Radiochemia - Radiochemistry

Pudełko na rękawiczki

Radiochemia jest chemia z radioaktywnymi materiałów, w których radioaktywne izotopy elementów wykorzystywanych do badania właściwości i reakcje chemiczne z nie-radioaktywne izotopy (często w ciągu radiochemicznych brak prowadzi radioaktywność substancji są opisane jako aktywne jako izotopy są stabilne ) . Znaczna część radiochemii zajmuje się wykorzystaniem radioaktywności do badania zwykłych reakcji chemicznych . To bardzo różni się od chemii radiacyjnej, w której poziomy promieniowania są utrzymywane na zbyt niskim poziomie, aby wpłynąć na chemię.

Radiochemia obejmuje badanie radioizotopów zarówno naturalnych, jak i wytworzonych przez człowieka.

Główne tryby zaniku

Wszystkie są nietrwałe izotopy promieniotwórcze izotopy z elementami -undergo rozpad jądrowy i emitują pewną formę promieniowania . Promieniowanie może być różnych typów, w tym alfa , beta , gamma , protonów i neutronów emisji wraz z neutrinem i antycząstka ścieżek zaniku emisji.

1. Promieniowanie α (alfa) — emisja cząstki alfa (zawierającej 2 protony i 2 neutrony) z jądra atomowego . Gdy to nastąpi, masa atomowa atomu zmniejszy się o 4 jednostki, a liczba atomowa zmniejszy się o 2.

2. β (beta) promieniowanie -the transmutacji z neutronów w produkt elektronu i protonu . Po tym wydarzeniu elektron jest emitowany z jądra do chmury elektronowej .

3. Promieniowanie γ (gamma) — emisja energii elektromagnetycznej (np. promieni gamma ) z jądra atomu. Zwykle dzieje się to podczas rozpadu radioaktywnego alfa lub beta .

Te trzy rodzaje promieniowania można odróżnić od różnicy w sile penetracji.

Alfa można dość łatwo zatrzymać o kilka centymetrów w powietrzu lub na kartce papieru i jest ona odpowiednikiem jądra helu. Beta może zostać odcięta przez blachę aluminiową o grubości zaledwie kilku milimetrów i są to elektrony. Gamma jest najbardziej przenikliwy od trzech i jest bezmasowe doładowania wysokiej energii fotonów . Promieniowanie gamma wymaga znacznej ilości osłony przed promieniowaniem z metali ciężkich (zwykle na bazie ołowiu lub baru ), aby zmniejszyć jego intensywność.

Analiza aktywacji

Poprzez napromieniowanie obiektów neutronami można wywołać radioaktywność; ta aktywacja stabilnych izotopów w celu wytworzenia radioizotopów jest podstawą analizy aktywacji neutronowej . Jednym z najciekawszych obiektów, które zostały przebadane w ten sposób, są włosy z głowy Napoleona , które zbadano pod kątem zawartości arszeniku .

Istnieje szereg różnych metod eksperymentalnych, które zostały zaprojektowane w celu umożliwienia pomiaru szeregu różnych pierwiastków w różnych macierzach. Aby zmniejszyć wpływ matrycy , przed pomiarem radioaktywności powszechnie stosuje się ekstrakcję chemiczną pożądanego pierwiastka i/lub umożliwienie rozpadu radioaktywności spowodowanej przez elementy matrycy. Ponieważ efekt matrycy można skorygować, obserwując widmo zaniku, w przypadku niektórych próbek nie jest wymagane przygotowanie próbki lub nie jest wymagane żadne przygotowanie próbki, co sprawia, że ​​analiza aktywacji neutronów jest mniej podatna na zanieczyszczenie.

Skutki szeregu różnych czasów chłodzenia można zaobserwować, jeśli hipotetyczną próbkę zawierającą sód, uran i kobalt w stosunku 100:10:1 poddaje się bardzo krótkiemu impulsowi neutronów termicznych . Początkowy radioaktywności będzie zdominowana przez 24 aktywności Na ( okres półtrwania 15 H), lecz ze wzrostem czasu 239 NP (okres półtrwania 2,4 d po uformowaniu od jednostki 239 U z półtrwania w 24 minut) i w końcu 60 Aktywność Co. (5,3 lat) będzie dominować.

Aplikacje biologiczne

Jednym z zastosowań biologicznych jest badanie DNA przy użyciu radioaktywnego fosforu -32. W tych eksperymentach stabilny fosfor jest zastępowany chemicznie identycznym radioaktywnym P-32, a uzyskana radioaktywność jest wykorzystywana do analizy cząsteczek i ich zachowania.

Innym przykładem jest praca nad metylacją pierwiastków takich jak siarka , selen , tellur i polon przez organizmy żywe. Wykazano, że bakterie można przekształcić te elementy do związków lotnych, to uważa się, że Metylkobalamina ( witaminy B 12 ) alkilany tych elementów do tworzenia dimethyls. Wykazano, że połączenie kobaloksymu i nieorganicznego polonu w sterylnej wodzie tworzy lotny związek polonu, podczas gdy eksperyment kontrolny, który nie zawierał związku kobaltu , nie wytworzył lotnego związku polonu. Do pracy siarki użyto izotopu 35 S, a do polonu 207 Po. W niektórych pokrewnych pracach poprzez dodanie 57 Co do hodowli bakteryjnej, a następnie izolację kobalaminy z bakterii (i pomiar radioaktywności wyizolowanej kobalaminy) wykazano, że bakterie przekształcają dostępny kobalt w metylokobalaminę.

W medycynie skany PET (Pozytronowa Tomografia Emisyjna) są powszechnie stosowane w celach diagnostycznych. Znacznik promieniowania jest wstrzykiwany dożylnie pacjentowi, a następnie podawany do maszyny PET. Znacznik radioaktywny uwalnia promieniowanie na zewnątrz pacjenta, a kamery w urządzeniu interpretują promienie promieniowania pochodzące ze znacznika. Skanery PET wykorzystują detekcję scyntylacyjną w stanie stałym, ponieważ kryształy NaI(Tl) pochłaniają promieniowanie znaczników i wytwarzają fotony, które są przekształcane w sygnał elektryczny do analizy przez maszynę.

Środowiskowy

Radiochemia obejmuje również badanie zachowania radioizotopów w środowisku; na przykład pożar lasu lub trawy może sprawić, że radioizotopy znów staną się mobilne. W tych eksperymentach pożary rozpoczęły się w strefie wykluczenia wokół Czarnobyla i zmierzono radioaktywność w powietrzu z wiatrem.

Należy zauważyć, że ogromna liczba procesów jest w stanie uwolnić radioaktywność do środowiska, na przykład działanie promieni kosmicznych na powietrze jest odpowiedzialne za powstawanie radioizotopów (takich jak 14 C i 32 P), rozpad 226 Ra tworzy 222 Rn, który jest gazem, który może dyfundować przez skały przed wejściem do budynków i rozpuszczać się w wodzie, a tym samym przedostawać się do wody pitnej Ponadto działalność człowieka, taka jak testy bombowe , wypadki i normalne uwolnienia z przemysłu, spowodowały uwolnienie radioaktywności .

Forma chemiczna aktynowców

Chemia środowiskowa niektórych pierwiastków promieniotwórczych, takich jak pluton, jest skomplikowana przez fakt, że roztwory tego pierwiastka mogą ulegać dysproporcjonowaniu, w wyniku czego jednocześnie może współistnieć wiele różnych stopni utlenienia. Wykonano pewne prace nad identyfikacją stopnia utlenienia i liczby koordynacyjnej plutonu i innych aktynowców w różnych warunkach. [2] Obejmuje to pracę nad obydwoma roztworami stosunkowo prostych kompleksów oraz pracę nad koloidami. Dwie z kluczowych matryc to gleba / skały i beton , w tych układach właściwości chemiczne plutonu badano przy użyciu metod takich jak EXAFS i XANES . [3] [4]

Ruch koloidów

Chociaż wiązanie metalu z powierzchniami cząstek gleby może zapobiegać jego przemieszczaniu się przez warstwę gleby, możliwe jest, że cząstki gleby zawierające metal radioaktywny mogą migrować jako cząstki koloidalne przez glebę. Wykazano, że występuje to przy użyciu cząstek gleby oznaczonych 134 Cs, które okazały się zdolne do przemieszczania się przez pęknięcia w glebie.

Normalne tło

Promieniotwórczość jest obecna wszędzie (i jest od czasu powstania Ziemi). Według Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej jeden kilogram gleby zawiera zwykle następujące ilości trzech naturalnych radioizotopów: 370 Bq 40 K (typowy zakres 100–700 Bq), 25 Bq 226 Ra (typowy zakres 10–50 Bq), 25 Bq 238 U (typowy zakres 10–50 Bq) i 25 Bq 232 Th (typowy zakres 7–50 Bq).

Działanie mikroorganizmów

Działanie mikroorganizmów może utrwalić uran; Thermoanaerobacter może wykorzystywać chrom (VI), żelazo (III), kobalt (III), mangan (IV) i uran (VI) jako akceptory elektronów, podczas gdy octan , glukoza , wodór , mleczan , pirogronian , bursztynian i ksyloza mogą działać jako donory elektronów dla metabolizmu bakterii. W ten sposób metale można zredukować do magnetytu (Fe 3 O 4 ), syderytu (FeCO 3 ), rodochrozytu (MnCO 3 ) i uranitu (UO 2 ). Inni badacze również pracowali nad wiązaniem uranu za pomocą bakterii [5] [6] [7] , Francis R. Livens i in. (Pracujący w Manchesterze ) zasugerowali, że powodem, dla którego Geobacter sulfurreducens może zmniejszyć UO2+
2
kationów do dwutlenku uranu polega na tym, że bakterie redukują kationy uranylu do UO+
2
który następnie ulega dysproporcji, tworząc UO2+
2
i UO 2 . Rozumowanie to opierało się (przynajmniej częściowo) na obserwacji, że NpO+
2
nie jest przekształcany przez bakterie w nierozpuszczalny tlenek neptunium.

Edukacja

Pomimo rosnącego wykorzystania medycyny nuklearnej, potencjalnej rozbudowy elektrowni jądrowych oraz obaw o ochronę przed zagrożeniami nuklearnymi i gospodarowanie odpadami nuklearnymi wytworzonymi w ostatnich dziesięcioleciach, liczba studentów decydujących się na specjalizację w dziedzinie nuklearnej i radiochemii znacznie spadła ostatnich kilku dekad. Obecnie, gdy wielu ekspertów w tych dziedzinach zbliża się do wieku emerytalnego, potrzebne są działania, aby uniknąć luki w sile roboczej w tych krytycznych dziedzinach, na przykład poprzez budowanie zainteresowania studentów tymi karierami, poszerzanie potencjału edukacyjnego uniwersytetów i szkół wyższych oraz zapewnianie bardziej szczegółowych informacji na temat: szkolenie zawodowe.

Nauka o nuklearnej i radiochemii (NRC) jest głównie nauczana na poziomie uniwersyteckim, zwykle najpierw na poziomie magisterskim i doktoranckim. W Europie podejmuje się znaczne wysiłki w celu harmonizacji i przygotowania edukacji NRC do przyszłych potrzeb przemysłu i społeczeństwa. Wysiłek ten jest koordynowany w ramach projektów finansowanych w ramach Skoordynowanego Działania wspieranego przez 7. Program Ramowy Europejskiej Wspólnoty Energii Atomowej: Projekt CINCH-II - Współpraca w zakresie edukacji i szkoleń w chemii jądrowej.

Bibliografia

  1. ^ H. Smith, S. Forshufvud i A. Wassén, Nature , 1962, 194 (26 maja), 725-726
  2. ^ N. Momoshima, Li-X. Song, S. Osaki i Y. Maeda, „Biologicznie indukowana emisja Po ze słodkiej wody”, Journal of Environmental Radioactivity , 2002, 63 , 187-197
  3. ^ N. Momoshima, Li-X. Song, S. Osaki i Y. Maeda, „Tworzenie i emisja lotnych związków polonu przez aktywność mikrobiologiczną i metylację polonu z metylokobalaminą”, Environmental Science and Technology , 2001, 35 , 2956-2960
  4. ^ Saha, Gopal B. (2010). „Systemy skanowania PET”. Podstawy obrazowania PET . Springer, Nowy Jork, NY. s. 19–39. doi : 10.1007/978-1-4419-0805-6_2 . Numer ISBN 9781441908049.
  5. ^ Yoschenko VI i in. (2006) Resuspensja i redystrybucja radionuklidów podczas pożarów łąk i lasów w strefie wykluczenia w Czarnobylu: część I. Eksperymenty z pożarami J Envir Radioact 86 :143–63 PMID  16213067
  6. ^ Janja Vaupotič i Ivan Kobal, „Skuteczne dawki w szkołach w oparciu o nanorozmiarowe aerozole potomstwa radonu”, Środowisko atmosferyczne , 2006, 40 , 7494-7507
  7. ^ Michael Durand, Building and Environment „Zanieczyszczenie powietrza w pomieszczeniach spowodowane przez gazy geotermalne”, 2006, 41 , 1607-1610
  8. ^ Paolo Boffetta, „Ludzki rak przed zanieczyszczeniami środowiskowymi: dowody epidemiologiczne”, Mutation Research / Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis , 2006, 608 , 157-162
  9. ^ M. Forte, R. Rusconi, MT Cazzaniga i G. Sgorbati, „Pomiar radioaktywności we włoskich wodach pitnych”. Dziennik mikrochemiczny , 2007, 85 , 98-102
  10. ^ R. Pöllänen, ME Ketterer, S. Lehto, M. Hokkanen, TK Ikaheimonen, T. Siiskonen, M. Moring, MP Rubio Montero i A. Martín Sánchez, „wielotechniczna charakterystyka cząstki bomby atomowej z wypadku w Palomares” , Journal of Environmental Radioactivity , 2006, 90 , 15-28
  11. ^ Rabideau, SW, Journal of the American Chemical Society , 1957, 79 , 6350-6353
  12. ^ PG Allen, JJ Bucher, DK Shuh, NM Edelstein i T. Reich, „Badanie kompleksów Aquo i Chloro UO 2 2+ , NpO 2+ , Np 4+ i Pu 3+ za pomocą drobnej struktury absorpcji promieniowania rentgenowskiego Spektroskopia”, Chemia nieorganiczna , 1997, 36 , 4676–4683
  13. ^ David L. Clark, Steven D. Conradson, D. Webster Keogh Phillip D. Palmer Brian L. Scott i C. Drew Tait, „Identyfikacja gatunków ograniczających w układzie węglanu plutonu (IV). Struktura molekularna w stanie stałym i roztworze [Pu(CO 3 ) 5 ] 6- Ion”, Chemia nieorganiczna , 1998, 37 , 2893-2899
  14. ^ Jörg Rothe, Clemens Walther, Melissa A. Denecke i Th. Fanghänel, „XAFS i LIBD Badanie tworzenia i struktury koloidalnych produktów hydrolizy Pu (IV)”, Chemia nieorganiczna , 2004, 43 , 4708-4718
  15. ^ MC Duff, DB Hunter, IR Triay, PM Bertsch, DT Reed, SR Sutton, G. Shea-McCarthy, J. Kitten, P. Eng, SJ Chipera i DT Vaniman, „Stowarzyszenia mineralne i średnie stany utleniania Sorbed Pu na Tuff”, Environ. Nauka. Technol. , 1999, 33 , 2163–2169
  16. ^ RD Whicker i SA Ibrahim, „Pionowa migracjacząstek gleby zawierających 134 Cs w suchych glebach: implikacje dla redystrybucji plutonu”, Journal of Environmental Radioactivity , 2006, 88 , 171-188.
  17. ^ „Ogólne procedury oceny i reagowania podczas zdarzenia radiacyjnego”, numer serii TECDOC Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej 1162, opublikowany w 2000 roku [1]
  18. ^ Yul Roh, Shi V. Liu, Guangshan Li, Heshu Huang, Tommy J. Phelps i Jizhong Zhou, „Izolacja i charakterystyka szczepów Thermoanaerobacter redukujących metale z głębokich podpowierzchniowych środowisk dorzecza Piceance, Kolorado”, mikrobiologia stosowana i środowiskowa , 2002, 68 , 6013-6020.
  19. ^ Joanna C. Renshaw, Laura JC Butchins, Francis R. Livens, Iain May, John M. Charnock i Jonathan R. Lloyd, Environ. Nauka. Technol. , 2005, 39 (15), 5657-5660.
  20. ^ Zapewnienie przyszłej amerykańskiej ekspertyzy jądrowej i radiochemicznej . Rada Nauk Chemicznych i Technologii. 2012. ISBN 978-0-309-22534-2.

Linki zewnętrzne