Радиохимия - Radiochemistry

Радиохимия это химия из радиоактивный материалы, радиоактивные изотопы элементов используются для изучения свойств и химические реакции нерадиоактивных изотопов (часто в радиохимии отсутствие радиоактивности приводит к тому, что вещество описывается как неактивный как изотопы стабильный). Большая часть радиохимии связана с использованием радиоактивность изучать обычные химические реакции. Это очень отличается от радиационная химия где уровни радиации остаются слишком низкими, чтобы влиять на химию.

Радиохимия включает изучение как природных, так и антропогенных радиоизотопов.

Основные режимы распада

Все радиоизотопы нестабильны изотопы из элементы - пройти ядерный распад и испустить какую-то форму радиация. Испускаемое излучение может быть нескольких типов, включая: альфа, бета, гамма-излучение, протон и нейтрон эмиссия вместе с нейтрино и античастица пути распада выбросов.

1. α (альфа) излучение - выброс альфа-частица (который содержит 2 протона и 2 нейтрона) из атомное ядро. Когда это происходит, атом атомная масса уменьшится на 4 единицы и атомный номер уменьшится на 2.

2. β (бета) излучение - трансмутация из нейтрон в электрон и протон. После этого электрон вылетает из ядра в электронное облако.

3. γ (гамма) излучение - выброс электромагнитная энергия (такие как гамма лучи ) из ядра атома. Обычно это происходит во время альфа- или бета-тестирования. радиоактивный распад.

Эти три типа излучения можно различить по разной проникающей способности.

Альфа может быть довольно легко остановлена ​​несколькими сантиметрами в воздухе или листом бумаги и эквивалентна ядру гелия. Бета-частицы могут быть отрезаны алюминиевым листом толщиной всего несколько миллиметров и являются электронами. Гамма является наиболее проникающей из трех и представляет собой безмассовую беззарядную высокую энергию. фотон. Гамма-излучение требует значительного количества тяжелого металла радиационная защита (обычно вести или барий на основе), чтобы снизить его интенсивность.

Анализ активации

От нейтрон при облучении предметов можно вызвать радиоактивность; эта активация стабильных изотопов для создания радиоизотопов является основой нейтронно-активационный анализ. Одним из наиболее интересных объектов, исследованных таким образом, являются волосы Наполеон головы, которые были исследованы на предмет их мышьяк содержание.[1]

Существует ряд различных экспериментальных методов, которые были разработаны для измерения ряда различных элементов в разных матрицах. Чтобы уменьшить эффект матрица обычно используют химическое извлечение желаемого элемента и / или чтобы позволить радиоактивности, связанной с матричными элементами, распасться перед измерением радиоактивности. Поскольку матричный эффект можно скорректировать, наблюдая за спектром распада, для некоторых образцов требуется небольшая подготовка образца или совсем не требуется ее, что делает нейтронно-активационный анализ менее чувствительным к загрязнению.

Эффект от серии различных времен охлаждения можно увидеть, если на гипотетический образец, который содержит натрий, уран и кобальт в соотношении 100: 10: 1, был нанесен очень короткий импульс тепловые нейтроны. Первоначальная радиоактивность будет определяться 24Na активность (период полураспада 15 ч), но с увеличением времени 239Np (период полураспада 2,4 дня после образования из родительского 239U с периодом полураспада 24 мин) и, наконец, 60Со-активность (5,3 года) будет преобладать.

Приложения биологии

Одно из биологических приложений - это изучение ДНК используя радиоактивный фосфор -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, которая была проделана по метилированию таких элементов, как сера, селен, теллур и полоний живыми организмами. Было показано, что бактерии может превращать эти элементы в летучие соединения,[2] считается, что метилкобаламин (витамин B12 ) алкилирует эти элементы с образованием диметилов. Было показано, что сочетание Кобалоксим и неорганический полоний в стерильный вода образует летучее соединение полония, в то время как контрольный эксперимент, который не содержал кобальт соединение не образовало летучего соединения полония.[3] Для сера работать с изотопом 35S, а для полония 207По был использован. В некоторых связанных работах путем добавления 57Co с бактериальной культурой с последующим выделением кобаламина из бактерий (и измерением радиоактивности выделенного кобаламина) было показано, что бактерии превращают доступный кобальт в метилкобаламин.

В медицине ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) обычно используется в диагностических целях. Радиационный индикатор вводится внутривенно пациенту, а затем переносится в ПЭТ-машину. Радиоактивный индикатор испускает излучение наружу от пациента, а камеры в машине интерпретируют лучи излучения от индикатора. В аппаратах для сканирования ПЭТ используется твердотельное сцинтилляционное обнаружение, поскольку кристаллы NaI (Tl) поглощают излучение индикаторов и производят фотоны, которые преобразуются в электрический сигнал для анализа аппаратом.[4]

Окружающей среды

Радиохимия также включает изучение поведения радиоизотопов в окружающей среде; например, лесной или травяной пожар может снова сделать радиоизотопы мобильными.[5] В этих экспериментах пожары были начаты в зоне отчуждения вокруг Чернобыль была измерена радиоактивность в воздухе с подветренной стороны.

Важно отметить, что огромное количество процессов могут выделять радиоактивность в окружающую среду, например, действие космические лучи в эфире отвечает за образование радиоизотопов (таких как 14C и 32P), распад 226Ra формы 222Rn - газ, который может диффундировать через камни перед проникновением в здания.[6][7][8] и растворяются в воде и таким образом попадают питьевая вода[9] Кроме того, человеческая деятельность, такая как испытания бомбы, несчастные случаи,[10] а нормальные выбросы из промышленности привели к выбросу радиоактивности.

Химическая форма актинидов

Химический состав некоторых радиоактивных элементов, таких как плутоний, в окружающей среде осложняется тем фактом, что растворы этого элемента могут подвергаться непропорциональность[11] и в результате одновременно может сосуществовать множество различных степеней окисления. Была проделана определенная работа по определению степени окисления и координационного числа плутония и других актинидов в различных условиях.[2] Сюда входит работа над обоими решениями относительно простых комплексов.[12][13] и работать над коллоиды[14] Две ключевые матрицы: почва /горные породы и бетон, в этих системах химические свойства плутония изучались такими методами, как EXAFS и КСАНЕС.[15][3][4]

Движение коллоидов

Хотя связывание металла с поверхностью частиц почвы может препятствовать его перемещению через слой почвы, частицы почвы, несущие радиоактивный металл, могут мигрировать через почву в виде коллоидных частиц. Было показано, что это происходит с использованием частиц почвы, помеченных 134Cs было показано, что они способны проходить через трещины в почве.[16]

Нормальный фон

Радиоактивность присутствует повсюду (и была с момента образования Земли). Согласно Международное агентство по атомной энергии, один килограмм почвы обычно содержит следующие три естественных радиоизотопа 370 Бк 40К (типовой диапазон 100–700 Бк), 25 Бк 226Ra (типовой диапазон 10–50 Бк), 25 Бк 238U (типичный диапазон 10–50 Бк) и 25 Бк 232Th (типичный диапазон 7–50 Бк).[17]

Действие микроорганизмов

Действие микроорганизмов может зафиксировать уран; Thermoanaerobacter можешь использовать хром (VI), утюг (III), кобальт (III), марганец (IV) и уран (VI) в качестве акцепторов электронов, а ацетат, глюкоза, водород, лактат, пируват, сукцинат, и ксилоза могут действовать как доноры электронов для метаболизма бактерий. Таким образом, металлы могут быть восстановлены с образованием магнетит (Fe3О4), сидерит (FeCO3), родохрозит (MnCO3), и уранинит (UO2).[18] Другие исследователи также работали над фиксацией урана с помощью бактерий. [5][6][7], Фрэнсис Р. Ливенс и другие. (Работает в Манчестер ) предположили, что причина, по которой Геобактер серы может уменьшить UO2+
2 катионы диоксид урана в том, что бактерии восстанавливают ураниловые катионы до UO+
2 который затем подвергается диспропорционированию с образованием UO2+
2 и UO2. Это рассуждение было основано (по крайней мере частично) на наблюдении, что Нпо+
2 не превращается бактериями в нерастворимый оксид нептуния.[19]

Образование

Несмотря на растущее использование ядерной медицины, потенциальное расширение атомных электростанций и озабоченность по поводу защиты от ядерных угроз и обращения с ядерными отходами, образовавшимися в последние десятилетия, количество студентов, выбирающих специализацию в области ядерной и радиохимии, значительно сократилось. последние несколько десятилетий. Сейчас, когда многие эксперты в этих областях приближаются к пенсионному возрасту, необходимы действия, чтобы избежать нехватки кадров в этих критических областях, например, путем стимулирования интереса студентов к этой карьере, расширения образовательного потенциала университетов и колледжей и предоставления более конкретных обучение без отрыва от производства.[20]

Ядерная и радиохимия (ЯРХ) в основном преподается на университетском уровне, обычно сначала на уровне магистра и доктора наук. В Европе предпринимаются значительные усилия по гармонизации и подготовке образования NRC к будущим потребностям отрасли и общества. Эти усилия координируются в рамках проектов, финансируемых Скоординированными действиями при поддержке 7-й рамочной программы Европейского сообщества по атомной энергии: проект CINCH-II - Сотрудничество в области образования и обучения в области ядерной химии.

использованная литература

  1. ^ Х. Смит, С. Форшувуд и А. Вассен, Природа, 1962, 194(26 мая), 725–726
  2. ^ Н. Момошима, Ли-Х. Сонг, С. Осаки и Ю. Маэда, «Биологически индуцированная эмиссия Po из пресной воды», Журнал экологической радиоактивности, 2002, 63, 187–197
  3. ^ Н. Момошима, Ли-Х. Сонг, С. Осаки и Ю. Маэда, «Образование и выброс летучих соединений полония в результате микробной активности и метилирования полония метилкобаламином», Экологические науки и технологии, 2001, 35, 2956–2960
  4. ^ Саха, Гопал Б. (2010). «Системы сканирования ПЭТ». Основы ПЭТ-визуализации. Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. С. 19–39. Дои:10.1007/978-1-4419-0805-6_2. ISBN  9781441908049.
  5. ^ Ёщенко В.И. и другие. (2006) Ресуспензия и перераспределение радионуклидов при лесных и пастбищных пожарах в Чернобыльской зоне отчуждения: часть I. Пожарные эксперименты J Envir Radioact 86:143–63 PMID  16213067
  6. ^ Яня Ваупотич и Иван Кобаль, «Эффективные дозы в школах на основе наноразмерных аэрозолей дочерних продуктов радона», Атмосферная среда, 2006, 40, 7494–7507
  7. ^ Майкл Дюран, Строительство и окружающая среда, «Загрязнение воздуха внутри помещений геотермальными газами», 2006 г., 41, 1607–1610
  8. ^ Паоло Боффетта, "Рак человека из-за загрязнителей окружающей среды: эпидемиологические данные", Мутационные исследования / Генетическая токсикология и мутагенез в окружающей среде, 2006, 608, 157–162
  9. ^ М. Форте, Р. Рускони, М. Т. Каззанига и Г. Сгорбати, "Измерение радиоактивности питьевой воды Италии". Микрохимический журнал, 2007, 85, 98–102
  10. ^ Р. Пёлланен, М. Э. Кеттерер, С. Лехто, М. Хокканен, Т. К. Икяхеймонен, Т. Сийсконен, М. Моринг, М. П. Рубио Монтеро и А. Мартин Санчес, "Многотехнологическая характеристика частицы ядерной бомбы после аварии в Паломаресе", Журнал экологической радиоактивности, 2006, 90, 15–28
  11. ^ Рабидо, С.В., Журнал Американского химического общества, 1957, 79, 6350–6353
  12. ^ П. Г. Аллен, Дж. Дж. Бухер, Д. К. Шух, Н. М. Эдельштейн и Т. Райх, "Исследование комплексов аква и хлора UO.22+, NpO2+, Np4+, а Pu3+ методом рентгеновской абсорбционной спектроскопии тонкой структуры », Неорганическая химия, 1997, 36, 4676–4683
  13. ^ Дэвид Л. Кларк, Стивен Д. Конрадсон, Д. Вебстер Кио, Филипп Д. Палмер, Брайан Л. Скотт и К. Дрю Тейт, «Идентификация ограничивающих видов в системе карбоната плутония (IV). Твердое состояние и молекулярная структура раствора [Pu (CO3)5]6− Ион », Неорганическая химия, 1998, 37, 2893–2899
  14. ^ Йорг Роте, Клеменс Вальтер, Мелисса А. Денеке и Т. Fanghänel, "Исследование XAFS и LIBD образования и структуры продуктов гидролиза коллоидного Pu (IV)", Неорганическая химия, 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 и DT Vaniman, «Минеральные ассоциации и средние степени окисления сорбированного Pu на Туф », Environ. Sci. Technol., 1999, 33, 2163–2169
  16. ^ Р. Д. Уикер и С. А. Ибрагим, "Вертикальная миграция 134Cs-содержащие частицы почвы в засушливых почвах: последствия для перераспределения плутония ", Журнал экологической радиоактивности, 2006, 88, 171–188.
  17. ^ «Общие процедуры оценки и реагирования во время радиационной аварийной ситуации», Серия TECDOC Международного агентства по атомной энергии, номер 1162, опубликована в 2000 г. [1]
  18. ^ Юл Ро, Ши В. Лю, Гуаншань Ли, Хешу Хуанг, Томми Дж. Фелпс и Цзичжун Чжоу, «Выделение и характеристика штаммов Thermoanaerobacter, уменьшающих количество металлов, из глубоких подземных сред бассейна Piceance, Колорадо», Прикладная и экологическая микробиология, 2002, 68, 6013–6020.
  19. ^ Джоанна К. Реншоу, Лаура Дж. К. Бутчинс, Фрэнсис Р. Ливенс, Иэн Мэй, Джон М. Чарнок и Джонатан Р. Ллойд, Environ. Sci. Technol., 2005, 39(15), 5657–5660.
  20. ^ Обеспечение будущей ядерной и радиохимической экспертизы в США. Совет по химическим наукам и технологиям. 2012 г. ISBN  978-0-309-22534-2.

внешние ссылки