Кіріспе
Атомның ядролық энергиясы артық болғандықтан, ол тұрақсыз болады. Радионуклид (радиоактивті нуклид, радиоизотоп немесе радиоактивті изотоп) – нейтрондар немесе протондардың саны артық болғандықтан, ядролық энергиясы артық, демек тұрақсыз нуклид. Бұл артық энергияны үш жолдың бірімен жұмсауға болады: ядродан гамма сәулесі түрінде шығару; оны конверсиялық электрон ретінде босату үшін электрондарының біріне беру; немесе ядродан жаңа бөлшек (альфа бөлшегі немесе бета бөлшегі) жасап шығару. Осы процестер кезінде радионуклид радиоактивті ыдырауға ұшырайды. Бұл сәулелену иондаушы сәулелену болып есептеледі, себебі олар басқа атомнан электронды босатуға жеткілікті энергия береді. Радиоактивті ыдырау нәтижесінде тұрақты нуклид пайда болуы мүмкін, немесе кейде одан әрі ыдырайтын жаңа тұрақсыз радионуклид пайда болады. Радиоактивті ыдырау – жеке атомдар деңгейінде кездейсоқ процесс: нақты бір атомның қашан ыдырайтынын болжау мүмкін емес. Дегенмен, бір нуклидтің атомдар жиынтығы үшін ыдырау жылдамдығын, сонымен қатар осы жиынтықтың жартылай ыдырау мерзімін (t1/2) олардың өлшенген ыдырау тұрақтыларынан есептеуге болады. Радиоактивті атомдардың жартылай ыдырау мерзімінің белгілі шегі жоқ және ол 55-тен астам мәнді қамтиды. Радионуклидтер табиғатта кездеседі немесе ядролық реакторларда, циклотрондарда, бөлшектерді үдеткіштерінде немесе радионуклидтер генераторларында жасанды түрде өндіріледі. Жартылай ыдырау мерзімі 60 минуттан асатын шамамен 730 радионуклид бар (нуклидтер тізілімін қараңыз). Олардың 32-сі – Жер пайда болғанға дейін пайда болған алғашқы радионуклидтер. Табиғатта кем дегенде тағы 60 радионуклид анықталған, олар алғашқы радионуклидтердің ыдырау өнімдері немесе ғарыш сәулеленуі арқылы Жерде табиғи түрде өндірілген радионуклидтер. 2400-ден астам радионуклидтің жартылай ыдырау мерзімі 60 минуттан кем. Олардың көпшілігі жасанды түрде өндіріледі және өте қысқа жартылай ыдырау мерзіміне ие. Салыстыру үшін, 251 тұрақты нуклид бар. Барлық химиялық элементтер радионуклидтер түрінде болуы мүмкін. Тіпті ең жеңіл элемент – сутегідің де белгілі радионуклиді бар, ол – тритий. Қорғасыннан ауыр элементтер, сондай-ақ технеций және прометий элементтері тек радионуклидтер түрінде ғана кездеседі. Радионуклидтерге жоспарланбаған әсер ету тірі организмдерге, соның ішінде адамға зиянды болуы мүмкін, бірақ әсер етудің төмен деңгейлері табиғатта зиянсыз болып кездеседі. Зиянның шамасы шығарылған сәулеленудің сипаты мен мөлшеріне, әсер ету жолына (жақыннан, тыныспен немесе жұту арқылы) және элементтің биохимиялық қасиеттеріне байланысты болады; ең көп кездесетін салдары – қатерлі ісікке шалдығу қаупінің артуы. Алайда, радионуклидтердің қажетті қасиеттеріне иелері ядролық медицинада диагностика және емдеу үшін қолданылады. Радионуклидтерден жасалған бейнелеу трасері радиоактивті трасер деп аталады. Радионуклидтерден жасалған дәрілік препарат – радиофармацевтикалық препарат деп аталады.
A radionuclide (radioactive nuclide, radioisotope or radioactive isotope) is a nuclide that has excess numbers of either neutrons or protons, giving it excess nuclear energy, and making it unstable. This excess energy can be used in one of three ways: emitted from the nucleus as gamma radiation; transferred to one of its electrons to release it as a conversion electron; or used to create and emit a new particle (alpha particle or beta particle) from the nucleus. During those processes, the radionuclide is said to undergo radioactive decay. These emissions are considered ionizing radiation because they are energetic enough to liberate an electron from another atom. The radioactive decay can produce a stable nuclide or will sometimes produce a new unstable radionuclide which may undergo further decay. Radioactive decay is a random process at the level of single atoms: it is impossible to predict when one particular atom will decay. However, for a collection of atoms of a single nuclide the decay rate, and thus the half life (t1/2) for that collection, can be calculated from their measured decay constants. The range of the half lives of radioactive atoms has no known limits and spans a time range of over 55 orders of magnitude. Radionuclides occur naturally or are artificially produced in nuclear reactors, cyclotrons, particle accelerators or radionuclide generators. There are about 730 radionuclides with half lives longer than 60 minutes (see list of nuclides). Thirty two of those are primordial radionuclides that were created before the Earth was formed. At least another 60 radionuclides are detectable in nature, either as daughters of primordial radionuclides or as radionuclides produced through natural production on Earth by cosmic radiation. More than 2400 radionuclides have half lives less than 60 minutes. Most of those are only produced artificially, and have very short half lives. For comparison, there are about 251 stable nuclides. All chemical elements can exist as radionuclides. Even the lightest element, hydrogen, has a well known radionuclide, tritium. Elements heavier than lead, and the elements technetium and promethium, exist only as radionuclides. Unplanned exposure to radionuclides generally has a harmful effect on living organisms including humans, although low levels of exposure occur naturally without harm. The degree of harm will depend on the nature and extent of the radiation produced, the amount and nature of exposure (close contact, inhalation or ingestion), and the biochemical properties of the element; with increased risk of cancer the most usual consequence. However, radionuclides with suitable properties are used in nuclear medicine for both diagnosis and treatment. An imaging tracer made with radionuclides is called a radioactive tracer. A pharmaceutical drug made with radionuclides is called a radiopharmaceutical.
Табиғи
Жер бетінде табиғи түрде кездесетін радионуклидтер үш топқа бөлінеді: бастапқы радионуклидтер, екіншілік радионуклидтер және космогендік радионуклидтер. Радионуклидтер тұрақты нуклидтермен бірге жұлдыздық нуклеосинтезде және супернова жарылыстарында түзіледі. Көпшілігі тез ыдырайды, бірақ астрономиялық тұрғыдан байқауға болады және астрономиялық процестерді түсінуге көмектеседі. Уран мен торий сияқты бастапқы радионуклидтер қазіргі уақытта бар, себебі олардың жартылай ыдырау периоды өте ұзақ (>100 миллион жыл) болғандықтан, олар әлі толық ыдырап үлкермеген. Кейбір радионуклидтердің жартылай ыдырау периоды өте ұзақ (әлемнің жасынан әлдеқайда көп), сондықтан олардың ыдырауы жақында ғана анықталды және көптеген жағдайларда оларды тұрақты деп санауға болады, ең әйгілі мысалы – 209 висмут: оның ыдырауының анықталуы висмут енді тұрақты емес екенін көрсетті. Ыдырау басқа нуклидтерде де байқалуы мүмкін, осылайша бастапқы радионуклидтер тізіміне жаңадан қосылады. Екіншілік радионуклидтер – бастапқы радионуклидтердің ыдырауынан пайда болатын радиогендік изотоптар. Олардың жартылай ыдырау периоды бастапқы радионуклидтерге қарағанда қысқа. Олар торий-232, уран-238 және уран-235 бастапқы изотоптарының ыдырау тізбегінде пайда болады. Мысалы, полоний мен радийдің табиғи изотоптары. Көміртек-14 сияқты космогендік изотоптар атмосферадағы ғарыш сәулелерінің әсерінен үнемі түзіледі. Осы радионуклидтердің көпшілігі табиғатта өте аз мөлшерде кездеседі, соның ішінде барлық космогендік нуклидтер де. Екіншілік радионуклидтердің мөлшері олардың жартылай ыдырау периодына пропорционалды, сондықтан аз өмір сүретіндері өте сирек болады. Мысалы, уран кендерінде полонийді тоннасына шамамен 0,1 мг мөлшерінде табуға болады (1010-нан 1 бөлік). Сонымен қатар, табиғатта басқа радионуклидтер де сирек кездесетін құбылыстардың нәтижесінде, мысалы, спонтанды бөліну немесе сирек ғарыш сәулелерінің әрекеттесуі салдарынан, іс жүзінде анықталмайтын мөлшерде кездесуі мүмкін.
Ядролық бөліну
Радионуклидтер ядролық бөліну және термоядролық жарылыстар нәтижесінде қажетсіз пайда болады. Ядролық бөліну процесінде бөліну өнімдерінің кең спектрі түзіледі, олардың көп бөлігі радионуклидтер болып табылады. Ядролық отынды (актинидтер қатарын құра отырып) және оны қоршаған конструкцияларды сәулелендіру арқылы қосымша радионуклидтер пайда болуы мүмкін, бұл активтендіру өнімдерін тудырады. Әртүрлі химиялық қасиеттері мен радиоактивтілігі бар радионуклидтердің бұл күрделі қоспасы ядролық қалдықтарды басқаруды және ядролық жауын-шашынмен күресуді ерекше қиын жасайды.
Қолданылуы
Радионуклидтер екі негізгі жолмен қолданылады: сәулелену үшін ғана (сәулелену, ядролық батареялар) немесе химиялық қасиеттері мен сәулеленудің үйлесімі үшін (трассерлер, биофармацевтикалық заттар). Биологияда көміртек радионуклидтері радиоактивті трассерлер ретінде қолданылуы мүмкін, себебі олар химиялық тұрғыдан радиоактивті емес нуклидтерге өте ұқсас, сондықтан көптеген химиялық, биологиялық және экологиялық процестер оларды шамамен бірдей қабылдайды. Содан кейін нәтижелерді радиациялық детектормен, мысалы, Гайгер санағышымен тексеруге болады, бұл берілген атомдардың қайда енгенін анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, көмірқышқыл газында радиоактивті көміртек бар ортада өсімдіктерді өсіруге болады; сонда атмосфералық көміртекті сіңірген өсімдіктің бөліктері радиоактивті болады. Радионуклидтер ДНК репликациясы немесе аминқышқылдарының тасымалы сияқты процестерді бақылау үшін де пайдаланылуы мүмкін. Физика және биологияда радионуклидтік рентгендік флуоресценциялық спектрометрия қосылыстың химиялық құрамын анықтау үшін қолданылады. Радионуклидтік көзден шыққан сәулелену сынамаға түсіп, оның ішіндегі ерекше рентген сәулелерін қоздырады. Бұл сәулелену тіркеледі және өлшенген спектрді талдау арқылы сынаманың химиялық құрамын анықтауға болады. Ерекше сәулелену сызықтарының энергиясын өлшеу арқылы сәулеленуді шығаратын химиялық элементтің протон саны анықталады, ал шығарылған фотондардың санын өлшеу арқылы жеке химиялық элементтердің концентрациясын анықтауға болады. Ядролық медицинада радиоизотоптар диагностика, емдеу және зерттеу үшін қолданылады. Гамма-сәулелер немесе позитрондар шығаратын радиоактивті химиялық трассерлер ішкі анатомия және нақты органдардың, соның ішінде адам миының жұмысы туралы диагностикалық ақпарат бере алады. Бұл кейбір томография түрлерінде қолданылады: жалғыз фотонды эмиссиялық компьютерлік томография, позитронды эмиссиялық томография (ПЭТ) сканерлеу және Черенков люминесценциялық бейнелеу. Радиоизотоптар ісіктердің гемопоэтикалық түрлерін емдеудің де бір әдісі болып табылады, бірақ қатты ісіктерді емдеуде тиімділігі шектеулі. Күшті гамма-көздер шприцтер мен басқа да медициналық құралдарды стерильдейді. Азық-түлік сақтау кезінде радиация түбірлі дақылдардың өршуін тоқтату, паразиттер мен зиянкестерді жою және сақталған жеміс-жидектердің пісіп жетілуін бақылау үшін қолданылады. Азық-түлікті сәулемен сәулелеу үшін көбінесе кобальт-60 немесе цезий-137 сияқты күшті гамма-ықсынысты бета-тазалану нуклидтері қолданылады. Өнеркәсіпте және тау-кен өндірісінде радионуклидтер дәнекерлеу тігістерін тексеруге, ақауларды анықтауға, металдардың тозуын, эрозиясын және коррозиясын зерттеуге, сондай-ақ минералдар мен отынды ағымдағы талдауға қолданылады. Ғарыш кемелерінде радионуклидтер қуат пен жылу беру үшін қолданылады, әсіресе радиоизотоптық термоэлектр генераторлары (RTG) және радиоизотоптық қыздырғыш құрылғылары (RHU) арқылы. Астрономия және космологияда радионуклидтер жұлдыздық және планеталық процестерді түсінуде маңызды рөл атқарады. Бөлшектер физикасында радионуклидтер бета-бөлшектің энергиясы мен импульсін өлшеу арқылы жаңа физиканы (стандартты модельден тыс физиканы) ашуға көмектеседі (мысалы, нейтриносыз қос бета-бөлшекті және әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектерді іздеу). Экологияда радионуклидтер ластаушы заттарды іздеу және талдау, жер бетіндегі судың қозғалысын зерттеу, жаңбыр мен қардан судың ағып кетуін, сондай-ақ өзендер мен ағындардың ағыс жылдамдығын өлшеу үшін қолданылады. Геология, археология және палеонтологияда табиғи радионуклидтер тау жыныстарының, минералдардың және қазба материалдардың жасын өлшеу үшін қолданылады.
Үй-жайлар үшін түтін детекторлары
Радионуклидтер көптеген үйлерде кездеседі, себебі олар ең көп таралған тұрмыстық түтін дабылдарының ішінде қолданылады. Қолданылатын радионуклид – америций-241, ол ядролық реакторда плутонийді нейтрондармен бомбалау арқылы өндіріледі. Ол альфа бөлшектері мен гамма сәулелерін шығару арқылы нептуний-237-ге айналады. Түтін дабылдарында 241Am-нің өте аз мөлшері (бір түтін дабылына шамамен 0,29 микрограмм) америций диоксиді түрінде қолданылады. 241Am оның детектордың иондау камерасындағы ауаны иондайтын альфа бөлшектерін шығару қабілетіне байланысты қолданылады. Иондалған ауаға кішкентай электр кернеуі беріледі, бұл кішкентай электр тогын тудырады. Түтін пайда болғанда, иондардың бір бөлігі бейтараптандырылады, соның салдарынан ток төмендейді, бұл дабылдың іске қосылуына себеп болады.
Организмдердегі әсері
Қоршаған ортаға түскен радионуклидтер радиоактивті ластану арқылы зиянды әсер ете алады. Егер олар емдеу кезінде артық қолданылса немесе тірі организмдерге басқа жолдармен радиациялық улану арқылы әсер етсе, зақым келтіруі мүмкін. Радионуклидтерге ұшыраудың денсаулыққа тигізетін зияны бірнеше факторға байланысты және сау тіндер мен мүшелердің жұмысын бұзуы мүмкін. Радиацияға ұшыраудың салдары терінің қызаруынан және шаштың түсуінен бастап, радиациялық күйіктерге және жедел радиациялық синдромға дейін жетеді. Ұзақ уақыт бойы әсер ету жасушаларды зақымдап, нәтижесінде қатерлі ісікке алып келуі мүмкін. Қатерлі жасушалардың белгілері ұшырағаннан кейін бірнеше жыл немесе тіпті ондаған жылдардан соң ғана көріне бастауы мүмкін.
Тұрақты және радиоактивті нуклидтер кластарының жиынтық кестесі
Төменде бір сағаттан артық жартылай ыдырау мерзімі бар 989 нуклидтің тізімі келтірілген. Барлығы 251 нуклид ыдырауын байқауға болмаған, олар классикалық түрде тұрақты саналады. Олардың 90-ы протондық ыдыраудан басқа (ол әлі байқалмаған) толығымен тұрақты деп есептеледі, ал қалғандары «байқау бойынша тұрақты» және теориялық тұрғыдан өте ұзақ жартылай ыдырау мерзімімен радиоактивті ыдырауға ұшырауы мүмкін. Кестедегі қалған радионуклидтердің жартылай ыдырау мерзімі 1 сағаттан артық және олар жақсы сипатталған (толық тізім үшін нуклидтер тізімін қараңыз). Олардың ішінде ғаламның шамаланған жасынан (13,8 миллиард жыл) ұзақ жартылай ыдырау мерзіміне ие 30 нуклид, сондай-ақ радиоактивті алғашқы нуклидтер болып табылатын және 100 миллион жылдан ұзақ жартылай ыдырау мерзіміне ие тағы төрт нуклид бар. Олар Жерде табылуы мүмкін, себебі олар Күн жүйесі пайда болғанға дейін жұлдызаралық шаңда сақталған. Тағы 60-тан астам қысқа өмір сүретін нуклидтер ұзақ өмір сүретін нуклидтердің немесе ғарыш сәулелерінің өнімдері ретінде табиғатта кездеседі. Қалған белгілі нуклидтер тек жасанды ядролық трансмутация арқылы ғана белгілі. Сандар нақты емес және болашақта сәл өзгеруі мүмкін, себебі «тұрақты нуклидтер» өте ұзақ жартылай ыдырау мерзімімен радиоактивті болып табылса мүмкін. Бұл – бір сағаттан артық жартылай ыдырау мерзімі бар (тұрақтыларын қоса алғанда) 989 нуклидтің жиынтық кестесі, ол нуклидтер тізімінде келтірілген. Тұрақтылық класы Нуклидтер саны Жиынтық сомасы Жиынтық сомасы туралы ескертулер Протондық ыдыраудан басқа барлық жағдайлар бойынша теориялық тұрақты 90 90 Бірінші 40 элементті қамтиды. Протондық ыдырау әлі байқалмаған. Альфа- ыдырау, бета- ыдырау, изомерлік ауысу және қос бета- ыдырау кезінде теориялық тұрақты, бірақ спонтанды бөліну мүмкін емес, ол «тұрақты» нуклидтер үшін ≥ ниобий 93 56 146 Барлық, мүмкін, толық тұрақты нуклидтер (массалық саны < 232 нуклидтер үшін спонтанды бөліну ешқашан байқалмаған). Бір немесе бірнеше белгілі ыдырау режимдеріне энергетикалық тұрақсыз, бірақ ыдырау әлі байқалған жоқ. Зақымдалған кезде барлығы «тұрақты» деп саналады. 105 251 Классикалық тұрақты нуклидтердің жалпы саны. Радиоактивті алғашқы нуклидтер. 35 286 Алғашқы элементтердің арасында уран, торий, висмут, рубидий 87, калий 40, теллурий 128 және барлық тұрақты нуклидтер бар. Радиоактивті, алғашқы емес, бірақ Жерде табиғи түрде кездеседі. 61 347 Көміртек 14 (және ғарыш сәулелерінен пайда болатын басқа изотоптар) және радиоактивті алғашқы элементтердің қыздары, мысалы, радий, полоний және т.б. Олардың 41-інің жартылай ыдырау мерзімі бір сағаттан артық. Радиоактивті синтетикалық жартылай ыдырау мерзімі ≥ 1,0 сағат). Ең пайдалы радиотрассерлерді қамтиды. 662 989 Бұл 989 нуклид нуклидтер тізімі мақаласында келтірілген. Радиоактивті синтетикалық (жартылай ыдырау мерзімі < 1,0 сағат). >2400 >3300 Барлық жақсы сипатталған синтетикалық нуклидтерді қамтиды.
Саудада қол жетімді радионуклидтердің тізімі
Бұл тізімде жиі кездесетін изотоптар келтірілген, олардың көпшілігі көптеген елдерде өте шағын мөлшерде қолжетімді. Ал көпшілікке қолжетімсіз болғандары өнеркәсіптік, медициналық және ғылыми салаларда коммерциялық түрде сатылады және мемлекеттік бақылауда болады.
Тек гамма-сәуле шығару
Изотоптық белсенділік Жартылай ыдырау кезеңі Энергиясы (keV) Барий 133 9694 ТБк/кг (262 Ci/г) 10.7 жыл 81.0, 356.0 Кадмий 109 96200 ТБк/кг (2600 Ci/г) 453 күн 88.0 Кобальт 57 312280 ТБк/кг (8440 Ci/г) 270 күн 122.1 Кобальт 60 40700 ТБк/кг (1100 Ci/г) 5.27 жыл 1173.2, 1332.5 Еуропий 152 6660 ТБк/кг (180 Ci/г) 13.5 жыл 121.8, 344.3, 1408.0 Манганий 54 287120 ТБк/кг (7760 Ci/г) 312 күн 834.8 Натрий 22 237540 ТБк/кг (6240 Ci/г) 2.6 жыл 511.0, 1274.5 Цинк 65 304510 ТБк/кг (8230 Ci/г) 244 күн 511.0, 1115.5 Технеций 99m 1.95 ТБк/кг (5.27 × 10⁵ Ci/г) 6 сағат 140
Тек бета-шығарылым
Изотоптық белсенділік Жартылай ыдырау кезеңі Энергия (keV) Стронций 90 5180 ТБк/кг (140 Ци/г) 28.5 жыл 546.0 Таллий 204 17057 ТБк/кг (461 Ци/г) 3.78 жыл 763.4 Көміртек 14 166.5 ТБк/кг (4.5 Ци/г) 5730 жыл 49.5 (орташа) Тритий (сутек-3) 357050 ТБк/кг (9650 Ци/г) 12.32 жыл 5.7 (орташа)
Тек альфа-шығыс
Изотоптық белсенділік Жартылай өмір Энергия (keV) Полоний 210 166500 ТБк/кг (4500 Ки/г) 138,376 күн 5304,5 Уран 238 12580 кБк/кг (0.00000034 Ки/г) 4,468 миллиард жыл 4267
Бірнеше сәуле шығарушы
Изотоптық белсенділік Жартылай ыдырау кезеңі Сәулелену түрлері Энергиясы (keV) Цезий 137 3256 ТБк/кг (88 Киури/г) 30.1 жыл Гамма және бета сәулелері G: 32, 661.6 B: 511.6, 1173.2 Америций 241 129.5 ТБк/кг (3.5 Киури/г) 432.2 жыл Гамма және альфа сәулелері G: 59.5, 26.3, 13.9 А: 5485, 5443