Введение

Радиохимия – это химия радиоактивных материалов, в которой радиоактивные изотопы элементов используются для изучения свойств и химических реакций нерадиоактивных изотопов (часто в радиохимии отсутствие радиоактивности означает, что вещество описывается как неактивное, так как изотопы стабильны). Значительная часть радиохимии посвящена использованию радиоактивности для изучения обычных химических реакций. Это существенно отличается от радиационной химии, где уровни излучения поддерживаются слишком низкими, чтобы оказывать влияние на химические процессы. Радиохимия охватывает изучение как природных, так и искусственно полученных радиоизотопов.

Основные режимы распада

Все радиоизотопы являются нестабильными изотопами элементов, которые подвергаются ядерному распаду и испускают ту или иную форму излучения. Испускаемое излучение может быть нескольких типов, включая альфа-, бета- и гамма-излучение, а также эмиссию протонов и нейтронов, наряду с путями распада, связанными с испусканием нейтрино и античастиц. 1. α (альфа) излучение – испускание альфа-частицы (содержащей 2 протона и 2 нейтрона) из атомного ядра. При этом атомная масса атома уменьшается на 4 единицы, а атомный номер – на 2. 2. β (бета) излучение – превращение нейтрона в электрон и протон. После этого электрон испускается из ядра в электронное облако. 3. γ (гамма) излучение – испускание электромагнитной энергии (например, гамма-лучей) из ядра атома. Обычно это происходит во время альфа- или бета-радиоактивного распада. Эти три типа излучения можно различить по их различной проникающей способности. Альфа-излучение можно легко остановить несколькими сантиметрами воздуха или листом бумаги, и оно эквивалентно ядру гелия. Бета-излучение можно остановить алюминиевым листом толщиной всего в несколько миллиметров, и оно состоит из электронов. Гамма-излучение обладает наибольшей проникающей способностью из трех и представляет собой безмассовый, незаряженный фотон высокой энергии. Для ослабления интенсивности гамма-излучения требуется значительное количество радиационной защиты из тяжелых металлов (обычно на основе свинца или бария).

Анализ активации

При нейтронном облучении объектов можно индуцировать радиоактивность; эта активация стабильных изотопов с образованием радиоизотопов лежит в основе нейтронно-активационного анализа. Одним из наиболее интересных объектов с высокой энергией, исследованных таким методом, является волосы Наполеона, изученные на содержание мышьяка. Существует ряд различных экспериментальных методов, разработанных для измерения широкого спектра элементов в различных матрицах. Для снижения влияния матрицы обычно применяют химическое выделение целевого элемента и/или дают возможность радиоактивности, обусловленной элементами матрицы, затухнуть перед измерением. Поскольку матричный эффект можно скорректировать, наблюдая спектр распада, для некоторых образцов требуется минимальная или вообще никакая подготовка, что делает нейтронно-активационный анализ менее подверженным загрязнению. Влияние различных времен охлаждения можно проследить на примере гипотетического образца, содержащего натрий, уран и кобальт в соотношении 100:10:1, подвергнутого очень короткому импульсу тепловых нейтронов. Первоначальная радиоактивность будет определяться активностью 24Na (период полураспада 15 ч), но со временем начнет преобладать активность 239Np (период полураспада 2,4 дня после образования из родительского 239U с периодом полураспада 24 мин), а затем – активность 60Co (5,3 года).

Приложения в биологии

Одним из биологических применений является изучение ДНК с использованием радиоактивного фосфора-32. В этих экспериментах стабильный фосфор заменяется химически идентичным радиоактивным P-32, и полученная радиоактивность используется для анализа молекул и их поведения. Другой пример – работа, проведённая по метилированию элементов, таких как сера, селен, теллур и полоний, живыми организмами. Было показано, что бактерии могут преобразовывать эти элементы в летучие соединения, и предполагается, что метилкобаламин (витамин B12) алкилирует эти элементы, образуя диметилы. Было показано, что комбинация кобалоксима и неорганического полония в стерильной воде образует летучее соединение полония, в то время как контрольный эксперимент без соединения кобальта не привел к образованию летучего соединения полония. Для работы с серой использовался изотоп 35S, а для полония – 207Po. В ряде связанных исследований, путем добавления 57Co в бактериальную культуру с последующим выделением кобаламина из бактерий (и измерением радиоактивности выделенного кобаламина), было показано, что бактерии преобразуют доступный кобальт в метилкобаламин. В медицине ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) широко используется в диагностических целях. Радиоактивный трассер вводится внутривенно пациенту, после чего пациент помещается в ПЭТ-сканер. Радиоактивный трассер излучает радиацию, исходящую от пациента, а камеры сканера интерпретируют лучи излучения от трассера. ПЭТ-сканеры используют твердотельную сцинтилляцию благодаря высокой эффективности обнаружения; кристаллы NaI(Tl) поглощают излучение трассера и генерируют фотоны, которые преобразуются в электрический сигнал для анализа сканером.

Экологические

Радиохимия также включает изучение поведения радиоизотопов в окружающей среде; например, лесной или травяной пожар может вновь высвободить радиоизотопы, сделав их подвижными. В ходе этих экспериментов в зоне отчуждения вокруг Чернобыля разжигали пожары, а радиоактивность в воздухе по направлению ветра измерялась. Важно отметить, что множество процессов может приводить к попаданию радиоактивности в окружающую среду, например, воздействие космических лучей на атмосферу является причиной образования радиоизотопов (таких как 14C и 32P), распад 226Ra приводит к образованию 222Rn – газа, который может проникать сквозь горные породы, прежде чем попасть в здания и раствориться в воде, а затем и в питьевую воду. Помимо этого, деятельность человека, такая как ядерные испытания, аварии и нормальные выбросы промышленных предприятий, также способствовала высвобождению радиоактивных веществ в окружающую среду.

Химическая форма актинидов

Химия окружающей среды некоторых радиоактивных элементов, таких как плутоний, осложняется тем, что растворы этого элемента могут подвергаться диспропорционированию, и в результате одновременно может существовать множество различных степеней окисления. Проведены исследования по определению степени окисления и координационного числа плутония и других актинидов в различных условиях. Эти исследования охватывают как растворы относительно простых комплексов, так и коллоиды. Две ключевые матрицы – почва/горные породы и бетон. В этих системах химические свойства плутония изучались методами, такими как EXAFS и XANES.

Перемещение коллоидов

Хотя связывание металла с поверхностью почвенных частиц может препятствовать его перемещению через слой почвы, сами почвенные частицы, несущие радиоактивный металл, могут мигрировать в виде коллоидных частиц по почве. Это было продемонстрировано на примере почвенных частиц, меченных 134Cs, которые способны перемещаться через трещины в почве.

Обычный фон

Радиоактивность присутствует повсюду на Земле с момента её образования. Согласно Международному агентству по атомной энергии, один килограмм почвы обычно содержит следующие количества трех природных радиоизотопов: 370 Бк 40K (типичный диапазон 100–700 Бк), 25 Бк 226Ra (типичный диапазон 10–50 Бк), 25 Бк 238U (типичный диапазон 10–50 Бк) и 25 Бк 232Th (типичный диапазон 7–50 Бк).

Действие микроорганизмов

Действие микроорганизмов способно фиксировать уран; Thermoanaerobacter может использовать хром(VI), железо(III), кобальт(III), марганец(IV) и уран(VI) в качестве акцепторов электронов, а ацетат, глюкоза, водород, лактат, пируват, сукцинат и ксилоза могут выступать в качестве доноров электронов для метаболизма бактерий. В результате металлы могут восстанавливаться до магнетита (Fe3O4), сидерита (FeCO3), родохрозита (MnCO3) и уранинита (UO2). Другие исследователи также занимались фиксацией урана с использованием бактерий. Francis R. Livens и др. (работавшие в Манчестере) предположили, что причина, по которой Geobacter sulfurreducens способен восстанавливать катионы UO22+ до диоксида урана, заключается в том, что бактерии восстанавливают катионы уранила до UO2+, которые затем подвергаются диспропорционированию с образованием UO22+ и UO2. Это предположение основывалось (по крайней мере частично) на наблюдении, что NpO2+ не превращается бактериями в нерастворимый оксид нептуния.

Образование

Несмотря на растущее использование ядерной медицины, потенциальное расширение атомных электростанций и обеспокоенность по поводу защиты от ядерных угроз и обращения с ядерными отходами, накопленными за последние десятилетия, количество студентов, выбирающих специализацию в ядерной и радиохимии, значительно уменьшилось за последние несколько десятилетий. В настоящее время, когда многие эксперты в этих областях приближаются к пенсионному возрасту, необходимо принять меры для предотвращения дефицита кадров в этих критически важных областях, например, путем повышения интереса студентов к этим профессиям, расширения образовательных возможностей университетов и колледжей, а также предоставления более специализированного обучения непосредственно на рабочем месте. Ядерная и радиохимия (NRC) в основном преподается на университетском уровне, как правило, начиная с магистратуры и докторантуры. В Европе прилагаются значительные усилия по гармонизации и адаптации образования в области NRC к будущим потребностям промышленности и общества. Эти усилия координируются в рамках проектов, финансируемых в рамках Координированного действия, поддерживаемого 7-й рамочной программой Европейского сообщества по атомной энергии: проект CINCH II – «Сотрудничество в области образования и подготовки кадров в ядерной химии».