ایزوتوپ پرتوزای مصنوعی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از Synthetic radioisotope)
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish

ایزوتوپ پرتوزای مصنوعی (به انگلیسی: Synthetic radioisotope) به ایزوتوپ‌های پرتوزایی گفته می‌شود که در طبیعت یافت نمی‌شوند یا نیمه عمر بسیار کوتاهی دارند. نمونه‌هایی از این ایزوتوپ‌ها تکنسیم-۹۵ و پرومتیم-۱۴۶ است. این ایزوتوپ‌ها معمولاً در دستگاه‌های شتاب‌دهنده ذرات تولید می‌شوند.

روش‌های تولید[ویرایش]

پرتودهی ایزوتوپ های پایدار[ویرایش]

پرتودهی ایزوتوپ‌های پایدار در یک رآکتور[ویرایش]

راکتور هسته‌ای، چشمهٔ وسیعی از نوترون‌های حرارتی است. این نوترون‌ها به راحتی می‌توانند توسط ایزوتوپ‌های پایدار جذب شوند، که در این صورت ایزوتوپ حاصل دارای یک نوترون اضافی خواهد بود که عدد جرمی آن یک واحد افزایش می‌یابد. ایزوتوپ حاصل ممکن است که رادیواکتیو باشد، یعنی رادیوایزوتوپ داشته باشیم و ممکن است پایدار باشد. معادله می‌تواند به صورت زیر باشد.

AZX+10n→ A+1ZX+γ

که در رابطهٔ بالا AZX ایزوتوپ اولیه با عدد جرمی A و عدد اتمی Z و A+1ZX رادیوایزوتوپ با عدد جرمی A+۱ و عدد اتمی Z است که در این رادیوایزوتوپ γ گسیل می‌شود.

پرتودهی ایزوتوپ‌های پایدار در یک شتابدهنده[ویرایش]

شتابدهنده یا سیکلوترون چشمه تعداد زیادی از ذرات باردار پر انرژی در محدوده Mev (مگا الکترون ولت) است که داخل این دستگاه ذره باردار (مثل پروتون، دوترون هلیوم) به ذره هدف (ایزوتوپ) می‌تابانند و رادیوایزوتوپ تشکیل می‌شود. به فرض برای یک پروتون و هسته AZX این‌گونه می‌توان نوشت.

AZX+11P → Az+1Y+n

که در آن AZX هسته‌ای با عدد جرمی A و عدد اتمی Z و ۱۱P پروتون و AZ+1Y رادیوایزوتوپ حاصله با عدد جرمی A و عدد اتمی Z+۱ و n نیز نوترون می‌باشد.

شکافت[ویرایش]

از شکافت ایزوتوپ‌های سنگین تر می‌توان ایزوتوپ‌های پرتوزای سبک‌تر تولید کرد. اندکی پس از کشف پدیدهٔ پرتوزایی، معلوم شد که رادیواکتیو طبیعی مانند ۲۲۶۸۸Ru (رادیوم ۲۲۶) و ۲۳۲۹۶Th (توریوم ۲۳۲) و ۲۱۰۸۴Po (پلونیوم ۲۱۰) چشمه‌های با ارزشی از ذرات α است. واکنش‌های این ذرات α، نوترون تولید می‌کرد. برای بسیاری از هسته‌های سنگین تر (A=۲۰۰) جذب نوترون به تولید چندین ایزوتوپ با اعداد جرمی، از مرتبه تقریباً نصف عدد جرمی ایزوتوپ هدف می‌انجامد.

واپاشی رادیوایزوتوپ[ویرایش]

رادیوایزوتوپ را می‌توان از واپاشی رادیوایزوتوپ‌های سنگین هم تولید کرد که در این صورت رادیوایزوتوپ بدست آمده را رادیوایزوتوپ دختر می‌گویند. در یک سری رادیواکتیو، رادیوایزوتوپ دختر به‌طور پیوسته از واپاشی رادیوایزوتوپ مادر تولید می‌شود و با آهنگ واپاشی خود از بین می‌رود. مثل سری اورانیوم یا سری توریوم که تولید رادیوایزوتوپ‌های دختر می‌کنند.

تولید رادیوایزوتوپ‌ها[ویرایش]

راکتورهای اتمی، ابزار اصلی ساخت رادیو ایزوتوپ‌های مصنوعی هستند و به عنوان منابع تولید نوترون محسوب می‌شوند که وابسته به فرایند شکافت هسته‌ای برای تولید نوترون می‌باشند. رادیو ایزوتوپ‌ها یا عناصر رادیو اکتیو در رآکتورهای هسته‌ای عموماً از دو طریق تولید می‌شوند:

  1. شکافت
  2. بمباران نوترونی

شکافت[ویرایش]

وقتی که هستهٔ اورانیوم-۲۳۵ یک نوترون جذب کند، به صورت یک هسته ناپایدار در می‌آید، که بی‌درنگ به دو اتم کوچکتر شکسته می‌شود (پاره‌های شکافت). این فرایند همچنین با تولید دو یا سه نوترون و مقداری انرژی همراه است. نوترون‌های آزاد شده قادرند که هسته اورانیم -۲۳۵ دیگری را بمباران کرده و شکافت‌های متعددی را به وجود آورند. این شکافت منجر به واکنش هسته‌ای زنجیره‌ای خودنگهدار می‌شود. خیلی از رادیو ایزوتوپ‌ها یا رادیو نوکلیدهای مفید نظیر ید-۱۳۱، مولیبدن-۹۹، زنون-۱۳۳ و سزیم-۱۳۷ در بیشتر واکنش‌های شکافت اورانیوم-۲۳۵ حاصل می‌گردند. معمولاً برای این منظور مقادیر کمی از اورانیوم-۲۳۵ را در رآکتور قرار می‌دهند و پس از مراحلی عملیات جداسازی ایزوتوپ‌ها را انجام می‌دهند.

برای جداسازی رادیو ایزوتوپ‌های مشخص و مورد نظر می‌توان از تکنیک‌های جداسازی شیمیایی مثل رسوب سازی، استخراج حلالی، تبادل یونی، الکترولیز، تقطیر، کروماتوگرافی و… استفاده کرد.

بمباران نوترونی[ویرایش]

در بمباران نوترونی، هسته‌های پایدار مورد هدف که یک نوترون جذب می‌کنند، حاصل این برهم کنش تولید یک رادیو ایزوتوپ غنی شده از نوترون می‌باشد؛ لذا رایج‌ترین واکنش طی فرایند فوق واکنش گاما n است. بسیاری از رادیو ایزوتوپ‌های مهم در صنعت مثل کبالت-۶۰ و ایریدیم-۱۹۲ از طریق همین واکنش روی هسته‌های پایدار کبالت-۵۹ و ایریدیم-۱۹۱ انجام می‌پذیرد. وجود طیف وسیعی از فلاکس نوترون در محدوده نوترون در ثانیه بر سانتیمتر مربع، دسترسی نسبی به انرژی‌های متفاوت از نوترون و قابلیت تولید رادیو ایزوتوپ‌های متنوع به‌دلیل سطح مقطع مناسب اکثر ایزوتوپ‌ها و همچنین وجود امکانات جانبی، سهولت این استفاده را میسر می‌سازد. احتمالاً ممکن است از رآکتورهای قدرت هم برای تولید برخی از رادیو ایزوتوپ‌ها با نیمه عمر طولانی، مقیاس زیاد، اکتیویته بیشتر استفاده گردد.

(پایدار) ۸۱Rb→۸۱Kr→۸۱Kr

منابع[ویرایش]

پیوند به بیرون[ویرایش]

A synthetic radioisotope is a radionuclide that is not found in nature: no natural process or mechanism exists which produces it, or it is so unstable that it decays away in a very short period of time. Examples include technetium-95 and promethium-146. Many of these are found in, and harvested from, spent nuclear fuel assemblies. Some must be manufactured in particle accelerators.

Production

Some synthetic radioisotopes are extracted from spent nuclear reactor fuel rods, which contain various fission products. For example, it is estimated that up to 1994, about 49,000 terabecquerels (78 metric ton) of technetium was produced in nuclear reactors, which is by far the dominant source of terrestrial technetium.[1]

Some synthetic isotopes are produced in significant quantities by fission but are not yet being reclaimed. Other isotopes are manufactured by neutron irradiation of parent isotopes in a nuclear reactor (for example, Tc-97 can be made by neutron irradiation of Ru-96) or by bombarding parent isotopes with high energy particles from a particle accelerator.[2][3]

Many isotopes are produced in cyclotrons, for example fluorine-18 and oxygen-15 which are widely used for positron emission tomography.[4]

Uses

Most synthetic radioisotopes have a short half-life. Though a health hazard, radioactive materials have many medical and industrial uses.

Nuclear medicine

The field of nuclear medicine covers use of radioisotopes for diagnosis or treatment.

Diagnosis

Radioactive tracer compounds, radiopharmaceuticals, are used to observe the function of various organs and body systems. These compounds use a chemical tracer which is attracted to or concentrated by the activity which is being studied. That chemical tracer incorporates a short lived radioactive isotope, usually one which emits a gamma ray which is energetic enough to travel through the body and be captured outside by a gamma camera to map the concentrations. Gamma cameras and other similar detectors are highly efficient, and the tracer compounds are generally very effective at concentrating at the areas of interest, so the total amounts of radioactive material needed are very small.

The metastable nuclear isomer Tc-99m is a gamma-ray emitter widely used for medical diagnostics because it has a short half-life of 6 hours, but can be easily made in the hospital using a technetium-99m generator. Weekly global demand for the parent isotope molybdenum-99 was 440 TBq (12,000 Ci) in 2010, overwhelmingly provided by fission of uranium-235.[5]

Treatment

Several radioisotopes and compounds are used for medical treatment, usually by bringing the radioactive isotope to a high concentration in the body near a particular organ. For example, iodine-131 is used for treating some disorders and tumors of the thyroid gland.

Industrial radiation sources

Alpha particle, beta particle, and gamma ray radioactive emissions are industrially useful. Most sources of these are synthetic radioisotopes. Areas of use include the petroleum industry, industrial radiography, homeland security, process control, food irradiation and underground detection.[6][7][8]

Footnotes

  1. ^ Yoshihara, K (1996). "Technetium in the environment". In Yoshihara, K; Omori, T (eds.). Technetium and Rhenium Their Chemistry and Its Applications. Topics in Current Chemistry. 176. Springer. doi:10.1007/3-540-59469-8_2. ISBN 978-3-540-59469-7.
  2. ^ "Radioisotope Production". Brookhaven National Laboratory. 2009. Archived from the original on 6 January 2010.CS1 maint: BOT: original-url status unknown (link)
  3. ^ Manual for reactor produced radioisotopes. Vienna: IAEA. 2003. ISBN 92-0-101103-2.
  4. ^ Cyclotron Produced Radionuclides: Physical Characteristics and Production Methods. Vienna: IAEA. 2009. ISBN 978-92-0-106908-5.
  5. ^ "Production and Supply of Molybdenum-99" (PDF). IAEA. 2010. Retrieved 4 March 2018.
  6. ^ Greenblatt, Jack A. (2009). "Stable and Radioactive Isotopes: Industry & Trade Summary" (PDF). Office of Industries. United States International Trade Commission.
  7. ^ Rivard, Mark J.; Bobek, Leo M.; Butler, Ralph A.; Garland, Marc A.; Hill, David J.; Krieger, Jeanne K.; Muckerheide, James B.; Patton, Brad D.; Silberstein, Edward B. (August 2005). "The US national isotope program: Current status and strategy for future success" (PDF). Applied Radiation and Isotopes. 63 (2): 157–178. doi:10.1016/j.apradiso.2005.03.004.
  8. ^ Branch, Doug (2012). "Radioactive Isotopes in Process Measurement" (PDF). VEGA Controls. Retrieved 4 March 2018.

External links