Использование радиоизотопов

Использование  радиоизотопов

Радиоизотопы используются в медицине и на различных производствах, а также при научных исследованиях и в сфере образования. Медицинское использование включает в себя радиотерапию и ядерную медицину.  Промышленное использование включает дефектоскопию и процессы контроля в металлургической (литейной), бумажной, химической промышленности и в дорожном строительстве. Радиоизотопы широко используются для научных исследований, в образовательных и обучающих целях, но обычно в гораздо меньших количествах, чем в промышленности и медицине. Таблица 1 содержит примеры радиоизотопов используемых в промышленности, медицине, науке и образовании.

 

Таблица 1

Радиоизотопы

Изотопы Период полураспада Вид и энергия излучений (МэВ) Применение
Кобальт-60 5.27 лет Бета (0.32), гамма (1.17, 1.33) Промышленность
Иридий-192 74 дней Бета (0.672), гамма (0.316) Промышленность, медицина
Цезий-137 30.2 лет Бета (0.511), гамма (1.17) Промышленность
Америций-241 432 лет Альфа (5.49), гамма (0.14, 0.59) Промышленность
Технеций-99m 6.02 часов Гамма (0.140) Медицина
Йод-131 8.04 дней Бета (0.606), гамма 0.364) Медицина
Галлий-67 3.26 дней Гамма (0.09, 0.008) Медицина
фосфор-18 110 минут Позитронное, гамма (0.511) Медицина

 

1.           Обзор основных ядерных реакций

Термин «радионуклид» использоваться в данном модуле, когда мы рассматриваем ядра атомов. Термин «радиоизотоп» будет использоваться для описания продукта радиоизотопного производства. Ядерные реакции описываются больше с использованием термина «радионуклид», чем «радиоизотоп».

Радионуклиды могут быть как богатыми нейтронами (иметь больше нейтронов в ядре, чем стабильный изотоп), так и испытывать нехватку нейтронов (иметь меньше нейтронов в ядре, чем стабильный изотоп). Богатые нейтронами изотопы распадаются с испусканием альфа, бета или гамма радиации. К ним относится большинство радиоизотопов, используемых в промышленности и медицине. Изотопы с нехваткой нейтронов распадаются в результате реакций захвата (присоединения) электронов и являются источниками позитронного излучения  используемого преимущественно в ядерной медицине.

Изотопы богатые нейтронами получают посредством облучения в ядерном реакторе, тогда как изотопы с нехваткой нейтронов в результате ядерных реакции в ускорителях частиц.

Радионуклиды богатые нейтронами получают посредством облучения в ядерном реакторе

Радионуклиды с нехваткой нейтронов получают посредством облучения в ускорителе частиц

1.1        Использование таблицы нуклидов

В Модулях 1.1 и 1.3, вы изучили Таблицу Нуклидов и то, как она используется для определения продуктов радиоактивного распада. Также она может использоваться для определения продуктов получаемых в других ядерных процессах, таких как бомбардировка ядра заряженными или незаряженными частицами.

Рисунок 1 приведена Таблица Нуклидов, демонстрирующая распределение нуклидов в виде графика, число протонов в нуклиде (атомное число) на оси y, и число нейтронов на оси x.  Каждый нуклид обозначается квадратом. Чёрные квадраты отмечают линию стабильных нуклидов. Нуклиды, расположенные слева от чёрной линии, являются радионуклидами с нехваткой нейтронов, распад которых происходит в результате реакций захвата электронов с последующей эмиссией позитронов, а с правой – радионуклидами богатыми нейтронами, при распаде которых получаем альфа и бета излучения, обычно сопровождаемые гамма излучением.

 

Когда нуклид (называемый мишенью)  «обстреливается» частицами,  в результате ядерных взаимодействий образуются новые радионуклиды.

1.1.1      Облучение нейтронами

При бомбардировке  нуклида – мишени нейтронами возможны следующие два вида ядерных реакций:

  • Если нуклид-мишень захватывает нейтрон, его атомная масса увеличивается на одну единицу (атомная масса ядра мишени плюс масса нейтрона) и он располагается с правой стороны графика.  При этом образовавшийся радионуклид излучает излишнюю энергию в виде гамма излучения.  Данная ядерная реакция называется нейтрон-гамма (n,g). На диаграмме она может быть представлена в виде:
ядро мишень

(Z,A)

 

(n,g)

 

  • Если в результате взаимодействия ядро мишень присоединив нейтрон излучает протон при этом значения  Z и A  не меняются и получаем нуклид смещенный на один квадрат вправо в таблице нуклидов. Эта ядерная реакция называется нейтрон-протон (n,p) и  может быть представлена в виде:
ядро мишень

(Z,A)

 
 

(n,p)

 

1.1.2      Облучение заряженными частицами

Бомбардирующие ядро-мишень частицы могут нести заряд, как например, протоны (ядра атома водорода H1), дейтоны (ядра атома водорода  H2) или тритоны (ядра атома водорода H3).

1.1.2.1                       Облучение протонами

При бомбардировке  нуклида мишени протонами возможны следующие два вида ядерных реакций:

  • Нуклид-мишень присоединяет протон и излучает нейтрон. Массовое число не изменяется, но  увеличение числа протонов приводит к тому, что нуклид смещается на одну линию вверх и влево в таблице нуклидов.  Такая ядерная реакция называется протонно-нейтронная (p,n) и  представляется в виде:

(p,n)

 

 

 

 

 

ядро мишень

(Z,A)

 

Нуклид может излучать более чем один нейтрон, производя такие ядерные реакции, как (p,2n) или (p,3n) (в общем, они могут быть описаны как (p,xn)).  Расположение таких нуклидов в таблице нуклидов имеет вид:

(p,3n)

(p,2n)

(p,n)

     

 

 

ядро мишень

(Z,A)

 

  • Ядро-мишень присоединяет протон и излучает альфа частицу.  Общее массовое число уменьшается на три и число протонов уменьшается на один, таким образом, конечный радионуклид опускается на один ряд вниз и три столбца влево в таблице нуклидов.  Реакция называется протон-альфа (p,a) и  представлена в следующей табличке:
   

 

 

 

ядро мишень

(Z,A)

 

(p,a)

 

 

 

 

 

 


1.1.2.2                       Облучение дейтонами

При бомбардировке  нуклида – мишени дейтонами возможны следующие два вида ядерных реакций:

  • Нуклид-мишень присоединяет дейтон и излучает нейтрон, повышая число протонов на один.  Конечный нуклид находится на один ряд выше в таблице нуклидов. Реакция называется дейтон-протон (d,n) и представлена в виде:
(d,n)
ядро мишень

(Z,A)

 

  • Нуклид-мишень присоединяет дейтон и излучает альфа частицу. Массовое число уменьшается на два, а число протонов на один. Конечный нуклид смещается на один ряд вниз и влево в таблице нуклидов. Реакция называется дейтон-альфа (d,a) и представлена в виде:
 

 

 

 

ядро мишень

(Z,A)

 

(d,a)

 

 

 


1.2        Запись реакций

Описание того, что происходит при облучении нейтронами или заряженными частицами должно включать: нуклид-мишень, нуклид, полученный в результате, и ядерную реакцию. Это записывается в стандартной форме;

Нуклид-мишень (реакция) конечный нуклид

Например, реакция, в которой cobalt-59 облучается нейтронами с целью получения cobalt-60, записывается в виде:    Co59 (n,g) Co60.