ایزوتوپ پرتوزا

یک ساچمه رادیو ایزوتوپ پلوتونیومی

ایزوتوپ‌های پرتوزا را ایزوتوپ‌های ناپایدار نیز می گویند. در این گونه از ایزوتوپ هسته به صورت پرتوی آلفا، بتا، گیراندازی الکترون و... واپاشی می‌شود و به حالتهای پایدارتری از انرژی می‌رسد.

پیشینه

در سال ۱896 هانری بکرل دریافت که اورانیوم، ماده‌ای پرتوزا است. اندکی بعد، ایزوتوپ‌های موجود در طبیعت مانند رادیوم و پلونیوم شناسایی شدند. بسیاری از رادیوایزوتوپهای طبیعی دارای نیم عمری طولانی (بزرگتر از ۱۰۰۰ سال) اند.

حالت پایداری رادیوایزوتوپ

رادیوایزوتوپها با گسیل پرتوهای الکترومغناطیس یا ذرات باردار به سوی پایداری پیش می‌روند. سه فرآیندی که از طریق آنها یک رادیوایزوتوپ سعی می‌کند به پایداری برسد، واپاشی آلفا، بتا و گاما نامیده می‌شوند.

علت وجود رادیوایزوتوپها

دو نوع نیروی قوی هسته‌ای و الکترومغناطیسی، پایداری یک هسته را مشخص می‌کند. نیروهای قوی میان یک جفت نوکلئون (مانند پروتون - پروتون یا نوترون - نوترون) عمل می‌کنند. آنها از نوع نیروی ربایش اند. نیروهای الکترومغناطیسی، تنها میان پروتون‌ها عمل می‌کند و رانشی است. عدم تعادل بین این دو نیرو منجر به ناپایداری و وجود رادیوایزوتوپ می‌شود. رادیوایزوتوپها می‌توانند مثل رادیوم، پلوتونیوم، اورانیوم بطور طبیعی وجود داشته باشند یا به روش‌های آزمایشگاهی پدید آیند.

ایزوتوپ‌های پرتوزای آزمایشگاهی

مقالهٔ اصلی: ایزوتوپ پرتوزای مصنوعی

رادیوایزوتوپهای مصنوعی به یکی از روش‌های اساسی زیر تولید می‌شود:

پرتودهی ایزوتوپهای پایدار در یک راکتور

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+1 و عدد اتمی Z است که در این رادیوایزوتوپ γ گسیل می‌شود.

پرتودهی ایزوتوپهای پایدار در یک شتابدهنده یا سیکلوترون

شتابدهنده یا سیکلوترون چشمه تعداد زیادی از ذرات باردار پر انرژی در محدوده Meu (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 11P پروتون و AZ+1Y رادیوایزوتوپ حاصله با عدد جرمی A و عدد اتمی Z+1 و n نیز نوترون می‌باشد.

شکافت ایزوتوپهای سنگینتر

از شکافت ایزوتوپهای سنگین تر می‌توان ایزوتوپ‌های پرتوزای سبکتر تولید کرد. اندکی پس از کشف پدیدهٔ پرتوزایی، معلوم شد که رادیواکتیو طبیعی مانند 22688Ru (رادیوم ۲۲۶) و 23296Th (توریوم ۲۳۲) و 21084Po (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 تقریبا نصف عدد جرمی ایزوتوپ هدف می‌انجامد.

واپاش رادیوایزوتوپ

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 بطور 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 رادیو ایزوتوپ‌ها در راکتور

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 راکتورهای هسته‌ای عموما از دو طریق تولید می‌شوند:

1. شکافت
2. بمباران نوترونی

شکافت

وقتی که هستهٔ اورانیم -۲۳۵ یک نوترون جذب کند، به صورت یک هسته ناپایدار در می‌آید، که بی درنگ به دو اتم کوچکتر شکسته می‌شود (پاره‌های شکافت). این فرآیند 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 بوجود آورند. این شکافت منجر به واکنش هسته‌ای زنجیره‌ای خودنگهدار می‌شود. خیلی از رادیو ایزوتوپ‌ها یا رادیو نوکلوییدهای مفید نظیر ید-۱۳۱، مولیبدن-۹۹، زنون-۱۳۳ و سزیم-۱۳۷ در بیشتر واکنش‌های شکافت اورانیم-۲۳۵ حاصل می‌گردند. معمولا برای این منظور مقادیر کمی از اورانیم-۲۳۵ را در راکتور قرار می‌دهند و پس از مراحلی عملیات جدا سازی ایزوتوپ‌ها را انجام می‌دهند.

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

بمباران نوترونی

در بمباران نوترونی، هسته‌های پایدار مورد هدف که یک نوترون جذب می‌کنند، حاصل این بر هم کنش تولید یک رادیو ایزوتوپ غنی شده از نوترون می‌باشد. لذا رایج ترین 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 شار نوترون در محدوده نوترون در ثانیه بر سانتیمتر مربع، دسترسی نسبی به انرژی‌های متفاوت از نوترون و قابلیت تولید رادیو ایزوتوپ‌های متنوع بدلیل سطح مقطع مناسب اکثر ایزوتوپ‌ها و همچنین وجود امکانات جانبی، سهولت این استفاده را میسر می‌سازد. احتمالا ممکن است از راکتورهای قدرت هم برای تولید برخی از رادیو ایزوتوپ‌ها با نیمه عمر طولانی، مقیاس زیاد، اکتیویته بیشتر استفاده گردد.

(پایدار) 81Rb→81Kr→81Kr

فهرست رادیو ایزوتوپ‌های تجاری در دسترس

تنها امواج گاما

Isotope	Activity	Half-life	Energies (KeV)
ایزوتوپ‌های باریم	9694 TBq/Kg (262 Ci/g)	10.7 years	۸۱٫۰, ۳۵۶٫۰
ایزوتوپ‌های کادمیم	96200 TBq/Kg (2600 Ci/g)	453 days	۸۸٫۰
ایزوتوپ‌های کبالت	312280 TBq/Kg (8440 Ci/g)	270 days	۱۲۲٫۱
کبالت-۶۰	40700 TBq/Kg (1100 Ci/g)	5.27 years	۱۱۷۳٫۲, ۱۳۳۲٫۵
ایزوتوپ‌های یوروپیم	6660 TBq/Kg (180 Ci/g)	13.5 years	۱۲۱٫۸, ۳۴۴٫۳, ۱۴۰۸٫۰
ایزوتوپ‌های منگنز	287120 TBq/Kg (7760 Ci/g)	312 days	۸۳۴٫۸
ایزوتوپ‌های سدیم	237540 Tbq/Kg (6240 Ci/g)	2.6 years	۵۱۱٫۰, ۱۲۷۴٫۵
ایزوتوپ‌های روی	304510 TBq/Kg (8230 Ci/g)	244 days	۵۱۱٫۰, ۱۱۱۵٫۵
تکنیتیوم-۹۹m	۱٫۹۵ × ۱۰۴ TBq/g (5.27 × 10۷ Ci/g)	6 hours	۱۴۰

تنها امواج بتا

Isotope	Activity	Half-life	Energies (KeV)
استرانسیم ۹۰	5180 TBq/Kg (140 Ci/g)	28.5 years	۵۴۶٫۰
ایزوتوپ‌های تالیم	17057 TBq/Kg (461 Ci/g)	3.78 years	۷۶۳٫۴
Carbon-14	166.5 TBq/Kg (4.5 Ci/g)	5730 years	49.5 (average)
تریتیوم (Hydrogen-3)	357050 TBq/Kg (9650 Ci/g)	12.32 years	5.7 (average)

تنها امواج آلفا

Isotope	Activity	Half-life	Energies (KeV)
ایزوتوپ‌های پولونیم	166500 TBq/Kg (4500 Ci/g)	138 days	۵۳۰۴٫۵
اورانیم-۲۳۸	12580 KBq/Kg (0.00000034 Ci/g)	4.468 billion years	۴۲۶۷

منابع

• Bushberg، et al. The Essential Physics of Medical Imaging، ۲۰۰۲