syntetisk | Kalibrering av atomutstyr, screening av bentetthet | |
Vismut-209 | 83 | 126 | 2.01 × 10 19 y | α | 3137 | Ur | lenge ansett som stabilt, forfall bare oppdaget i 2003 |
Polonium-210 | 84 | 126 | 138 d | α | 5307 | Forfall produkt | Meget giftig, brukt ved forgiftning av Alexander Litvinenko |
Radon-222 | 86 | 136 | 3,8 d | α | 5590 | Forfall produkt | gass, ansvarlig for størstedelen av offentlig eksponering for ioniserende stråling, den nest hyppigste årsaken til lungekreft |
Thorium-232 | 90 | 142 | 1,4 × 10 10 år | α | 4083 | Ur | grunnlaget for thorium drivstoffsyklus |
Uran-235 | 92 | 143 | 7 × 10 8 år | α | 4679 | Ur | splittbart , hovedkjernebrensel |
Uran-238 | 92 | 146 | 4,5 × 10 9 år | α | 4267 | Ur | Hoveduranisotop |
Plutonium-238 | 94 | 144 | 87,7 år | α | 5593 | Syntetisk | brukes i radioisotoper termoelektriske generatorer (RTG) og radioisotopvarmerenheter som energikilde for romfartøyer |
Plutonium-239 | 94 | 145 | 24 110 år | α | 5245 | Syntetisk | brukes til de fleste moderne atomvåpen |
Americium-241 | 95 | 146 | 432 år | α | 5486 | Syntetisk | brukes i husholdningsrøykdetektorer som et ioniseringsmiddel |
Californium-252 | 98 | 154 | 2,64 år | α/SF | 6217 | Syntetisk | gjennomgår spontan fisjon (3% av forfall), noe som gjør den til en kraftig nøytronkilde, brukt som en reaktorinitiator og for deteksjonsenheter |
Nøkkel: Z = atomnummer ; N = nøytronnummer ; DM = forfallsmodus; DE = forfallsenergi; EC = elektronfangst
Husholdnings røykvarslere
Radionuklider er til stede i mange hjem som de er brukt i de mest vanlige husholdning røykvarslere . Radionuklidet som brukes er americium-241 , som dannes ved å bombardere plutonium med nøytroner i en atomreaktor. Det henfaller ved å avgi alfapartikler og gammastråling til å bli neptunium-237 . Røykdetektorer bruker en veldig liten mengde på 241 Am (ca. 0,29 mikrogram per røykvarsler) i form av americiumdioksid . 241 Am brukes da den avgir alfapartikler som ioniserer luften i detektorens ioniseringskammer . En liten elektrisk spenning tilføres den ioniserte luften som gir opphav til en liten elektrisk strøm. I nærvær av røyk nøytraliseres noen av ionene, og reduserer derved strømmen, som aktiverer detektorens alarm.
Virkninger på organismer
Radionuklider som finner veien til miljøet kan forårsake skadelige effekter som radioaktiv forurensning . De kan også forårsake skade hvis de blir brukt for mye under behandling eller på andre måter utsatt for levende vesener, ved strålingforgiftning . Potensiell helseskade fra eksponering for radionuklider er avhengig av en rekke faktorer, og "kan skade funksjonene til sunt vev/organer. Stråleeksponering kan gi effekter som spenner fra hudrødhet og hårtap, til strålingsforbrenninger og akutt strålingssyndrom . Langvarig eksponering kan føre til at celler blir skadet og igjen kan føre til kreft. Tegn på kreftceller kan ikke dukke opp før år, eller til og med tiår, etter eksponering. "
Sammendragstabell for klasser av nuklider, stabile og radioaktive
Følgende er en oppsummeringstabell for listen over 989 nuklider med halveringstider på mer enn en time. Totalt 252 nuklider har aldri blitt observert å forfalle, og anses klassisk som stabile. Av disse antas 90 å være absolutt stabile bortsett fra protonforfall (som aldri har blitt observert), mens resten er " observasjonsstabile " og teoretisk kan gjennomgå radioaktivt forfall med ekstremt lange halveringstider.
De resterende tabulerte radionuklider har halveringstider som er lengre enn 1 time, og er godt karakteriserte (se liste over nuklider for en fullstendig tabulering). De inkluderer 30 nuklider med målt halveringstid lengre enn den estimerte alderen på universet (13,8 milliarder år), og ytterligere fire nuklider med halveringstid som er lange nok (> 100 millioner år) til at de er radioaktive urnuklider , og kan oppdages på jorden, etter å ha overlevd fra deres tilstedeværelse i interstellært støv siden før dannelsen av solsystemet, for omtrent 4,6 milliarder år siden. Ytterligere 60+ kortlivede nuklider kan naturlig oppdages som døtre av lengre levetidsknuklider eller kosmiske stråleprodukter. De gjenværende kjente nuklidene er kun kjent fra kunstig atomtransmutasjon .
Tall er ikke eksakte, og kan endre seg litt i fremtiden, ettersom "stabile nuklider" er observert å være radioaktive med svært lange halveringstider.
Dette er en oppsummeringstabell for de 989 nuklidene med halveringstider lengre enn en time (inkludert de som er stabile), gitt i listen over nuklider .
Stabilitetsklasse | Antall nuklider | Løper totalt | Merknader om løpende total |
---|---|---|---|
Teoretisk stabil for alle unntatt protonforfall | 90 | 90 | Inkluderer de første 40 elementene. Protonforfall må ikke observeres. |
Teoretisk stabil til alfa-forfall , beta-forfall , isomerovergang og dobbelt beta-forfall, men ikke spontan fisjon , noe som er mulig for "stabile" nuklider ≥ niobium-93 | 56 | 146 | Alle nuklider som muligens er helt stabile (spontan fisjon har aldri blitt observert for nuklider med massetall <232). |
Energisk ustabil til en eller flere kjente forfallsmoduser, men ingen forfall er ennå sett. Alle anses som "stabile" til forfall oppdages. | 106 | 252 | Totalt klassisk stabile nuklider . |
Radioaktive urnuklider . | 34 | 286 | Totale urelementer inkluderer uran , thorium , vismut , rubidium-87 , kalium-40 , tellur-128 pluss alle stabile nuklider. |
Radioaktivt ikke -primordialt, men naturlig forekommende på jorden. | 61 | 347 | Karbon-14 (og andre isotoper generert av kosmiske stråler ) og døtre til radioaktive urelementer, for eksempel radium , polonium , etc. 41 av disse har en halveringstid på mer enn en time. |
Radioaktiv syntetisk halveringstid ≥ 1,0 time). Inkluderer mest nyttige radiosporere . | 662 | 989 | Disse 989 nuklidene er oppført i artikkelen Liste over nuklider . |
Radioaktivt syntetisk (halveringstid <1,0 time). | > 2400 | > 3300 | Inkluderer alle godt karakteriserte syntetiske nuklider. |
Liste over kommersielt tilgjengelige radionuklider
Denne listen dekker vanlige isotoper, hvorav de fleste er tilgjengelige i svært små mengder for allmennheten i de fleste land. Andre som ikke er offentlig tilgjengelig, handles kommersielt på industrielle, medisinske og vitenskapelige områder og er underlagt myndighetsregulering.
Bare gamma -utslipp
Isotop | Aktivitet | Halvt liv | Energier ( keV ) |
---|---|---|---|
Barium-133 | 9694 TBq/kg (262 Ci/g) | 10,7 år | 81,0, 356,0 |
Kadmium-109 | 96200 TBq/kg (2600 Ci/g) | 453 dager | 88,0 |
Kobolt-57 | 312280 TBq/kg (8440 Ci/g) | 270 dager | 122.1 |
Kobolt-60 | 40700 TBq/kg (1100 Ci/g) | 5,27 år | 1173.2, 1332.5 |
Europium-152 | 6660 TBq/kg (180 Ci/g) | 13,5 år | 121,8, 344,3, 1408,0 |
Mangan-54 | 287120 TBq/kg (7760 Ci/g) | 312 dager | 834,8 |
Natrium-22 | 237540 Tbq/kg (6240 Ci/g) | 2,6 år | 511.0, 1274.5 |
Sink-65 | 304510 TBq/kg (8230 Ci/g) | 244 dager | 511.0, 1115.5 |
Technetium-99m | 1,95 x 10 7 TBq / kg (5,27 x 10 5 Ci / g) | 6 timer | 140 |
Bare beta -utslipp
Isotop | Aktivitet | Halvt liv | Energier (keV) |
---|---|---|---|
Strontium-90 | 5180 TBq/kg (140 Ci/g) | 28,5 år | 546,0 |
Thallium-204 | 17057 TBq/kg (461 Ci/g) | 3,78 år | 763,4 |
Karbon-14 | 166,5 TBq/kg (4,5 Ci/g) | 5730 år | 49,5 (gjennomsnittlig) |
Tritium (hydrogen-3) | 357050 TBq/kg (9650 Ci/g) | 12,32 år | 5,7 (gjennomsnittlig) |
Bare alfa -utslipp
Isotop | Aktivitet | Halvt liv | Energier (keV) |
---|---|---|---|
Polonium-210 | 166500 TBq/kg (4500 Ci/g) | 138,376 dager | 5304.5 |
Uran-238 | 12580 kBq/kg (0,00000034 Ci/g) | 4,468 milliarder år | 4267 |
Flere stråler
Isotop | Aktivitet | Halvt liv | Strålingstyper | Energier (keV) |
---|---|---|---|---|
Cesium-137 | 3256 TBq/kg (88 Ci/g) | 30,1 år | Gamma og beta | G: 32, 661,6 B: 511,6, 1173,2 |
Americium-241 | 129,5 TBq/kg (3,5 Ci/g) | 432,2 år | Gamma og alfa | G: 59,5, 26,3, 13,9 A: 5485, 5443 |
Se også
- Liste over nuklider viser alle radionuklider med halveringstid> 1 time
- Hyperakkumulatortabell - 3
- Radioaktivitet i biologi
- Radiometrisk dating
- Radionuklid cisternogram
- Bruk av radioaktivitet i olje- og gassbrønner
Merknader
Referanser
- Carlsson, J .; Forssell Aronsson, E; Hietala, SO; Stigbrand, T; Tennvall, J; et al. (2003). "Tumorbehandling med radionuklider: vurdering av fremgang og problemer". Strålebehandling og onkologi . 66 (2): 107–117. doi : 10.1016/S0167-8140 (02) 00374-2 . PMID 12648782 .
- "Radioisotoper i industrien" . World Nuclear Association .
- Martin, James (2006). Fysikk for strålevern: En håndbok . s. 130. ISBN 978-3527406111.
Videre lesning
- Luig, H .; Kellerer, AM; Griebel, JR (2011). "Radionuklider, 1. Innledning". Ullmanns leksikon for industriell kjemi . doi : 10.1002/14356007.a22_499.pub2 . ISBN 978-3527306732.
Eksterne linker
- EPA - Radionuklider - EPAs strålingsbeskyttelsesprogram: Informasjon.
- FDA - Radionuklider - FDAs strålingsbeskyttelsesprogram: Informasjon.
- Interaktivt diagram over nuklider - Et diagram over alle nuklider
- National Isotope Development Center - USAs regjeringskilde for radionuklider - produksjon, forskning, utvikling, distribusjon og informasjon
- Live Chart of Nuclides - IAEA
- Radionuklider produksjonssimulator - IAEA