Кіріспе

Радиоактивтілік, трансмутация және басқа да ядролық процестерді зерттейтін химия саласы. Ядролық химия – химияның радиоактивтілік, ядролық процестер және атом ядроларындағы өзгерістер, мысалы, ядролық трансмутация және ядролық қасиеттермен айналысатын кіші саласы. Бұл актинидтер, радий және радон сияқты радиоактивті элементтердің химиясын, сондай-ақ ядролық процестерді жүзеге асыруға арналған құрал-жабдықтармен (мысалы, ядролық реакторлармен) байланысты химияны қамтиды. Оған беткейлердің коррозиясы және қалыпты және төтенше жағдайлардағы (мысалы, апат кезінде) мінез-құлқы кіреді. Ядролық қалдықтарды сақтау немесе кездіру орындарына орналастырылғаннан кейін объектілер мен материалдардың қалай өзгеретінін зерттеу маңызды мәселе болып табылады. Ол тірі жануарлар, өсімдіктер және басқа материалдардың сәулеленуді сіңіруінен туындайтын химиялық әсерлерді зерттейді. Сәулелену химиясы сәулелену биологиясының көп бөлігін анықтайды, себебі сәулелену тірі организмдерге молекулалық деңгейде әсер етеді. Басқаша айтқанда, сәулелену организмдегі биохимиялық молекулаларды өзгертеді, ал биомолекулалардың өзгеруі организмде жүретін химиялық процестерді өзгертеді; химиядағы бұл өзгерістер биологиялық салдарға әкелуі мүмкін. Осының нәтижесінде ядролық химия медициналық емдеулерді (мысалы, қатерлі ісікке сәулемен ем салуды) түсінуге көмектеседі және осы емдеулерді жақсартуға мүмкіндік береді. Ол радиоактивті көздерді өндіру және қолдануды зерттеуді қамтиды. Бұларға медицинадағы сәулемен емдеу, өнеркәсіпте, ғылымда және қоршаған ортаны зерттеуде радиоактивті маркерлерді қолдану, полимерлер сияқты материалдарды өзгерту үшін сәулеленуді пайдалану жатады. Сондай-ақ, ол адам қызметінің радиоактивті емес салаларында ядролық процестерді зерттеу және қолдануды қамтиды. Мысалы, ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы синтетикалық органикалық химияда, физикалық химияда және макромолекулалық химияда құрылымдық талдау үшін кеңінен қолданылады.

Тарих

1895 жылы Вильгельм Рентгеннің рентген сәулелерін ашқаннан кейін көптеген ғалымдар иондаушы сәулеленуді зерттеуге кірісті. Олардың бірі – Анри Беккерель, ол фосфоресценция мен фототақтаның қараюы арасындағы байланысты зерттеді. Францияда жұмыс істеген Беккерель сыртқы энергия көзі болмаған кезде уранның фототабақты қарартатын (немесе тұмандыратын) сәулелер шығаратынын анықтағанда, радиоактивтілік ашылды. Парижде жұмыс істеген Мари Склодовская Кюри және оның күйеуі Пьер Кюри уран рудасынан екі жаңа радиоактивті элементті бөліп алды. Олар әр химиялық бөліністен кейін радиоактивтіліктің қай ағында екенін анықтау үшін радиометриялық әдістерді қолданды; уран кенін сол кезде белгілі болған әр түрлі химиялық элементтерге бөліп, әр фракцияның радиоактивтілігін өлшеді. Содан кейін олар осы радиоактивті фракцияларды одан әрі бөліп, жоғары спецификaлық белсенділігі бар кішігірім фракцияны оқшаулауға тырысты (радиоактивтілік массаға бөлінген). Осылайша олар полоний мен радийді оқшаулады. 1901 жыл шамасында жоғары дозадағы сәулеленудің адамға зиян келтіруі мүмкін екені байқалды. Генри Беккерель өзінің қалтасында радий үлгісін алып жүрген, нәтижесінде ол радиациялық күйікке әкеп соққан өте жергілікті дозадан зардап шекті. Бұл жарақаттың нәтижесінде сәулеленудің биологиялық қасиеттері зерттеліп, содан кейін медициналық емдеудің дамуына әкелді. Канада мен Англияда жұмыс істеген Эрнест Резерфорд радиоактивті ыдырауды қарапайым теңдеумен (қазір бірінші реттік кинетика деп аталатын сызықтық бірінші дәрежелі туынды теңдеу) сипаттауға болатынын көрсетті, бұл белгілі бір радиоактивті заттың ерекше "жартылай өмір сүру" уақыты (көздің ішіндегі радиоактивтіліктің жартысына дейін азаюына кеткен уақыт) бар екенін білдіреді. Ол сондай-ақ альфа, бета және гамма сәулелері терминдерін енгізді, азотты оттегіге айналдырды, ал ең бастысы, ол "Гейгер-Марсден" экспериментін (алтын фольга эксперименті) жүргізген студенттерді бақылады, ол атомның "сметан пудингі" моделінің дұрыс еместігін көрсетті. 1904 жылы Дж. Дж. Томсон ұсынған "сметан пудингі" моделі бойынша атом электрондардан тұрады, олар оң зарядты "бу" қоршаған, электрондардың теріс зарядын теңестіреді. Резерфорд үшін алтын фольга эксперименті оң зарядтың өте кішкентай ядроға шоғырланғанын көрсетті, бұл алдымен Резерфорд моделіне, содан кейін оң ядроның теріс электрондармен қоршалған Бор моделіне әкелді. 1934 жылы Мари Кюридің қызы (Ирене Жолио-Кюри) және күйеу баласы (Фредерик Жолио-Кюри) жасанды радиоактивтілікті алғаш рет жасады: олар борды альфа бөлшектерімен бомбалап, нейтронға кедей азоттың 13 изотопын жасады; бұл изотоп позитрондарды шығарады. Сонымен қатар, олар алюминий мен магнийді нейтрондармен бомбалап, жаңа радиоизотоптар жасады. 1920 жылдардың басында Отто Хан зерттеудің жаңа бағытын құрды. Ол өзінің жаңадан ойлап тапқан "эманациялық әдісін" және "эманациялық қабілетін" қолдана отырып, жалпы химиялық және физикалық-химиялық мәселелерді зерттеу үшін "қолданбалы радиохимия" деп аталатын ғылымды құрды. 1936 жылы Корнелл университетінің баспасында ағылшын тілінде (кейін орыс тілінде) "Қолданбалы радиохимия" атты кітап жарық көрді, онда Ханның 1933 жылы Нью-Йорктің Итака қаласындағы Корнелл университетінде қонақ профессор болған кезде берген дәрістері жазылған. Бұл маңызды басылым 1930 және 1940 жылдары АҚШ, Ұлыбритания, Франция және Кеңес Одағының барлық ядролық химиктері мен физиктеріне үлкен әсер етті, бұл қазіргі заманғы ядролық химияның негізін қалады. Хан мен Лиза Майтнер радий, торий, протактиний және уранның радиоактивті изотоптарын тапты. Сондай-ақ радиоактивті керілу және ядролық изомеризм құбылыстарын ашқан және рубидий-стронцийді даталауды дамытқан. 1938 жылы Хан, Лиза Майтнер және Фриц Страссман ядролық бөлінуді ашқан, ол үшін Хан 1944 жылы химия бойынша Нобель сыйлығын алды. Ядролық бөліну ядролық реакторлар мен ядролық қарудың негізі болды. Хан ядролық химияның әкесі және ядролық бөлінудің құдасы деп есептеледі.

Негізгі бағыттары

Радиохимия – радиоактивті материалдардың химиясы, онда элементтердің радиоактивті изотоптары радиоактивті емес изотоптардың қасиеттерін және химиялық реакцияларын зерттеу үшін пайдаланылады (радиохимияда көбінесе радиоактивтілік болмаған жағдайда, изотоптар тұрақты болғандықтан, зат белсенді емес деп сипатталады). Толық ақпарат алу үшін радиохимия бетіне өтіңіз.

Сәулелену химиясы

Радиациялық химия – сәулеленудің материяға тигізетін химиялық әсерлерін зерттейтін ғылым. Бұл радиохимиядан өзгеше, себебі сәулелену арқылы химиялық өзгеріске ұшыраған материалда радиоактивтілік болуы міндетті емес. Мысалы, суды сутек газы мен сутек тотығына айналдыру. Радиациялық химия пайда болғанға дейін, таза суды жоюға болмайды деп есептелген. Алғашқы тәжірибелер сәулеленудің материяға тигізетін әсерін түсінуге арналған. Хьюго Фрике рентген генераторын пайдаланып, сәулеленудің биологиялық әсерін зерттеді, өйткені ол кең таралған емдеу және диагностикалау тәсіліне айналды.

Ядролық энергия үшін химия

Радиохимия, радиациялық химия және ядролық химиялық инженерия уран мен торий отын алдындағы заттарды синтездеуде, осы элементтердің кендерінен бастап, отын дайындау, салқындатқыш химиясы, отынды қайта өңдеу, радиоактивті қалдықтарды өңдеу және сақтау, реактор жұмыс істеу кезінде радиоактивті элементтердің шығарылуын бақылау, сондай-ақ радиоактивті геологиялық сақтау сияқты маңызды рөл атқарады.

Ядролық реакцияларды зерттеу

Радиохимия мен радиациялық химияның үйлесімі ядролық реакцияларды, мысалы, бөліну және бірігуді зерттеу үшін қолданылады. Ядролық бөлінудің алғашқы дәлелдерінің бірі – нейтронмен сәулеленген ураннан бөліп алынған барийдің қысқа ғұмырлы радиоизотобының пайда болуы (139Ba, 83 минуттық жартылай ыдырау периодымен және 140Ba, 12,8 күндік жартылай ыдырау периодымен, уранның маңызды бөліну өнімдері). Ол кезде бұл радийдің жаңа изотобы деп есептелген, себебі радийді бөліп алуға көмектесу үшін барий сульфатының көмекші тұнбасын қолдану сол кездегі стандартты радиохимиялық практика болған. Соңғы кезде радиохимиялық әдістер мен ядролық физиканың үйлесімі жаңа "суперауыр" элементтер жасауға бағытталған; нуклидтердің жартылай ыдырау периоды жылдарға созылатын салыстырмалы тұрақтылық аралдары бар деген болжам бар, бұл жаңа элементтердің өлшенетін мөлшерін бөліп алуға мүмкіндік береді. Ядролық бөлінудің бастапқы ашылуы туралы толық мәліметтер үшін Ото Ханның еңбектерін қараңыз.

Ядролық отын циклі

Бұл ядролық отын циклының кез келген бөлігімен байланысты химия, соның ішінде ядролық қайта өңдеумен. Отын циклы отын өндіруге қатысты барлық операцияларды қамтиды, яғни кен өндіру, кенді өңдеу және байытудан бастап отын дайындауға дейін (циклдің бастапқы бөлігі). Бұл сонымен қатар, циклдің соңғы бөліміне дейінгі, реакторда отынның қолданылуымен байланысты мінез-құлқында да көрінеді. Циклдің соңғы бөліміне пайдаланылған ядролық отынды жер астындағы қалдықтар қоймасына орналастыру немесе қайта өңдеу алдында, оны пайдаланылған отын бассейніне немесе құрғақ сақтауға басқару кіреді.

Қалыпты және қалыптан тыс жағдайлар

Ядролық отын циклымен байланысты ядролық химияны екі негізгі салаға бөлуге болады: бірі – қалыпты жағдайларда жұмыс істеумен, ал екіншісі – қалыпты жұмыс жағдайларынан ауытқулар болғанда немесе (сирек жағдайларда) апат болғандағы жағдайлармен айналысады. Осы процесс болмаса, мұның ешқайсысы да орын алмас еді.

Заң

АҚШ-та энергиялық реакторда отынды бір рет пайдаланғаннан кейін ғана қалдықтар қоймасына орналастыру қалыпты жағдай. Қазіргі уақыттағы ұзақ мерзімді жоспар – пайдаланылған азаматтық реактор отынын терең қоймаға орналастыру. Бұл қайта өңдеу саясаты 1977 жылғы наурыз айында ядролық қарудың таралуына байланысты туындаған алаңдаушылықтарға байланысты басталды. Президент Джимми Картер АҚШ-та плутонийді коммерциялық түрде қайта өңдеу мен дамытуды белгісіз мерзімге тоқтататын Президенттік директиваны шығарды. Бұл директива, мүмкін, АҚШ-тың басқа елдерге үлгі көрсету әрекеті болған шығар, бірақ көптеген елдер пайдаланылған ядролық отынды қайта өңдеуді жалғастыруда. Президент Владимир Путин басшылығымен Ресей үкіметі пайдаланылған ядролық отынды импорттауға тыйым салған заңды жойды, бұл Ресейге Ресейден тыс клиенттерге қайта өңдеу қызметін ұсынуға мүмкіндік береді (BNFL ұсынған қызметке ұқсас).

Болашақта қолдануға болатын жаңа әдістер қарастырылуда

PUREX процесін өзгерту арқылы UREX (Уранды экстракциялау) процесін жасауға болады, оны жоғары деңгейдегі ядролық қалдықтарды сақтау орындарында, мысалы, Юка тауындағы ядролық қалдықтар қоймасында, пайдаланылған отынның массасы мен көлемінің басым бөлігін құрайтын уранды алып тастау және оны қайта өңделген уран ретінде қайта өңдеу арқылы орынды үнемдеу үшін пайдалануға болады. UREX процесі – плутонийді алуды болдырмау үшін өзгертілген PUREX процесі. Бұл, бірінші металл алу сатысына дейін плутонийді азайтушы қоспаны қосу арқылы орындалуы мүмкін. UREX процесінде уранның ~99,9% және технотидің >95% бір-бірінен және басқа да бөліну өнімдері мен актинидтерден бөлінеді. Негізгісі – процестің экстракция және скраб секцияларына ацетогидроксам қышқылын (AHA) қосу. AHA қосылуы плутоний мен нептунийді экстракциялау мүмкіндігін едәуір төмендетеді, бұл PUREX процесінің плутонийді экстракциялау сатысына қарағанда көбейіп кетуіне қарсы кедергі жасайды. Екінші экстракциялау агенті, октил((фенил) N,N дибутил карбамоилметил фосфин оксиді (CMPO) трибутилфосфатпен (TBP) бірге қосылғанда, PUREX процесін TRUEX (TRansUranic EXtraction) процесіне айналдыруға болады. Бұл процесті АҚШ-та Аргонн Ұлттық зертханасы ойлап тапты және ол қалдықтардан трансураникалық металдарды (Am/Cm) жоюға арналған. Бұл, қалдықтардың альфа белсенділігін төмендету арқылы, қалдықтардың көпшілігін одан әрі оңай жоюға мүмкіндік береді. PUREX-пен бірдей, бұл процесс сольвация механизмімен жұмыс істейді. TRUEX-қа балама ретінде малондиамидті қолдана отырып, экстракциялау процесі әзірленді. DIAMEX (DIAMideEXtraction) процесінің артықшылығы – көміртек, сутек, азот және оттегіден басқа элементтер бар органикалық қалдықтардың пайда болуын болдырмау. Мұндай органикалық қалдықтарды қышқыл жаңбырды тудыратын қышқыл газдардың пайда болуынсыз өртеуге болады. DIAMEX процесін Еуропадағы француз CEA-сы әзірлеп жатыр. Бұл процесс жеткілікті деңгейде дамыған, сондықтан осы процесс туралы бар біліммен өндірістік қондырғыны салуға болады. PUREX-пен бірдей, бұл процесс сольвация механизмімен жұмыс істейді. Актинидтерді іріктеп алу (SANEX). Кішігірім актинидтерді басқарудың бір бөлігі ретінде лантаноидтар мен үш валентті кішігірім актинидтерді PUREX рафинатынан DIAMEX немесе TRUEX сияқты процесспен алып тастау ұсынылды. Америциум сияқты актинидтерді өнеркәсіптік көздерде қайта пайдалануға немесе отын ретінде пайдалануға мүмкіндік беру үшін лантаноидтарды алып тастау қажет. Лантаноидтардың нейтронмен әрекеттесу қимасы жоғары, сондықтан олар нейтронды ядролық реакцияны тежеуі мүмкін. Бүгінгі күні SANEX процесі үшін экстракция жүйесі анықталмаған, бірақ қазіргі уақытта бірнеше түрлі зерттеу топтары процесс бойынша жұмыс істейді. Мысалы, француз CEA bis triazinyl пиридин (BTP) негізіндегі процесспен жұмыс істейді. Дитиофосфин қышқылдары сияқты басқа жүйелер бойынша жұмыс басқа зерттеушілермен жүргізілуде. Бұл, Ресей мен Чехияда әзірленген UNiversal EXtraction процесі, ол пайдаланылған ядролық отыннан уран мен плутонийді өндіруден кейін қалған рафинаттардан барлық қиын (Sr, Cs және кішігірім актинидтер) радиоизотоптарды жоюға арналған процесс. Химиялық құрамы цезий мен стронцийдің полиэтилен оксидімен (полиэтилен гликол) және кобальт карборан анионымен (хлорланған кобальт дикарболиді деп аталады) өзара әрекеттесуіне негізделген. Актинидтер CMPO арқылы алынады, ал сұйытқыш нитробензол сияқты полярлық ароматты зат болып табылады. Сондай-ақ, метанитробензотрифтор және фенил трифторметил сульфоны сияқты басқа да сұйытқыштар ұсынылған.

Бөліну өнімдерінің беттердегі сіңірілуі

Ядролық химияның тағы бір маңызды саласы – бөлшектену өнімдерінің беттермен өзара әрекеттесуін зерттеу; мұның қалдық контейнерлерінен қалыпты жағдайда және апат жағдайындағы қуат реакторларынан бөлшектену өнімдерінің босатылу және таралу жылдамдығын бақылайтыны есептеледі. Хромат және молибдат сияқты, 99TcO4 анионы да коррозияға төзімді қабатты қалыптастыру үшін болат беттерімен әрекеттесе алады. Осылайша, бұл металлоксо аниондар анодтық коррозияны тежегіштер ретінде әрекет етеді. Ядролық қалдық барабандарынан және деконтаминациядан бұрын жоғалған ядролық жабдықтардан (мысалы, теңізде жоғалған су асты реакторларынан) 99TcO2 түзілуі – 99Tc-нің шығарылуын баяулататын әсерлердің бірі. Бұл 99TcO2 қабаты болат бетін пассивтендіреді, анодтық коррозия реакциясын тежейді. Технецийдің радиоактивті табиғаты осы коррозиядан қорғауды көп жағдайда тиімсіз етеді. Сондай-ақ, 99TcO4 аниондары белсендірілген көмірдің (көмір) немесе алюминийдің бетінде қабатты қалыптастыру үшін реакцияға түсетіндігі көрсетілді. Ұзақ өмір сүретін радиоизотоптардың биохимиялық қасиеттері туралы қысқаша шолуды онлайн режимінде оқуға болады. 99TcO4 анионынан басқа химиялық формаларда да ядролық қалдықтарда кездесуі мүмкін, мұндай басқа формалардың химиялық қасиеттері әртүрлі. Сол сияқты, қуатты реактордағы ауыр апат кезінде йод-131-дің шығарылуы ядролық орналастырудағы металл беттеріне сіңу арқылы баяулатылуы мүмкін.

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 қалғандықтан, осы маңызды салаларда жұмыс күшінің жетіспеушілігін болдырмау үшін шаралар қабылдау қажет, мысалы, студенттердің осы мамандыққа деген 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 өндіріс пен қоғамның болашақ қажеттіліктеріне сай ЯРХ білімін үйлестіру және дайындау үшін үлкен жұмыс жасалып жатыр. Бұл жұмыс Еуропалық атом энергиясы қауымдастығының 7-ші аясы қолдауымен іске асырылатын, Координацияланған әрекет жобасы арқылы үйлестірілуде. NucWik негізінен оқытушыларға арналған болса да, ядролық және радиохимияға қызығушылық танытқан кез келген адам онымен танысып, ЯРХ-қа қатысты тақырыптарды түсіндіретін көптеген ақпарат пен материалдарды таба алады.

Бөлімшелер аумақтары

Ядролық химия мен физикада алғаш рет әзірленген кейбір әдістер химия және басқа физикалық ғылымдарда осылайша кеңінен қолданыс тапты, оларды қалыпты ядролық химиядан бөлек қарастырған абзал. Мысалы, изотоп эффекті химиялық механизмдерді зерттеуде кеңінен қолданылады, ал геологияда космогендік изотоптар мен ұзақ өмір сүретін тұрақсыз изотоптардың қолданылуы изотоп химиясының көп бөлігін ядролық химиядан бөлек қарастыруға негіз береді.

Кинетика (механикалық химияда қолдану)

Химиялық реакциялардың механизмдерін реакция кинетикасының субстраттың изотоптық өзгертілуі арқылы қалай өзгеретінін бақылау арқылы зерттеуге болады. Бұл органикалық химияда қалыпты әдіс. Қысқасы, молекуладағы қалыпты сутегін (протонды) дейтериймен алмастыру X H (мысалы, C H, N H және O H) байланыстарының молекулалық дірілдеу жиілігін төмендетеді, бұл дірілдеудің нөлдік энергиясының төмендеуіне алып келеді. Егер реакцияны шешетін кезең сутегі мен басқа атом арасындағы байланысты үзуді қамтитын болса, бұл реакция жылдамдығының төмендеуіне себеп болуы мүмкін. Сондықтан, егер протонды дейтериймен алмастырғанда реакция жылдамдығы өзгерсе, сутегі байланысын үзу реакция жылдамдығын анықтайтын кезеңнің бір бөлігі деп санауға болады.

Геология, биология және сот медицинасында қолдану

Космогендік изотоптар ғарыш сәулелерінің атом ядросымен әрекеттесуі нәтижесінде түзіледі. Оларды мерзімдік жас анықтау және табиғи іздеушілер ретінде қолдануға болады. Бұған қоса, тұрақты изотоптардың кейбір арақатынастарын қатаң өлшеу арқылы оқтардың қандай жерден шыққандығы, мұз және тау жыныстарының жасы туралы жаңа мәліметтер алуға болады, сондай-ақ адамның шаш немесе басқа тіндерінен тамақтануын анықтау мүмкін. (Толық ақпарат алу үшін Изотоптық геохимия және Изотоптық қолтаңба бөлімдерін қараңыз).

Биология

Тірі организмдердегі изотоптық белгілер (радиоактивті және радиоактивті емес) организмнің метаболизмін құрайтын күрделі реакциялар желісінде бір затты екіншісіне қалай түрлендіретінін зерттеу үшін қолданылуы мүмкін. Мысалы, жасыл өсімдік су мен көмірқышқыл газын фотосинтез арқылы глюкозаға айналдыру үшін жарық энергиясын пайдаланады. Егер судағы оттегі белгіленсе, онда бұл белгі өсімдік жасушаларындағы хлоропластарда түзілетін глюкозада емес, өсімдік бөліп шығаратын оттегі газында пайда болады. Биохимиялық және физиологиялық эксперименттер мен медициналық әдістер үшін бірқатар нақты изотоптардың маңызды қолданыстары бар. Тұрақты изотоптардың зерттеліп жатқан жүйеге сәулелену дозасын бермейтін артықшылығы бар; алайда, олардың организмде немесе ағзада тым көп болуы оның жұмысына кедергі келтіруі мүмкін, сондай-ақ жануарлар зерттеулері үшін жеткілікті мөлшерде изотоптардың қолжетімділігі шектеулі болуы мүмкін. Өлшеу де қиын, әдетте белгілі бір қосылыстардағы изотоптың мөлшерін анықтау үшін массалық спектрометрия қажет, және жасуша ішінде өлшеулерді локализациялаудың ешқандай мүмкіндігі жоқ. Сутегінің тұрақты изотобы 2H (деутерий) – тұрақты трассер, оның концентрациясы массалық спектрометрия немесе ЯМР (NMR) арқылы өлшенуі мүмкін. Ол барлық жасушалық құрылымдарға енгізіледі. Арнайы деутерленген қосылыстар да өндірілуі мүмкін. 15N, азоттың тұрақты изотобы да қолданылған. Ол негізінен ақуыздарға енгізіледі. Радиоактивті изотоптардың өте төмен мөлшерде анықталуы, сцинтилляциялық санау немесе басқа радиохимиялық әдістермен оңай өлшенуі, жасушаның белгілі бір аймақтарына орналастырылуы және авторадиография арқылы мөлшерленуі мүмкін. Радиоактивті атомдар белгілі бір орында орналасқан көптеген қосылыстарды дайындауға болады және олар кеңінен коммерциялық түрде қолжетімді. Олардың көп мөлшерде қолданылуы жұмысшыларды сәулелену әсерінен қорғау үшін сақтық шараларын талап етеді және олар зертханалық шыны ыдыстар мен басқа жабдықтарды оңай ластауы мүмкін. Кейбір изотоптардың жартылай ыдырау мерзімі өте қысқа, сондықтан оларды дайындау және өлшеу қиын. Органикалық синтез арқылы молекуланың кішкентай бөлігіне ғана шектелген радиоактивті белгісі бар күрделі молекула жасауға болады. 11C сияқты қысқа өмір сүретін изотоптар үшін радиоактивті изотопты молекулаға жылдам қосуға мүмкіндік беретін өте жылдам синтетикалық әдістер әзірленді. Мысалы, микрофлюидтік құрылғыда палладий катализдік карбонилдеу реакциясы амидтерді жылдам түзету үшін қолданылды және бұл әдіс ПЭТ (PET) бейнелеуі үшін радиоактивті бейнелеу агенттерін жасау үшін қолданылуы мүмкін. Сутегінің радиоизотобы 3H (тритий) өте жоғары ерекше активтілікке ие, және осы изотоппен қосылыстар белгілі бір орындарда стандартты химиялық реакциялар арқылы, мысалы, қанықпаған прекурсорларды гидрогендеу арқылы оңай дайындалады. Изотоп өте жұмсақ бета-сәуле шығарады және оны сцинтилляциялық санау арқылы анықтауға болады. 11C, көміртек 11 әдетте 14N-ді циклотронда протондармен бомбалау арқылы өндіріледі. Нәтижесіндегі ядролық реакция: 14N(p,α)11C. Сонымен қатар, көміртек 11 циклотронмен де жасалуы мүмкін; бор оксиді түріндегі бор (p,n) реакциясында протондармен әрекеттеседі. Тағы бір балама – 10B-ді деутеронмен реакцияға түсіру. Жылдам органикалық синтез арқылы циклотронда пайда болған 11C қосылысы ПЭТ үшін қолданылатын бейнелеу агентіне айналады. 14C, көміртек 14 (жоғарыда көрсетілгендей) жасалуы мүмкін, және мақсатты материалды қарапайым органикалық және органикалық қосылыстарға айналдыруға болады. Көптеген органикалық синтезде өнімді шамамен бірдей өлшемді екі фрагменттен жасауға тырысу және конвергентті жолды пайдалану қалыпты жағдай, бірақ радиоактивті белгі қосылған кезде, радиоактивтілікті бір топқа орналастыру үшін молекулаға синтездің соңғы кезеңінде өте кішкентай фрагмент түрінде белгі қосуға тырысу қалыпты жағдай. Белгіні кешіктіріп қосу радиоактивті материал қолданылатын синтетикалық кезеңдердің санын азайтады. 18F, фтор 18 неонның деутеронмен реакциясымен жасалуы мүмкін, 20Ne (d,4He) реакциясында реакцияға түседі. Тұрақты фтордың (19F2) іздері бар неон газын пайдалану қалыпты жағдай. 19F2 циклотрон нысанасынан радиоактивтілікті көбейтетін тасымалдаушы ретінде әрекет етеді, өйткені ол радиоактивтілікті бетке сіңіру арқылы жоғалтады. Алайда, шығынның төмендеуі түпкілікті өнімнің нақты активтілігіне нұқсан келтіреді.

Ядролық спектроскопия

Ядролық спектроскопия – заттың жергілікті құрылымы туралы ақпарат алу үшін ядроны пайдаланатын әдістер. Маңызды әдістерге ЯМР (төменде қараңыз), Мессбауэр спектроскопиясы және Бұрыштық корреляция жатады. Бұл әдістер гипержұқа өрістің ядроның спинімен өзара әрекеттесуін қолданады. Өріс магниттік және/немесе электрлік болуы мүмкін және атомның, сондай-ақ оны қоршаған көршілес атомдардың электрондарынан туындайды. Осылайша, бұл әдістер заттың жергілікті құрылымын, негізінен конденсирленген заттар физикасы және қатты дене химиясында зерттейді.

Ядролық магниттік резонанс (ЯМР)

Ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы заттағы ядролардың энергияны сіңіру кезіндегі жалпы спинін пайдаланып молекулаларды анықтайды. Қазір бұл синтетикалық химиядағы стандартты спектроскопиялық құралға айналды. Ядролық магниттік резонанстың (ЯМР) маңызды қолданыстарының бірі – органикалық молекуладағы байланыстардың орналасуын анықтау. ЯМР-мен бейнелеуде де ядролардың (көбінесе протонның) жалпы спині қолданылады. Бұл медицинада диагностикалық мақсаттар үшін кеңінен қолданылады және адамға ешқандай сәулелену түсірмей, дененің ішкі құрылымын егжей-тегжейлі бейнелей алады. Медициналық ортада ЯМР көбінесе жай ғана "магниттік резонанс" бейнелеуі деп аталады, себебі "ядролық" сөзі көптеген адамдар үшін жағымсыз ассоциациялармен байланысты.