Радионуклиды: нестабильные атомы и радиоактивный распад.

Введение

Атом, обладающий избыточной ядерной энергией, что делает его нестабильным.

Радионуклид (радиоактивный нуклид, радиоизотоп или радиоактивный изотоп) – это нуклид, содержащий избыточное количество нейтронов или протонов, что приводит к избыточной ядерной энергии и делает его нестабильным. Этот избыток энергии может быть реализован одним из трех способов: испускаться из ядра в виде гамма-излучения; передаваться одному из электронов для высвобождения в виде конверсионного электрона; или использоваться для создания и испускания новой частицы (альфа-частицы или бета-частицы) из ядра. В этих процессах радионуклид подвергается радиоактивному распаду. Эти излучения считаются ионизирующими, поскольку они обладают достаточной энергией для выбивания электрона из другого атома. Радиоактивный распад может привести к образованию стабильного нуклида или, в некоторых случаях, к образованию нового нестабильного радионуклида, который может подвергнуться дальнейшему распаду. Радиоактивный распад – это случайный процесс на уровне отдельных атомов: невозможно предсказать момент распада конкретного атома. Однако для совокупности атомов одного нуклида скорость распада, а следовательно, и период полураспада (T₁/₂) для этой совокупности, может быть рассчитана на основе измеренных констант распада. Диапазон периодов полураспада радиоактивных атомов не имеет известных ограничений и охватывает временной интервал, превышающий 55 порядков величины. Радионуклиды встречаются в природе или производятся искусственно в ядерных реакторах, циклотронах, ускорителях частиц или генераторах радионуклидов. Существует около 730 радионуклидов с периодом полураспада более 60 минут (см. список нуклидов). Тридцать два из них – первичные радионуклиды, образовавшиеся до формирования Земли. По крайней мере, еще 60 радионуклидов обнаруживаются в природе, либо как продукты распада первичных радионуклидов, либо как радионуклиды, образующиеся в результате естественного производства на Земле под воздействием космического излучения. Более 2400 радионуклидов имеют период полураспада менее 60 минут. Большинство из них производятся искусственно и обладают очень коротким периодом полураспада. Для сравнения, существует около 251 стабильных нуклидов. Все химические элементы могут существовать в форме радионуклидов. Даже самый легкий элемент, водород, имеет известный радионуклид – тритий. Элементы тяжелее свинца, а также элементы технеций и прометий, существуют исключительно в виде радионуклидов. Непреднамеренное воздействие радионуклидов обычно оказывает вредное воздействие на живые организмы, включая человека, хотя низкие уровни воздействия происходят естественным образом без вреда. Степень вреда зависит от характера и интенсивности излучения, количества и способа воздействия (близкий контакт, ингаляция или проглатывание), а также биохимических свойств элемента; наиболее распространенным последствием является повышенный риск развития рака. Однако радионуклиды с подходящими свойствами используются в ядерной медицине для диагностики и лечения. Вещество-индикатор, помеченное радионуклидом, называется радиоактивным трассером. Фармацевтический препарат, содержащий радионуклид, называется радиофармпрепаратом.

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.

Естественный

На Земле, естественно встречающиеся радионуклиды делятся на три категории: первичные радионуклиды, вторичные радионуклиды и космогенные радионуклиды. Радионуклиды образуются в ходе звёздного нуклеосинтеза и взрывов сверхновых вместе со стабильными нуклидами. Большинство из них быстро распадаются, но всё же могут быть обнаружены астрономически и играть роль в понимании астрономических процессов. Первичные радионуклиды, такие как уран и торий, существуют и в настоящее время, поскольку их период полураспада настолько велик (>100 миллионов лет), что они ещё не полностью распались. У некоторых радионуклидов период полураспада настолько длителен (во много раз превышает возраст Вселенной), что их распад был обнаружен лишь недавно, и для большинства практических целей они могут считаться стабильными, наиболее яркий пример – висмут-209: обнаружение этого распада привело к тому, что висмут перестал считаться стабильным. Возможно, распад будет наблюдаться и в других нуклидах, пополняя список первичных радионуклидов. Вторичные радионуклиды – это радиогенные изотопы, происходящие от распада первичных радионуклидов. Они имеют более короткий период полураспада, чем первичные радионуклиды. Они возникают в цепочках распада первичных изотопов тория-232, урана-238 и урана-235. Примерами служат природные изотопы полония и радия. Космогенные изотопы, такие как углерод-14, присутствуют, поскольку они непрерывно образуются в атмосфере под воздействием космических лучей. Многие из этих радионуклидов существуют в природе лишь в следовых количествах, включая все космогенные нуклиды. Вторичные радионуклиды встречаются пропорционально их периоду полураспада, поэтому короткоживущие изотопы встречаются крайне редко. Например, полоний можно обнаружить в урановых рудах в концентрации около 0,1 мг на метрическую тонну (1 часть на 10¹⁰). Другие радионуклиды могут присутствовать в природе в практически неопределяемых количествах в результате редких событий, таких как спонтанное деление или необычные взаимодействия космических лучей.

Ядерное деление

Радионуклиды образуются как неизбежное следствие ядерного деления и термоядерных взрывов. Процесс ядерного деления порождает широкий спектр продуктов деления, большинство из которых являются радионуклидами. Дополнительные радионуклиды могут образовываться в результате облучения ядерного топлива (с образованием ряда актинидов) и окружающих конструкций, приводя к образованию продуктов активации. Эта сложная смесь радионуклидов с различными химическими свойствами и уровнем радиоактивности делает обращение с ядерными отходами и ликвидацию последствий ядерных выпадений особенно сложной задачей.

Применение

Радионуклиды используются двумя основными способами: либо для их излучения (облучение, ядерные батареи), либо для сочетания химических свойств и их излучения (трассеры, биофармацевтические препараты). В биологии радионуклиды углерода могут служить радиоактивными трассерами, поскольку они химически очень похожи на нерадиоактивные нуклиды, поэтому большинство химических, биологических и экологических процессов обрабатывают их почти идентичным образом. Затем можно исследовать результат с помощью детектора излучения, такого как счетчик Гейгера, чтобы определить, где были включены предоставленные атомы. Например, можно выращивать растения в среде, в которой углекислый газ содержит радиоактивный углерод; тогда части растения, включающие атмосферный углерод, будут радиоактивными. Радионуклиды могут использоваться для мониторинга таких процессов, как репликация ДНК или транспорт аминокислот. В физике и биологии радионуклидная рентгеновская флуоресцентная спектрометрия используется для определения химического состава соединения. Излучение из радионуклидного источника попадает на образец и возбуждает характерные рентгеновские лучи в образце. Это излучение регистрируется, и химический состав образца может быть определен на основе анализа измеренного спектра. Измеряя энергию характерных линий излучения, можно определить протонное число химического элемента, излучающего излучение, а измерив количество испускаемых фотонов, можно определить концентрацию отдельных химических элементов. В ядерной медицине радиоизотопы используются для диагностики, лечения и исследований. Радиоактивные химические трассеры, излучающие гамма-лучи или позитроны, могут предоставить диагностическую информацию о внутренней анатомии и функционировании определенных органов, включая головной мозг человека. Это используется в некоторых формах томографии: компьютерная томография с одинарным фотонным излучением (ОФЭКТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и визуализация с помощью люминесценции Черенкова. Радиоизотопы также являются методом лечения гемопоэтических форм опухолей; эффективность лечения солидных опухолей ограничена. Более мощные гамма-источники стерилизуют шприцы и другое медицинское оборудование. В пищевой промышленности радиация используется для предотвращения прорастания корнеплодов после сбора урожая, уничтожения паразитов и вредителей, а также для контроля созревания хранимых фруктов и овощей. Для облучения пищевых продуктов обычно используются нуклиды, распадающиеся бета-частицами с сильным гамма-излучением, такие как кобальт-60 или цезий-137. В промышленности и горнодобывающей промышленности радионуклиды используются для контроля сварных швов, обнаружения утечек, изучения скорости износа, эрозии и коррозии металлов, а также для оперативного анализа широкого спектра минералов и топлива. В космических аппаратах радионуклиды используются для обеспечения электроэнергией и теплом, в частности, с помощью радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) и радиоизотопных нагревательных устройств (РИНУ). В астрономии и космологии радионуклиды играют роль в понимании звездных и планетарных процессов. В физике частиц радионуклиды помогают открывать новую физику (физику за пределами Стандартной модели) путем измерения энергии и импульса продуктов их бета-распада (например, безнейтринного двойного бета-распада и поиска слабо взаимодействующих массивных частиц). В экологии радионуклиды используются для отслеживания и анализа загрязнителей, изучения движения поверхностных вод, измерения стока воды от дождя и снега, а также скорости течения ручьев и рек. В геологии, археологии и палеонтологии природные радионуклиды используются для измерения возраста горных пород, минералов и ископаемых материалов.

Radionuclides are used in two major ways: either for their radiation alone (irradiation, nuclear batteries) or for the combination of chemical properties and their radiation (tracers, biopharmaceuticals). In biology, radionuclides of carbon can serve as radioactive tracers because they are chemically very similar to the nonradioactive nuclides, so most chemical, biological, and ecological processes treat them in a nearly identical way. One can then examine the result with a radiation detector, such as a Geiger counter, to determine where the provided atoms were incorporated. For example, one might culture plants in an environment in which the carbon dioxide contained radioactive carbon; then the parts of the plant that incorporate atmospheric carbon would be radioactive. Radionuclides can be used to monitor processes such as DNA replication or amino acid transport. in physics and biology radionuclide X ray fluorescence spectrometry is used to determine chemical composition of the compound. Radiation from a radionuclide source hits the sample and excites characteristic X rays in the sample. This radiation is registered and the chemical composition of the sample can be determined from the analysis of the measured spectrum. By measuring the energy of the characteristic radiation lines, it is possible to determine the proton number of the chemical element that emits the radiation, and by measuring the number of emitted photons, it is possible to determine the concentration of individual chemical elements. In nuclear medicine, radioisotopes are used for diagnosis, treatment, and research. Radioactive chemical tracers emitting gamma rays or positrons can provide diagnostic information about internal anatomy and the functioning of specific organs, including the human brain. This is used in some forms of tomography: single photon emission computed tomography and positron emission tomography (PET) scanning and Cherenkov luminescence imaging. Radioisotopes are also a method of treatment in hemopoietic forms of tumors; the success for treatment of solid tumors has been limited. More powerful gamma sources sterilise syringes and other medical equipment. In food preservation, radiation is used to stop the sprouting of root crops after harvesting, to kill parasites and pests, and to control the ripening of stored fruit and vegetables. Food irradiation usually uses beta decaying nuclides with strong gamma emissions like cobalt 60 or caesium 137. In industry, and in mining, radionuclides are used to examine welds, to detect leaks, to study the rate of wear, erosion and corrosion of metals, and for on stream analysis of a wide range of minerals and fuels. In spacecraft, radionuclides are used to provide power and heat, notably through radioisotope thermoelectric generators (RTGs) and radioisotope heater units (RHUs). In astronomy and cosmology, radionuclides play a role in understanding stellar and planetary process. In particle physics, radionuclides help discover new physics (physics beyond the Standard Model) by measuring the energy and momentum of their beta decay products (for example, neutrinoless double beta decay and the search for weakly interacting massive particles). In ecology, radionuclides are used to trace and analyze pollutants, to study the movement of surface water, and to measure water runoffs from rain and snow, as well as the flow rates of streams and rivers. In geology, archaeology, and paleontology, natural radionuclides are used to measure ages of rocks, minerals, and fossil materials.

Дымотдетекторы для бытовых нужд

Радионуклиды присутствуют во многих домах, так как они используются в наиболее распространенных бытовых датчиках дыма. Используемый радионуклид – америций-241, который получают путем облучения плутония нейтронами в ядерном реакторе. Он распадается, испуская альфа-частицы и гамма-излучение, превращаясь в нептуний-237. Датчики дыма используют очень небольшое количество америция-241 (около 0,29 микрограмма на датчик) в форме диоксида америция. Америций-241 используется, поскольку он испускает альфа-частицы, которые ионизируют воздух в ионизационной камере датчика. На ионизированный воздух подается небольшое электрическое напряжение, что создает небольшой электрический ток. При появлении дыма часть ионов нейтрализуется, тем самым уменьшая ток и активируя сигнализацию датчика.

Влияние на организмы

Радионуклиды, попадающие в окружающую среду, могут вызывать вредные последствия в виде радиоактивного загрязнения. Они также могут нанести вред при чрезмерном использовании в ходе лечения или при другом воздействии на живые организмы, вызывая лучевую болезнь. Потенциальный вред для здоровья от воздействия радионуклидов зависит от ряда факторов и может нарушить функции здоровых тканей и органов. Воздействие радиации может проявляться в различных формах – от покраснения кожи и выпадения волос до лучевых ожогов и острого лучевого синдрома. Длительное воздействие может привести к повреждению клеток и, как следствие, к развитию рака. Признаки раковых клеток могут проявиться лишь спустя годы или даже десятилетия после воздействия.

Сводная таблица по классам нуклидов, стабильных и радиоактивных

Ниже приведена сводная таблица для списка 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа. В общей сложности 251 нуклид никогда не наблюдалось распада и классически считается стабильными. Из них 90 считаются абсолютно стабильными, за исключением распада протонов (который никогда не наблюдался), а остальные – «наблюдательно стабильными» и теоретически могут подвергаться радиоактивному распаду с чрезвычайно длительным периодом полураспада. Остальные радионуклиды имеют период полураспада более 1 часа и хорошо изучены (см. список нуклидов для полной таблицы). Они включают 30 нуклидов с измеренным периодом полураспада, превышающим предполагаемый возраст Вселенной (13,8 миллиарда лет), и еще четыре нуклида с периодом полураспада, достаточно длительным (> 100 миллионов лет), чтобы они были радиоактивными первичными нуклидами и могли быть обнаружены на Земле, сохранившись с момента их присутствия в межзвездной пыли до образования Солнечной системы, около 4,6 миллиарда лет назад. Более 60 короткоживущих нуклидов могут быть обнаружены в природе как продукты распада долгоживущих нуклидов или продукты космических лучей. Остальные известные нуклиды известны исключительно благодаря искусственной ядерной трансмутации. Числа не являются точными и могут незначительно измениться в будущем, поскольку «стабильные нуклиды» оказываются радиоактивными с очень длительным периодом полураспада. Это сводная таблица для 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа (включая стабильные), представленная в списке нуклидов. Класс стабильности Количество нуклидов Накопленный итог Примечания к итогу Теоретически стабильны ко всем видам распада, кроме протонного 90 90 Включает первые 40 элементов. Протонный распад пока не наблюдался. Теоретически стабильны к альфа-распаду, бета-распаду, изомерному переходу и двойному бета-распаду, но не к спонтанному делению, что возможно для «стабильных» нуклидов с массовым числом ≥ ниобия 93 183 Все нуклиды, которые потенциально могут быть полностью стабильными (спонтанное деление никогда не наблюдалось для нуклидов с массовым числом < 232). Энергетически нестабильны в одном или нескольких известных каналах распада, но распад пока не наблюдался. Все считались «стабильными» до обнаружения распада. 105 288 Общее количество классически стабильных нуклидов. Радиоактивные первичные нуклиды. 35 323 Общее количество первичных элементов включает уран, торий, висмут, рубидий-87, калий-40, теллур-128, а также все стабильные нуклиды. Радиоактивные, непервичные, но встречающиеся в природе на Земле. 61 384 Углерод-14 (и другие изотопы, образующиеся под действием космических лучей) и продукты распада радиоактивных первичных элементов, такие как радий, полоний и т.д. 41 из них имеет период полураспада более одного часа. Радиоактивные синтетические (период полураспада ≥ 1,0 часа). Включает наиболее полезные радиотрассеры. 662 989 Эти 989 нуклидов перечислены в статье «Список нуклидов». Радиоактивные синтетические (период полураспада < 1,0 часа). >2400 >3300 Включает все хорошо изученные синтетические нуклиды.

Following is a summary table for the list of 989 nuclides with half lives greater than one hour. A total of 251 nuclides have never been observed to decay, and are classically considered stable. Of these, 90 are believed to be absolutely stable except to proton decay (which has never been observed), while the rest are "observationally stable" and theoretically can undergo radioactive decay with extremely long half lives. The remaining tabulated radionuclides have half lives longer than 1 hour, and are well characterized (see list of nuclides for a complete tabulation). They include 30 nuclides with measured half lives longer than the estimated age of the universe (13.8 billion years), and another four nuclides with half lives long enough (> 100 million years) that they are radioactive primordial nuclides, and may be detected on Earth, having survived from their presence in interstellar dust since before the formation of the Solar System, about 4.6 billion years ago. Another 60+ short lived nuclides can be detected naturally as daughters of longer lived nuclides or cosmic ray products. The remaining known nuclides are known solely from artificial nuclear transmutation. Numbers are not exact, and may change slightly in the future, as "stable nuclides" are observed to be radioactive with very long half lives. This is a summary table for the 989 nuclides with half lives longer than one hour (including those that are stable), given in list of nuclides. Stability class Number of nuclides Running total Notes on running total Theoretically stable to all but proton decay 90 90 Includes first 40 elements. Proton decay yet to be observed. Theoretically stable to alpha decay, beta decay, isomeric transition, and double beta decay but not spontaneous fission, which is possible for "stable" nuclides ≥ niobium 93 56 146 All nuclides that are possibly completely stable (spontaneous fission has never been observed for nuclides with mass number < 232). Energetically unstable to one or more known decay modes, but no decay yet seen. All considered "stable" until decay detected. 105 251 Total of classically stable nuclides. Radioactive primordial nuclides. 35 286 Total primordial elements include uranium, thorium, bismuth, rubidium 87, potassium 40, tellurium 128 plus all stable nuclides. Radioactive nonprimordial, but naturally occurring on Earth. 61 347 Carbon 14 (and other isotopes generated by cosmic rays) and daughters of radioactive primordial elements, such as radium, polonium, etc. 41 of these have a half life of greater than one hour. Radioactive synthetic half life ≥ 1.0 hour). Includes most useful radiotracers. 662 989 These 989 nuclides are listed in the article List of nuclides. Radioactive synthetic (half life < 1.0 hour). >2400 >3300 Includes all well characterized synthetic nuclides.

Список радионуклидов, доступных в продаже

Этот список охватывает распространенные изотопы, большинство из которых доступно широкой публике в небольших количествах в большинстве стран. Другие, не доступные для публичного приобретения, продаются в коммерческих целях в промышленных, медицинских и научных областях и подлежат государственному регулированию.

Только гамма-излучение

Изотопная активность Период полураспада Энергии (keV) Барий 133 9694 ТБк/кг (262 Ci/г) 10,7 лет 81,0, 356,0 Кадмий 109 96200 ТБк/кг (2600 Ci/г) 453 дня 88,0 Кобальт 57 312280 ТБк/кг (8440 Ci/г) 270 дней 122,1 Кобальт 60 40700 ТБк/кг (1100 Ci/г) 5,27 лет 1173,2, 1332,5 Европий 152 6660 ТБк/кг (180 Ci/г) 13,5 лет 121,8, 344,3, 1408,0 Манганец 54 287120 ТБк/кг (7760 Ci/г) 312 дней 834,8 Натрий 22 237540 ТБк/кг (6240 Ci/г) 2,6 года 511,0, 1274,5 Цинк 65 304510 ТБк/кг (8230 Ci/г) 244 дня 511,0, 1115,5 Технеций 99m 1,95 ТБк/кг (5,27 × 10⁵ Ci/г) 6 часов 140

Только бета-эмиссия

Изотоп Активность Период полураспада Энергии (keV) Стронций-90 5180 ТБк/кг (140 Ки/г) 28,5 лет 546,0 Таллий-204 17057 ТБк/кг (461 Ки/г) 3,78 лет 763,4 Углерод-14 166,5 ТБк/кг (4,5 Ки/г) 5730 лет 49,5 (среднее значение) Тритий (водород-3) 357050 ТБк/кг (9650 Ки/г) 12,32 лет 5,7 (среднее значение)

Только альфа-излучение

Изотоп Активность Период полураспада Энергии (keV) Полоний-210 166500 ТБк/кг (4500 Ки/г) 138,376 дней 5304,5 Уран-238 12580 кБк/кг (0,00000034 Ки/г) 4,468 миллиарда лет 4267

Излучатели многократного излучения

Изотопная активность Период полураспада Типы излучения Энергии (кэВ) Цезий 137 3256 ТБк/кг (88 Ки/г) 30,1 года Гамма и бета Г: 32, 661,6 Б: 511,6, 1173,2 Америций 241 129,5 ТБк/кг (3,5 Ки/г) 432,2 года Гамма и альфа Г: 59,5, 26,3, 13,9 А: 5485, 5443