Кіріспе
Радиохимия – радиоактивті материалдардың химиясы, онда элементтердің радиоактивті изотоптары радиоактивті емес изотоптардың қасиеттері мен химиялық реакцияларын зерттеу үшін қолданылады (радиохимияда көбінесе радиоактивтілік болмаған жағдайда, изотоптар тұрақты болғандықтан, зат белсенді емес деп сипатталады). Радиохимияның көп бөлігі радиоактивтілікті пайдаланып, қалыпты химиялық реакцияларды зерттеумен айналысады. Бұл радиациялық химиядан өзгеше, онда радиация деңгейі химиялық процестерге әсер ете алмайтындай төмен болады. Радиохимия табиғи және жасанды радиоизотоптарды зерттеуді қамтиды.
Radiochemistry is the chemistry of radioactive materials, where radioactive isotopes of elements are used to study the properties and chemical reactions of non radioactive isotopes (often within radiochemistry the absence of radioactivity leads to a substance being described as being inactive as the isotopes are stable). Much of radiochemistry deals with the use of radioactivity to study ordinary chemical reactions. This is very different from radiation chemistry where the radiation levels are kept too low to influence the chemistry. Radiochemistry includes the study of both natural and man made radioisotopes.
Негізгі ыдырау режімдері
Барлық радиоизотоптар – ядролық ыдырауға ұшырап, қандай да бір түрінде сәуле шығаратын элементтердің тұрақсыз изотоптары. Шығарылатын сәулеленудің түрлеріне альфа, бета, гамма сәулеленуі, сондай-ақ протон және нейтрон шығарылуы, нейтрино және антибөлшектер шығару арқылы ыдырау жатады. 1. α (альфа) сәулеленуі – атом ядросынан альфа бөлшегінің (2 протон және 2 нейтроннан тұрады) шығарылуы. Бұл оқиға кезінде атомның атомдық массасы 4 бірлікке, ал атомдық нөмірі 2 бірлікке төмендейді. 2. β (бета) сәулеленуі – нейтронның электрон мен протонға айналуы. Осыдан кейін электрон ядродан электрондық қабыққа шығарылады. 3. γ (гамма) сәулеленуі – атом ядросынан электромагниттік энергияның (мысалы, гамма сәулелері) шығарылуы. Бұл көбінесе альфа немесе бета радиоактивті ыдырау кезінде болады. Сәулеленудің осы үш түрін олардың өту қабілетінің айырмашылығымен ажыратуға болады. Альфа сәулеленуі бірнеше сантиметр ауа немесе қағаздың жұқа қабатымен оңай тоқтатылады және ол гелий ядросына баламалы. Бета сәулеленуі бірнеше миллиметрлік алюминий табақ арқылы тоқтатылады және электроннан тұрады. Гамма сәулеленуі – бұл үш түрдің ішінде ең жоғары өту қабілетіне ие, массасыз, зарядсыз және жоғары энергиялы фотон. Гамма сәулеленуінің қарқындылығын азайту үшін ауыр металлдан жасалған сәулеленуден қорғаныш (әдетте қорғасын немесе барий негізінде) қажет.
Активация талдау
Нысандарды нейтрондармен сәулелендіру арқылы радиоактивтілікті тудыру мүмкін; тұрақты изотоптарды радиоизотоптарға айналдыру нейтрондық белсендіру талдауының негізі болып табылады. Осы әдіспен зерттелген аса қызықты, жоғары энергиялы нысан – Наполеонның шашы, оның құрамындағы мырыш тексерілген. Әртүрлі эксперименталдық әдістердің сериясы бар, олар әртүрлі матрицалардағы әртүрлі элементтерді өлшеуге мүмкіндік беру үшін жасалған. Матрицаның әсерін азайту үшін, ізделінетін элементтің химиялық экстракциясын қолдану және/немесе радиоактивтілікті өлшеу алдында матрица элементтерінен туындаған радиоактивтіліктің ыдырауына рұқсат ету жиі қолданылады. Матрицалық эффект ыдырау спектрін бақылау арқылы түзетуге болатындықтан, кейбір сынамалар үшін дайындық қажет болмайды немесе минималды болады, бұл нейтрондық белсендіру талдауын контаминацияға (заластануға) азырақ сезімтал етеді. Егер 100:10:1 қатынасында натрий, уран және кобальт бар гипотетикалық сынама термиялық нейтрондардың өте қысқа импульсіне ұшыратылса, әртүрлі салқындату уақыттарының әсерін көруге болады. Бастапқы радиоактивтілікте 24Na белсенділігі (жартылай ыдырау мерзімі 15 сағат) басым болады, бірақ уақыт өте келе 239Np (2,4 күн жартылай ыдырау мерзімі, 239U-дан (жартылай ыдырау мерзімі 24 минут) пайда болғаннан кейін) және соңында 60Co белсенділігі (5,3 жыл) басымдыққа ие болады.
Биологияның қолдануы
Биологиялық қолданудың бірі – радиоактивті фосфор-32 пайдаланып ДНК-ны зерттеу. Бұл тәжірибелерде тұрақты фосфор химиялық тұрғыдан ұқсас радиоактивті P-32-мен алмастырылады, ал нәтижедегі радиоактивтілік молекулаларды және олардың әрекетін талдау үшін қолданылады. Тағы бір мысал – тірі организмдердің күкірт, селен, теллур және полоний сияқты элементтердің метилденуі жөніндегі жұмыстары. Бактериялардың осы элементтерді ұшқыш қосылыстарға айналдыра алатыны көрсетілді, метилкобаламин (В12 витамині) осы элементтерді алкилдеп диметилдерді жасайды деп есептеледі. Кобалоксим мен бейорганикалық полонийді стерильді суға қосу ұшқыш полоний қосылысын түзетіні көрсетілді, ал кобальт қосылысы жоқ бақылау тәжірибесі ұшқыш полоний қосылысын түзген жоқ. Күкірт жұмысында 35S изотопы, ал полоний үшін 207Po қолданылды. Бактериялық культураға 57Co қосып, содан кейін бактериялардан кобаламинды бөліп алып (және бөлінген кобаламиннің радиоактивтілігін өлшеу) жүргізілген жұмыстарда бактериялар қолда бар кобальтты метилкобаламинге айналдыратыны анықталды. Медицинада ПЭТ (позитронды эмиссиялық томография) сканерлері диагностикалық мақсаттарда кеңінен қолданылады. Сәулелік маркер пациентке тамырға енгізіліп, содан кейін ПЭТ аппаратына жеткізіледі. Радиоактивті маркер пациенттен сәуле шығарып, аппараттағы камералар осы маркерден келетін сәулелерді түсіндіреді. ПЭТ сканерлері жоғары сезімталдықтарының арқасында қатты күйдегі сцинтилляциялық детекцияны пайдаланады, NaI(Tl) кристалдары маркердің сәулесін сіңіріп, аппараттың талдауы үшін электр сигналына айналатын фотондарды жасайды.
Қоршаған орта
Радиохимия қоршаған ортадағы радиоизотоптардың қалай өзгеретінін зерттеуді де қамтиды; мысалы, орман немесе шөп өрті радиоизотоптарды қайтадан жылжымалы етеді. Осы тәжірибелерде Чернобыль айналасындағы қауіпсіздік аймағында өрттер шығарылды және жел бағытындағы ауадағы радиоактивтілік өлшенді. Радиоактивтілікті қоршаған ортаға көптеген процестердің шығаруға болатынын атап өту маңызды, мысалы, ауадағы ғарыш сәулелерінің әсері радиоизотоптардың (мысалы, 14C және 32P) пайда болуына себеп болады, 226Ra ыдырауы 222Rn газын құрайды, ол ғимараттарға кірмес бұрын тау жыныстары арқылы таралуы мүмкін және суда еріп, осылайша ішу суына өтеді. Сонымен қатар, бомба сынақтары, апаттар және өнеркәсіптен қалыпты шығарылымдар сияқты адамның қызметі де радиоактивтіліктің таралуына әкеп соқтырады.
Актинидтердің химиялық түрі
Плутоний сияқты кейбір радиоактивті элементтердің қоршаған орта химиясы осы элементтің ерітінділері диспропорцияға түсуімен күрделенеді, нәтижесінде әртүрлі тотығу дәрежелері бір уақытта қатар өмір сүре алады. Плутоний және басқа актинидтердің әртүрлі жағдайлардағы тотығу дәрежесі мен координациялық санының анықталуына қатысты жұмыстар атқарылды. Бұл салыстырмалы түрде қарапайым кешендердің ерітінділері және коллоидтар бойынша зерттеулерді қамтиды. Топырақ/тау жыныстары мен бетон – екі маңызды матрица. Осы жүйелерде плутонийдің химиялық қасиеттері EXAFS және XANES сияқты әдістер арқылы зерттелді.
Коллоидтардың қозғалысы
Металлдың топырақ бөлшектерінің бетіне байланысуы оның топырақ қабаты арқылы жылжуына тосқауыл қойса да, радиоактивті металл бар топырақ бөлшектері коллоидты бөлшектер түрінде топырақ арқылы көше алады. Бұл 134Cs изотопымен белгіленген топырақ бөлшектері арқылы көрсетілді, олар топырақтағы жарықтар арқылы жылжи алады.
Қалыпты фон
Радиоактивтілік Жер пайда болғаннан бері барлық жерде кездеседі. Халықаралық атом энергиясы агенттігінің мәліметтері бойынша, бір килограмм топырақ құрамында әдетте келесі үш табиғи радиоизотоптың мынадай мөлшері болады: 370 Бк 40K (әдеттегі диапазоны 100–700 Бк), 25 Бк 226Ra (әдеттегі диапазоны 10–50 Бк), 25 Бк 238U (әдеттегі диапазоны 10–50 Бк) және 25 Бк 232Th (әдеттегі диапазоны 7–50 Бк).
Микроорганизмдердің әсері
Микроорганизмдер уранды бекіте алады; Термоанаэробактер хромды (VI), темірді (III), кобальтты (III), манганды (IV) және уранды (VI) электрон қабылдағыштар ретінде пайдалана алады, ал ацетат, глюкоза, сутек, лактат, пируват, сукцинат және ксилоза бактериялардың метаболизмі үшін электрон доноры ретінде әрекет ете алады. Осылайша металдарды магнит (Fe3O4), сидерит (FeCO3), родохрозит (MnCO3) және уранинит (UO2) түрінде тотығуын төмендету арқылы өзгертуге болады. Басқа зерттеушілер де бактериялар арқылы уранды бекіту бойынша жұмыс істеді, Фрэнсис Р. Ливенс және т.б. (Манчестерде жұмыс істейді) Geobacter sulfurreducens UO22+ катиондарын уран диоксидіне дейін тотығуын төмендетуіне себеп – бактериялар ураннил катиондарын UO2+ дейін тотығуын төмендетіп, содан кейін UO22+ және UO2 қалыптастыру үшін диспропорцияға ұшыратады. Бұл пікір (кем дегенде ішінара) NpO2+ бактериялармен ерімейтін нептуний оксидіне айналмайтыны туралы байқауға негізделген.
Білім
Ядролық медицинаның кеңінен қолданылуына, ядролық электр станцияларының кеңею мүмкіндігіне, ядролық қауіп-қатерлерден қорғану және өткен онжылдықтарда пайда болған ядролық қалдықтарды басқару туралы алаңдаушылықтарға қарамастан, соңғы онжылдықтарда ядролық және радиохимия мамандығын таңдаған студенттердің саны күрт азайды. Қазір осы салалардағы көптеген сарапшылар зейнеткерлік жасқа жақындап келеді, сондықтан осы маңызды салаларда жұмыс күшінің жетіспеушілігін болдырмау үшін шаралар қабылдау қажет, мысалы, студенттердің осы мамандықтарға қызығушылығын арттыру, университеттер мен колледждердің білім беру мүмкіндіктерін кеңейту және жұмыс орнында нақты оқытуды ұйымдастыру. Ядролық және радиохимия (ЯРХ) көбінесе университеттерде, әдетте магистрлік және докторлық деңгейде оқытылады. Еуропада ЯРХ білімін үйлестіру және оны индустрия мен қоғамның болашақ қажеттіліктеріне дайындау үшін үлкен жұмыс жасалып жатыр. Бұл жұмыс Еуропалық атом энергиясы қауымдастығының 7-ші аясы қолдауымен қаржыландырылатын «Бірлескен әрекеттер» жобаларында үйлестірілуде: CINCH II жобасы – Ядролық химиядағы білім беру және оқыту саласындағы ынтымақтастық.