Chemia jądrowa - Nuclear chemistry

Rozpad alfa to jeden z typów rozpadu promieniotwórczego, w którym jądro atomowe emituje cząstkę alfa , a tym samym przekształca się (lub „rozpada”) w atom o liczbie masowej zmniejszonej o 4 i liczbie atomowej zmniejszonej o 2.

Chemia jądrowa to poddziedzina chemii zajmująca się radioaktywnością , procesami jądrowymi i przemianami w jądrach atomów, takimi jak transmutacja jądrowa i właściwości jądrowe.

Jest to chemia pierwiastków promieniotwórczych , takich jak aktynowce , rad i radon wraz z chemią związaną z urządzeniami (np. reaktorami jądrowymi ), które są przeznaczone do przeprowadzania procesów jądrowych. Obejmuje to korozję powierzchni i zachowanie w warunkach zarówno normalnej, jak i nienormalnej eksploatacji (np. podczas wypadku ). Ważnym obszarem jest zachowanie obiektów i materiałów po umieszczeniu na składowisku lub składowisku odpadów promieniotwórczych .

Obejmuje badanie skutków chemicznych wynikających z pochłaniania promieniowania przez żywe zwierzęta, rośliny i inne materiały. W chemii radiacyjnej kontrole znacznie od biologii promieniowania , jak promieniowanie ma wpływ na dzienny co w skali molekularnej, to wyjaśnić inny sposób, w jaki zmienia Promieniowanie biochemiczne w obrębie organizmu, przemianę biomolekuły następnie zmienia skład chemiczny, który występuje w obrębie organizm, ta zmiana w chemii może następnie prowadzić do wyniku biologicznego. W rezultacie chemia jądrowa znacznie pomaga w zrozumieniu metod leczenia (takich jak radioterapia nowotworów ) i umożliwiła poprawę tych metod leczenia.

Obejmuje badanie produkcji i wykorzystania źródeł promieniotwórczych w szeregu procesów. Należą do nich radioterapia w zastosowaniach medycznych; wykorzystanie znaczników promieniotwórczych w przemyśle, nauce i środowisku; oraz wykorzystanie promieniowania do modyfikacji materiałów, takich jak polimery .

Obejmuje również badanie i wykorzystanie procesów jądrowych w nieradioaktywnych obszarach działalności człowieka. Na przykład spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) jest powszechnie stosowana w syntetycznej chemii organicznej i chemii fizycznej oraz do analizy strukturalnej w chemii makromolekularnej .

Chemia jądrowa zajmująca się badaniem jądra, zmian zachodzących w jądrze, właściwościami cząstek obecnych w jądrze oraz emisją lub pochłanianiem promieniowania z jądra.

Historia

Po tym, jak Wilhelm Röntgen odkrył promieniowanie rentgenowskie w 1882 roku, wielu naukowców zaczęło pracować nad promieniowaniem jonizującym. Jednym z nich był Henri Becquerel , który badał związek między fosforescencją a czernieniem klisz fotograficznych . Kiedy Becquerel (pracujący we Francji) odkrył, że bez zewnętrznego źródła energii uran wytwarza promienie, które mogą zaczernić (lub zamglić ) kliszę fotograficzną, odkryto radioaktywność. Marie Curie (pracująca w Paryżu) i jej mąż Pierre Curie wyizolowali z rudy uranu dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze. Użyli metod radiometrycznych , aby określić, w którym strumieniu znajdowała się radioaktywność po każdym rozdzieleniu chemicznym; podzielili rudę uranu na każdy z różnych pierwiastków chemicznych, które były wówczas znane, i zmierzyli radioaktywność każdej frakcji. Następnie podjęli próbę dalszego rozdzielenia tych frakcji radioaktywnych, aby wyizolować mniejszą frakcję o wyższej aktywności właściwej (radioaktywność podzielona przez masę). W ten sposób wyizolowali polon i rad . Około 1901 r. zauważono, że wysokie dawki promieniowania mogą powodować obrażenia u ludzi. Henri Becquerel nosił w kieszeni próbkę radu iw wyniku tego otrzymał bardzo zlokalizowaną dawkę, która spowodowała oparzenie popromienne . Uraz ten spowodował, że zbadano biologiczne właściwości promieniowania, co z czasem zaowocowało rozwojem leczenia.

Ernest Rutherford , pracujący w Kanadzie i Anglii, wykazał, że rozpad promieniotwórczy można opisać prostym równaniem (liniowe równanie pochodnej pierwszego stopnia, obecnie nazywane kinetyką pierwszego rzędu ), sugerującym, że dana substancja radioaktywna ma charakterystyczny „ okres półtrwania ” ( czas potrzebny do zmniejszenia ilości radioaktywności obecnej w źródle o połowę). Ukuł także terminy promienie alfa , beta i gamma , zamienił azot w tlen , a co najważniejsze nadzorował studentów, którzy przeprowadzili eksperyment Geigera-Marsdena ( eksperyment ze złotą folią), który wykazał, że " model budyniu śliwkowego " atomu jest zło. W modelu śliwkowym, zaproponowanym przez JJ Thomsona w 1904 roku, atom składa się z elektronów otoczonych „chmurą” ładunku dodatniego, aby zrównoważyć ujemny ładunek elektronów. Według Rutherforda eksperyment ze złotą folią sugerował, że ładunek dodatni jest ograniczony do bardzo małego jądra prowadzącego najpierw do modelu Rutherforda , a ostatecznie do modelu atomu Bohra, w którym dodatnie jądro jest otoczone przez ujemne elektrony.

W 1934 roku córka Marii Curie ( Irène Joliot-Curie ) i zięć ( Frédéric Joliot-Curie ) jako pierwsi stworzyli sztuczną radioaktywność : bombardowali bor cząstkami alfa, aby wytworzyć ubogi w neutrony izotop azotu-13 ; ten izotop emitował pozytony . Ponadto, oni bombardowani glin i magnez z neutronami , aby poznać nowych radioizotopów.

Otto Hahn i Lise Meitner odkryli radioaktywne izotopy radu , toru , protaktynu i uranu . Odkrył także zjawisko odrzutu radioaktywnego i izomerii jądrowej oraz pionierski datowanie rubidowo-strontowe . W 1938 roku Hahn, Lise Meitner i Fritz Strassmann odkryli rozszczepienie jądrowe , za co Hahn otrzymał w 1944 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii . Rozszczepienie jądrowe było podstawą reaktorów jądrowych i broni jądrowej . Hahn jest określany jako ojciec chemii jądrowej i ojciec chrzestny rozszczepienia jądrowego .

Główne rejony

Radiochemia to chemia materiałów radioaktywnych, w której radioaktywne izotopy pierwiastków są wykorzystywane do badania właściwości i reakcji chemicznych izotopów nieradioaktywnych (często w radiochemii brak radioaktywności prowadzi do opisania substancji jako nieaktywnej, ponieważ izotopy są stabilne ).

Więcej informacji można znaleźć na stronie poświęconej radiochemii .

Chemia radiacyjna

Chemia promieniowania to badanie chemicznego wpływu promieniowania na materię; różni się to bardzo od radiochemii, ponieważ w materiale, który jest zmieniany chemicznie przez promieniowanie, nie musi występować żadna radioaktywność. Przykładem jest przekształcenie wody w wodór gazu i nadtlenku wodoru . Przed chemią radiacyjną powszechnie uważano, że czysta woda nie może zostać zniszczona.

Wstępne eksperymenty koncentrowały się na zrozumieniu wpływu promieniowania na materię. Używając generatora promieni rentgenowskich, Hugo Fricke badał biologiczne skutki promieniowania, ponieważ stało się ono powszechną opcją leczenia i metodą diagnostyczną. Fricke zaproponował, a następnie udowodnił, że energia promieni rentgenowskich była w stanie przekształcić wodę w wodę aktywowaną, umożliwiając jej reakcję z rozpuszczonymi cząsteczkami.

Chemia dla energetyki jądrowej

Radiochemia, chemia radiacyjna i inżynieria chemiczna jądrowa odgrywają bardzo ważną rolę w syntezie prekursorów paliw uranu i toru, począwszy od rud tych pierwiastków, produkcji paliw, chemii chłodziw, przeróbce paliw, obróbce i składowaniu odpadów promieniotwórczych, monitorowaniu uwalniania pierwiastków promieniotwórczych podczas reaktora eksploatacja i radioaktywne składowanie geologiczne itp.

Badanie reakcji jądrowych

Zobacz też: fizyka jądrowa i reakcje jądrowe

Połączenie radiochemii i chemii radiacyjnej jest wykorzystywane do badania reakcji jądrowych, takich jak rozszczepienie i fuzja . Niektóre wczesne dowody na rozszczepienie jądra to tworzenie krótkożyjącego radioizotopu baru, który został wyizolowany z uranu napromieniowanego neutronami ( 139 Ba, z okresem półtrwania 83 minut i 140 Ba, z okresem półtrwania 12,8 dnia, są główne produkty rozszczepienia uranu). W tamtym czasie sądzono, że jest to nowy izotop radu, ponieważ wówczas standardową praktyką radiochemiczną było stosowanie osadu nośnika siarczanu baru, aby pomóc w izolacji radu .] Niedawno połączenie metod radiochemicznych i fizyki jądrowej był używany do prób tworzenia nowych „superciężkich” elementów; uważa się, że tam, gdzie nuklidy mają okres półtrwania lat, istnieją wyspy względnej stabilności, co umożliwia wyizolowanie ważonych ilości nowych pierwiastków. Więcej szczegółów na temat pierwotnego odkrycia rozszczepienia jądrowego można znaleźć w pracy Otto Hahna .

Jądrowy cykl paliwowy

Jest to chemia związana z jakąkolwiek częścią jądrowego cyklu paliwowego , w tym z regeneracją jądrową . Cykl paliwowy obejmuje wszystkie operacje związane z produkcją paliwa, od wydobycia, przerobu rudy i wzbogacania po produkcję paliwa ( Front-end of the cycle ). Obejmuje również zachowanie „w stosie” (wykorzystanie paliwa w reaktorze) przed końcowym końcem cyklu. Koniec z powrotem obejmuje zarządzanie zużytego paliwa jądrowego albo w wypalonego paliwa basenie lub suchego składowania, zanim zostanie ona wyrzucać do podziemnego składowania odpadów lub przetworzony .

Normalne i nienormalne warunki

Chemię jądrową związaną z jądrowym cyklem paliwowym można podzielić na dwa główne obszary, jeden obszar dotyczy działania w zamierzonych warunkach, podczas gdy drugi obszar dotyczy warunków nieprawidłowego działania, w których wystąpiły pewne zmiany w stosunku do normalnych warunków działania lub ( rzadziej ) ma miejsce wypadek. Bez tego procesu nic z tego nie byłoby prawdą.

Utylizacja

Prawo

W Stanach Zjednoczonych normalne jest jednorazowe użycie paliwa w reaktorze energetycznym przed umieszczeniem go w magazynie odpadów. W długofalowym planie jest obecnie składowanie zużytego paliwa reaktora cywilnego w głębokim magazynie. Ta polityka zakazu ponownego przetwarzania została zapoczątkowana w marcu 1977 r. z powodu obaw o proliferację broni jądrowej . Prezydent Jimmy Carter wydał prezydencką dyrektywę, która na czas nieokreślony zawiesiła komercyjne przetwarzanie i recykling plutonu w Stanach Zjednoczonych. Dyrektywa ta była prawdopodobnie próbą dawania przykładu innym krajom przez Stany Zjednoczone, ale wiele innych krajów nadal przetwarza wypalone paliwo jądrowe. Rosyjski rząd za prezydenta Władimira Putina uchylił ustawę zakazującą importu zużytego paliwa jądrowego, co umożliwia Rosjanom oferowanie usługi przerobu dla klientów spoza Rosji (podobnej do tej oferowanej przez BNFL ).

Chemia PUREX

Obecnie wybieraną metodą jest zastosowanie procesu ekstrakcji ciecz-ciecz PUREX , w którym do ekstrakcji zarówno uranu, jak i plutonu z kwasu azotowego stosuje się mieszaninę fosforanu tributylu i węglowodoru . Ta ekstrakcja dotyczy soli azotanowych i jest klasyfikowana jako mająca mechanizm solwatacji . Na przykład ekstrakcja plutonu środkiem ekstrakcyjnym (S) w środowisku azotanowym następuje w następującej reakcji.

Pu 4+ aq + 4NO 3 − aq + 2S organiczne → [Pu(NO 3 ) 4 S 2 ] organiczne

Pomiędzy kationem metalu, azotanami i fosforanem tributylu tworzy się złożone wiązanie, a metodą krystalografii rentgenowskiej scharakteryzowano modelowy związek kompleksu dioksouranu(VI) z dwoma anionami azotanowymi i dwoma ligandami trietylofosforanowymi .

Gdy stężenie kwasu azotowego jest wysokie, preferowana jest ekstrakcja do fazy organicznej, a gdy stężenie kwasu azotowego jest niskie, ekstrakcja jest odwrócona (faza organiczna jest pozbawiona metalu). Normalnym zjawiskiem jest rozpuszczenie zużytego paliwa w kwasie azotowym, po usunięciu substancji nierozpuszczalnych uran i pluton są ekstrahowane z wysoce aktywnego ługu. Normalne jest ponowne ekstrahowanie załadowanej fazy organicznej w celu wytworzenia średnio aktywnego ługu, który zawiera głównie uran i pluton z niewielkimi śladami produktów rozszczepienia. Ta średnio aktywna wodna mieszanina jest następnie ponownie ekstrahowana za pomocą fosforanu tributylu/węglowodoru z wytworzeniem nowej fazy organicznej, po czym faza organiczna zawierająca metal jest następnie usuwana z metali z wytworzeniem wodnej mieszaniny tylko uranu i plutonu. Dwa etapy ekstrakcji służą do poprawy czystości produktu aktynowego , faza organiczna użyta do pierwszej ekstrakcji będzie podlegać znacznie większej dawce promieniowania. Promieniowanie może degradować fosforan tributylu do wodorofosforanu dibutylu. Wodorofosforan dibutylu może działać jako środek do ekstrakcji zarówno aktynowców, jak i innych metali, takich jak ruten . Wodorofosforan dibutylu może sprawić, że system będzie zachowywał się w bardziej złożony sposób, ponieważ ma tendencję do ekstrakcji metali za pomocą mechanizmu wymiany jonowej (ekstrakcji sprzyja niskie stężenie kwasu), w celu zmniejszenia efektu wodorofosforanu dibutylu, który jest powszechny w stosowanych organicznych fazę należy przemyć roztworem węglanu sodu w celu usunięcia kwasowych produktów degradacji fosforanu tributylu.

Rozważane są nowe metody do wykorzystania w przyszłości

Proces PUREX można zmodyfikować, aby uzyskać proces UREX (trakcja UR anium EX ), który można wykorzystać do zaoszczędzenia miejsca w składowiskach odpadów jądrowych wysokiego poziomu , takich jak składowisko odpadów jądrowych Yucca Mountain , poprzez usunięcie uranu, który stanowi zdecydowaną większość masy i objętości zużytego paliwa i recyklingu go jako regenerowanego uranu .

Proces UREX to proces PUREX, który został zmodyfikowany, aby zapobiec ekstrakcji plutonu. Można to zrobić przez dodanie reduktora plutonu przed pierwszym etapem ekstrakcji metalu. W procesie UREX ~99,9% uranu i >95% technetu oddziela się od siebie oraz innych produktów rozszczepienia i aktynowców. Kluczem jest dodanie kwasu acetohydroksamowego (AHA) do sekcji ekstrakcji i płukania procesu. Dodatek AHA znacznie zmniejsza zdolność ekstrakcji plutonu i neptunu , zapewniając większą odporność na proliferację niż na etapie ekstrakcji plutonu w procesie PUREX.

Dodanie drugiego środka ekstrakcyjnego, oktyl (fenylo) - N , N -dibutyl karbamoilometylo fosfiny (CMPO) w połączeniu z trójbutylowego (TBP), proces PUREX mogą być przekształcone w TRUEX ( TR ANS U Ranić EX trakcji) Proces ten to proces, który został wynaleziony w USA przez Argonne National Laboratory i ma na celu usuwanie metali transuranowych (Am/Cm) z odpadów. Pomysł polega na tym, że poprzez obniżenie aktywności alfa odpadów, większość odpadów może być następnie łatwiej usunięta. Podobnie jak w przypadku PUREX, proces ten działa na zasadzie mechanizmu solwatacji.

Jako alternatywę dla TRUEX opracowano proces ekstrakcji przy użyciu malondiamidu. Proces DIAMEX ( DIAM ide EX trakcja) ma tę zaletę, że zapobiega powstawaniu odpadów organicznych zawierających pierwiastki inne niż węgiel , wodór , azot i tlen . Takie odpady organiczne mogą być spalane bez tworzenia się kwaśnych gazów, które mogłyby przyczynić się do powstawania kwaśnych deszczy . Francuski CEA pracuje nad procesem DIAMEX w Europie . Proces jest wystarczająco dojrzały, aby można było zbudować zakład przemysłowy przy istniejącej wiedzy o procesie. Podobnie jak w przypadku PUREX, proces ten działa na zasadzie mechanizmu solwatacji.

Selektywna ekstrakcja aktynowców (SANEX). W ramach zarządzania podrzędnymi aktynowcami zaproponowano usunięcie lantanowców i trójwartościowych podrzędnych aktynowców z rafinatu PUREX w procesie takim jak DIAMEX lub TRUEX. W celu umożliwienia ponownego wykorzystania aktynowców, takich jak ameryk, w źródłach przemysłowych lub wykorzystania jako paliwo, lantanowce muszą zostać usunięte. Lantanowce mają duże przekroje poprzeczne neutronów i dlatego mogą zatruwać reakcję jądrową napędzaną neutronami. Do tej pory nie zdefiniowano systemu ekstrakcji dla procesu SANEX, ale obecnie nad procesem pracuje kilka różnych grup badawczych. Na przykład francuski CEA pracuje nad procesem opartym na bis-triazynylopirydynie (BTP).

Inni pracownicy pracują nad innymi układami, takimi jak kwasy ditiofosfinowe.

Jest to proces trakcji UNIversal EX , który został opracowany w Rosji i Czechach, jest to proces mający na celu usunięcie wszystkich najbardziej uciążliwych (Sr, Cs i drobnych aktynowców ) radioizotopów z rafinatów pozostałych po wydobyciu uranu i plutonu z zużyte paliwo jądrowe . Chemia opiera się na interakcji cezu i strontu z tlenkiem polietylenu ( glikolem polietylenowym ) i anionem karboranu kobaltu (znanym jako chlorowany dikarbolid kobaltu). Aktynowce są ekstrahowane przez CMPO, a rozcieńczalnikiem jest polarny aromat, taki jak nitrobenzen . Inne rozcieńczalniki, takie jak meta -nitrobenzotri fluorek i fenyl trifluorometylo sulfon Sugerowano również.

Absorpcja produktów rozszczepienia na powierzchniach

Innym ważnym obszarem chemii jądrowej jest badanie interakcji produktów rozszczepienia z powierzchniami; uważa się, że kontroluje to szybkość uwalniania i migracji produktów rozszczepienia zarówno z pojemników na odpady w normalnych warunkach, jak iz reaktorów energetycznych w warunkach awaryjnych. Podobnie jak chromian i molibdenian , anion 99 TcO 4 może reagować z powierzchniami stalowymi, tworząc warstwę odporną na korozję . W ten sposób te aniony metalokso działają jako anodowe inhibitory korozji . Tworzenie się 99 TcO 2 na powierzchniach stalowych jest jednym z efektów, które opóźnią uwalnianie 99 Tc z beczek na odpady jądrowe i urządzeń jądrowych, które zostały utracone przed dekontaminacją (np. reaktory podwodne utracone na morzu). Ta warstwa 99 TcO 2 sprawia, że ​​powierzchnia stali staje się pasywna, hamując reakcję korozji anodowej . Radioaktywny charakter technetu sprawia, że ​​ta ochrona przed korozją jest niepraktyczna w prawie wszystkich sytuacjach. Wykazano również , że aniony 99 TcO 4 reagują tworząc warstwę na powierzchni węgla aktywnego ( węgla drzewnego ) lub aluminium . Krótki przegląd właściwości biochemicznych szeregu kluczowych długożyciowych radioizotopów można przeczytać w Internecie.

99 Tc odpadami jądrowymi mogą występować w formach chemicznych, innych niż 99 TcO 4 anionu, te inne formy mają różne właściwości chemiczne. Podobnie uwalnianie jodu-131 w poważnej awarii reaktora energetycznego może zostać spowolnione przez absorpcję na powierzchniach metalowych w elektrowni jądrowej.

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. Wysiłki te są koordynowane w ramach projektu finansowanego przez skoordynowane działanie wspierane przez 7. program ramowy Europejskiej Wspólnoty Energii Atomowej. Chociaż NucWik jest skierowany przede wszystkim do nauczycieli, każdy zainteresowany tematyką jądrową i radiochemią jest mile widziany i może znaleźć wiele informacji i materiałów wyjaśniających tematy związane z NRC.

Obszary spinout

Niektóre metody opracowane po raz pierwszy w chemii i fizyce jądrowej stały się tak szeroko stosowane w chemii i innych naukach fizycznych, że najlepiej je traktować jako odrębne od normalnej chemii jądrowej. Na przykład, efekt izotopowy jest tak szeroko wykorzystywany do badania mechanizmów chemicznych i wykorzystania izotopów kosmogenicznych i długożyciowych niestabilnych izotopów w geologii , że najlepiej jest rozważyć większość chemii izotopowej jako odrębnej od chemii jądrowej.

Kinetyka (zastosowanie w chemii mechanistycznej)

Mechanizmy reakcji chemicznych można badać, obserwując, jak zmienia się kinetyka reakcji poprzez izotopową modyfikację substratu, znaną jako kinetyczny efekt izotopowy . Jest to obecnie standardowa metoda w chemii organicznej . Krótko mówiąc, zastąpienie normalnego wodoru ( protonów ) deuterem w cząsteczce powoduje zmniejszenie częstotliwości drgań cząsteczkowych wiązań XH (na przykład CH, NH i OH), co prowadzi do zmniejszenia wibracyjnej energii punktu zerowego . Może to prowadzić do zmniejszenia szybkości reakcji, jeśli etap determinujący szybkość obejmuje zerwanie wiązania między wodorem a innym atomem. Tak więc, jeśli szybkość reakcji zmienia się, gdy protony są zastępowane przez deutery, rozsądne jest założenie, że zerwanie wiązania z wodorem jest częścią etapu, który określa szybkość.

Zastosowania w geologii, biologii i kryminalistyce

Izotopy kosmogeniczne powstają w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych z jądrem atomu. Mogą być używane do celów datowania i jako naturalne znaczniki. Ponadto dzięki starannemu pomiarowi niektórych proporcji stabilnych izotopów można uzyskać nowy wgląd w pochodzenie pocisków, wiek próbek lodu, wiek skał oraz dietę człowieka można zidentyfikować na podstawie próbki włosów lub innej tkanki. . (Patrz geochemia izotopowa i sygnatura izotopowa w celu uzyskania dalszych szczegółów).

Biologia

W żywych organizmach znaczniki izotopowe (zarówno radioaktywne, jak i nieradioaktywne) można wykorzystać do zbadania, w jaki sposób złożona sieć reakcji, która składa się na metabolizm organizmu, przekształca jedną substancję w drugą. Na przykład zielona roślina wykorzystuje energię świetlną do przekształcania wody i dwutlenku węgla w glukozę w procesie fotosyntezy . Jeśli tlen w wodzie jest oznaczony, wtedy etykieta pojawia się w gazowym tlenie wytworzonym przez roślinę, a nie w glukozie wytworzonej w chloroplastach w komórkach roślinnych.

W eksperymentach biochemicznych i fizjologicznych oraz metodach medycznych wiele określonych izotopów ma ważne zastosowania.

  • Stabilne izotopy mają tę zaletę, że nie dostarczają dawki promieniowania do badanego układu; jednak znaczny ich nadmiar w narządzie lub organizmie może nadal zakłócać jego funkcjonalność, a dostępność wystarczających ilości do badań na całych zwierzętach jest ograniczona dla wielu izotopów. Pomiar jest również trudny i zwykle wymaga spektrometrii mas, aby określić, ile izotopu jest obecne w poszczególnych związkach, i nie ma możliwości zlokalizowania pomiarów w komórce.
  • 2 H (deuter), stabilne izotopy wodoru, to znacznik jest stabilna, których stężenie może być mierzona za pomocą spektrometrii masowej i NMR. Jest włączony do wszystkich struktur komórkowych. Można również wytwarzać określone związki deuterowane.
  • Zastosowano również 15 N, stabilny izotop azotu. Jest włączany głównie do białek.
  • Izotopy promieniotwórcze mają tę zaletę, że są wykrywalne w bardzo małych ilościach, są łatwe do zmierzenia za pomocą zliczania scyntylacyjnego lub innymi metodami radiochemicznymi oraz są możliwe do zlokalizowania w określonych obszarach komórki i oznaczania ilościowego za pomocą autoradiografii . Można wytworzyć wiele związków z radioaktywnymi atomami w określonych pozycjach i są one szeroko dostępne w handlu. W dużych ilościach wymagają środków ostrożności, aby chronić pracowników przed skutkami promieniowania – i mogą łatwo zanieczyścić szkło laboratoryjne i inny sprzęt. Dla niektórych izotopów okres półtrwania jest tak krótki, że przygotowanie i pomiar są trudne.

Dzięki syntezie organicznej możliwe jest stworzenie złożonej cząsteczki ze znacznikiem radioaktywnym, który może być ograniczony do niewielkiego obszaru cząsteczki. W przypadku krótkożyciowych izotopów, takich jak 11C , opracowano bardzo szybkie metody syntezy umożliwiające szybkie dodanie radioaktywnego izotopu do cząsteczki. Na przykład, katalizowaną palladem reakcję karbonylowania w urządzeniu mikroprzepływowym zastosowano do szybkiego tworzenia amidów i może być możliwe zastosowanie tej metody do wytworzenia radioaktywnych środków do obrazowania do obrazowania PET .

  • 3 H ( tryt ), radioizotop wodór, są dostępne w bardzo wysokiej aktywności poszczególnych, i związki z tego izotopu w poszczególnych położeniach wytwarza się łatwo drogą standardowych reakcji chemicznych, takich jak uwodornienie nienasyconych prekursorów. Izotop emituje bardzo miękkie promieniowanie beta i może być wykryty przez zliczanie scyntylacji.
  • 11 C, węgiel-11 jest zwykle wytwarzany przez bombardowanie cyklotronowe 14 N protonami. Powstała reakcja jądrowa jest14
    N(p,α)11
    C     . Dodatkowo węgiel-11 można również wytwarzać za pomocą cyklotronu ; bor w postaci tlenku boru reaguje z protonami w reakcji (p,n). Inną alternatywną drogą jest reagowanie 10 B deuteronami. Przez szybką syntezy organicznej 11 związek C utworzone w cyklotronie przekształca czynnika obrazującego, który jest następnie wykorzystywany do PET.
  • 14 C, węgiel-14 (jak wyżej) i możliwe jest przekształcenie materiału docelowego w proste związki nieorganiczne i organiczne. W większości prac związanych z syntezą organiczną normalną rzeczą jest próba wytworzenia produktu z dwóch fragmentów o w przybliżeniu równej wielkości i zastosowanie zbieżnej drogi, ale gdy dodaje się znacznik radioaktywny, normalne jest próbowanie dodania znacznika na późnym etapie syntezy w forma bardzo małego fragmentu cząsteczki, aby umożliwić zlokalizowanie radioaktywności w jednej grupie. Późne dodanie etykiety zmniejsza również liczbę etapów syntezy, w których używany jest materiał radioaktywny.
  • 18 F, fluor-18 można otrzymać w reakcji neonu z deuteronami, 20 Ne reaguje w reakcji (d, 4 He). Normalnym jest stosowanie gazu neonowego ze śladami stabilnego fluoru ( 19 F 2 ). 19 K 2 działa jako nośnik, który zwiększa wydajność radioaktywności z tarczy w cyklotronie, zmniejszając ilość radioaktywności utracone przez absorpcję na podłożu. Jednak to zmniejszenie strat odbywa się kosztem specyficznej aktywności produktu końcowego.

Spektroskopia jądrowa

Spektroskopia jądrowa to metody wykorzystujące jądro do uzyskania informacji o lokalnej strukturze materii. Ważnymi metodami są NMR (patrz poniżej), spektroskopia Mössbauera i Zaburzona korelacja kątowa . Metody te wykorzystują oddziaływanie pola nadsubtelnego ze spinem jądra. Pole może być magnetyczne lub/i elektryczne i jest tworzone przez elektrony atomu i jego otoczenia. W ten sposób metody te badają lokalną strukturę materii, głównie materii skondensowanej w fizyce materii skondensowanej i chemii ciała stałego .

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR)

Spektroskopia NMR wykorzystuje spin netto jąder w substancji po absorpcji energii do identyfikacji cząsteczek. Stało się to obecnie standardowym narzędziem spektroskopowym w chemii syntetycznej . Jednym z głównych zastosowań NMR jest określenie połączeń wiązań w cząsteczce organicznej.

Obrazowanie NMR wykorzystuje również spin netto jąder (zwykle protonów) do obrazowania. Jest to szeroko stosowane do celów diagnostycznych w medycynie i może dostarczyć szczegółowych obrazów wnętrza osoby bez narażania jej na promieniowanie. W środowisku medycznym NMR jest często nazywane po prostu obrazowaniem „rezonansu magnetycznego”, ponieważ słowo „jądrowy” ma dla wielu ludzi negatywne konotacje.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Podręcznik Chemii Jądrowej
Obszerny podręcznik w sześciu tomach autorstwa 130 międzynarodowych ekspertów. Redakcja: Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezső G. Lovas, Frank Rösch. ISBN  978-1-4419-0721-9 , Springer , 2011.
Radioaktywność Radionuklidy Promieniowanie
Podręcznik Magilla, Galy. ISBN  3-540-21116-0 , Springer, 2005 .
Radiochemia i chemia jądrowa, wyd. 3
Obszerny podręcznik autorstwa Chopina, Liljenzina i Rydberga. ISBN  0-7506-7463-6 , Butterworth-Heinemann, 2001 [8] .
Radiochemia i chemia jądrowa, wyd. 4
Obszerny podręcznik autorstwa Chopina, Liljenzina , Rydberga i Ekberga . ISBN  978-0-12-405897-2 , Elsevier Inc., 2013
Radioaktywność, promieniowanie jonizujące i energia jądrowa
Podstawowy podręcznik dla studentów autorstwa Jiri Háli i Jamesa D Navratila. ISBN  80-7302-053-X , Konwoj, Brno 2003 [9]
Podręcznik radiochemiczny
Przegląd produkcji i zastosowań źródeł otwartych i zamkniętych. Edytowany przez BJ Wilsona i napisany przez RJ Bayly, JR Catch, JC Charlton, CC Evans, TT Gorsuch, JC Maynard, LC Myerscough, GR Newbery, H Sheard, CBG Taylor i BJ Wilson. Centrum radiochemiczne (Amersham) zostało sprzedane za pośrednictwem HMSO , 1966 (wydanie drugie)