ایزوتوپ پرتوزا

ایزوتوپ‌های پرتوزا را ایزوتوپ‌های ناپایدار هم می‌گویند. در این‌گونه از ایزوتوپ هسته به صورت پرتوی آلفا، بتا، گیراندازی الکترون و… واپاشی می‌شود و به حالتهای پایدارتری از انرژی می‌رسد.این نوع ایزوتوپ‌ها با اینکه خطرناک هستند، اما در زندگی کاربردهای مفیدی دارند. مثلا ایزوتوپ ناپایدار، در کارهایی مانند تولید انرژی، شناسایی و درمان بیماری‌ها، تشخیص آتش سوزی و ... کاربرد دارد.

پیشینه

در سال ۱۸۹۶ 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 هسته‌ای قوی و الکترومغناطیسی، پایداری یک هسته را مشخص می‌کند. نیروهای قوی میان یک جفت نوکلئون (مانند پروتون - پروتون یا نوترون ) عمل می‌کنند. آن‌ها از نوع نیروی ربایش‌اند. 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 به‌طور طبیعی وجود داشته باشند یا به روش‌های آزمایشگاهی پدید آیند.

ایزوتوپ‌های پرتوزای آزمایشگاهی

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.
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.
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 تقریباً 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 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.

شکافت

وقتی که هستهٔ اورانیم -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 نوکلوییدهای مفید نظیر ید-۱۳۱، مولیبدن-۹۹، زنون-۱۳۳ و سزیم-۱۳۷ در بیشتر واکنش‌های شکافت اورانیم-۲۳۵ حاصل می‌گردند. معمولاً برای این منظور مقادیر کمی از اورانیم-۲۳۵ را در راکتور 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

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 شار نوترون در محدوده نوترون در ثانیه بر سانتیمتر مربع، دسترسی نسبی به انرژی‌های متفاوت از نوترون و قابلیت تولید رادیو ایزوتوپ‌های متنوع به دلیل سطح مقطع مناسب اکثر ایزوتوپ‌ها و همچنین وجود امکانات جانبی، سهولت این استفاده را میسر می‌سازد. احتمالاً ممکن است از راکتورهای قدرت هم برای تولید برخی از رادیو ایزوتوپ‌ها با نیمه عمر طولانی، مقیاس زیاد، اکتیویته بیشتر استفاده گردد.