Америциум-241

Америциум-241 ( Ам, Ам-241 ) е изотоп на америциум . Како и сите изотопи на америциум, тој е радиоактивен, со пeриод на полураспаѓање од години . Am е најчестиот изотоп на америциум, како и најраспространетиот изотоп на америциум во јадрениот отпад. Најчесто се наоѓа во јонизиран во детекторите за чад и е потенцијално гориво за долготрајни радиоизотопски термоелектрични генератори (RTG). Неговите вообичаени матични нуклиди се β од Pu, електронски рафат од Cm и α од Bk. Америциумот не е фисилен, но може да се расцепи, а критичната маса на гола сфера е 57,6-75,6 килограми и дијаметар на сфера од 19-21 центиметар . Америциум-241 има специфична активност од 3.43 кири по грам. Најчесто се наоѓа во форма на америциум-241 диоксид ( ). Овој изотоп има и една мета состојба, Am, со енергија на возбудување од 2.2 мегаелектронволти и период на полураспаѓање од μs . Присуството на Am во плутониум се одредува според оригиналната концентрација на плутониум-241 и староста на примерокот. Поради малата пенетрација на алфа зрачењето, америциум-241 e ризичен за здравјето само ако се внесе во телото или пак вдиши. Ако примерокот на плутониум е постар тој во себе содржи Pu и натрупан Am. Во некои случаи може да биде потребно хемиско отстранување на америциум-241 од преработен плутониум (на пр., при преработка на јами на плутониум ).
1 Нуклеосинтеза
Америциум-241 се произведува во мали количини во јадрени реактори со децении, а до сега се акумулирани многу килограми од Am. <sup class="reference nowrap">&#x3A;&#x200A;1262 година&#x200A;</sup>Како и да е, откако првпат бил изложен за продажба во 1962 година, неговата цена била околу за грам од Am. Оваа цена до денес останува речиси непроменета поради многу сложената процедура која треба да се изврши при раздвојување.
:<math>\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow [23.5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow [2.3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}</math>
Заробувањето на два неутрони со Pu (т.н. (n,γ) реакција), проследено со β-распаѓање, резултира со часот:
:<math>\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow {2~(n,\gamma)} \ ^{241}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [14.35 \ yr]{\beta^-} \ ^{241}_{\ 95}Am}</math>
Присуството на плутониумот во потрошеното јадрено гориво е околу 12% од Pu. Бидејќи се претвора во Am, Pu може да се извлече и може да се користи за да се генерираат дополнителни Am. Сепак, овој процес е прилично бавен: половина од првобитната количина од Pu се распаѓа на Am по околу 14 години, а количината од Am достигнува максимум по 70 години.
Добиениот Am може да се користи за генерирање на потешки изотопи на америциум со дополнително зафаќање на неутрони во јадрен реактор. Во реактор лесна вода (LWR - light-water reactor ), 79% од заробените неутрони на Am се претвораат во Am и 10% во неговиот јадрен изомер Am:: 79%: <math>\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am}</math>
2 Распаѓање
Америциум-241 се распаѓа главно преку алфа распаѓање, со слаб нуспроизвод на гама зраци . Приказ на α-распаѓањето :
Енергиите на α-распаѓање се 5,486 мегаелектронволти за од времето (оној што е широко прифатен за стандардна енергија на α-распаѓање), 5,443 MeV во 13% од времето и 5,388 MeV за останатите 2%. Енергијата на γ-зраци е 59.5409 keV во најголем дел, со мали количини на други енергии како 13,9 keV, 17,8 keV и 26,4 keV .
Вториот најчест тип на распаѓање на америциум-241 е со спонтана фузија, со сооднос на разгранување од 3.6×10 и се случува 1,2 пати во секунда по грам од Am. Може да се запише на следниов начин (ѕвездичката означува возбудено јадро):
<math>\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow~^{241}_{\ 95}Am^*\longrightarrow3^1_0n~+~fission~products~+energy~(\gamma)}
</math>
Најмалку вообичаен (најреток) тип на распаѓање за америциум-241 e <sup>34</sup> Si кластер распаѓање, со однос на распаѓање помал од 7.4×10<sup>−16</sup>. Прикажано тука:
<math>\mathrm{^{241\!\,}_{\ 95}Am\longrightarrow^{207}_{\ 81}Tl+^{34}_{14}Si}</math>
3 Примена
3.1 Јонизирачки тип на детектор за чад
Америцум-241 е единствениот синтетички изотоп што пронашол своја примена во домаќинството, каде што најчестиот тип детектор за чад (тип со јонизација) користи AmO<sub>2</sub> (америциум-241 диоксид) како негов извор на јонизирачко зрачење .
Овој изотоп се претпочита да се користи повеќе од <sup>226</sup> Ra бидејќи испушта 5пати повеќе алфа честички и релативно малку штетно гама зрачење. Со период на распаѓање од години америциумот во детекторот за чад се намалува и вклучува околу 3% нептуниум по години, а околу 5% по години. Количината на америциум во типичен нов детектор за чад е 0,29 микрограми (околу 1/3000 од тежината на мало зрно песок ) со активност од 1 микрокири. Некои стари индустриски детектори за чад (особено од корпорацијата Pyrotronics) можат да содржат до 80 микрокири . Количината на Am полека се намалува додека се распаѓа во нептуниум-237 ( Np), различен трансурански елемент со многу подолг полуживот (околу милиони години). Зрачените алфа честички минуваат низ комората за јонизација, простор исполнет со воздух помеѓу две електроди, што овозможува мала, постојана електрична струја да помине помеѓу кондензаторските плочи поради зрачењето што го јонизира воздушниот простор помеѓу. Секој чад што ќе навлезе во комората блокира/апсорбира дел од алфа честичките да не минуваат слободно и ја намалува јонизацијата и затоа предизвикува пад на струјата. Колото на алармот го детектира овој пад на струјата и како резултат на тоа, го активира пиезоелектричниот звучник да се огласи. Во споредба со алтернативниот оптички детектор за чад, детекторот за јонизирачки чад е поевтин и може да открие честички кои се премногу мали за да создадат значително расејување на светлината. Сепак, тој е повеќе склон кон лажни аларми .
3.1.1 Процес на производство
Процесот на правење америциум што се користи во копчињата на детекторите за чад започнува со америциум диоксид. AmO во својата основа е измешан со злато, обликуван во брикети и споен со притисок и топлина на над . Подлога од сребро и предна обвивка од злато (или легура на злато или паладиум ) се нанесуваат на брикетата и се зацврстуваат со топло ковање. Брикетот потоа се обработува низ неколку фази на ладно валање за да се постигне саканата дебелина и нивоа на емисија на зрачење. Конечната дебелина е околу 0,20 mm, при што златната обвивка претставува околу еден процент од дебелината. Добиената лента од фолијата, која е околу 20 mm широка, се сече на делови долго по 1 m. Изворите се издупчени од лентата со фолија. Секој диск, околу 5,1 mm во дијаметар, се монтира во метален држач, обично направен од алуминиум. Држачот е куќиштето, што е најголем дел од она што се гледа на копчето. Тенкиот раб на држачот се превртува за целосно да се запечати исечениот раб околу дискот.
3.2 РТГ (радиоизотопски термоелектричен генератор) производство на енергија
Бидејќи Am има ''приближно'' сличен период на полураспаѓање со Pu (432,2 години наспроти 87 години), тој е предложен како активен изотоп на радиоизотопски термоелектрични генератори, за употреба во вселенски летала. Иако америциум-241 произведува помалку топлина и електрична енергија од плутониум-238 (приносот на моќност е 114,7 миливолти за грам за Am наспроти 570 миливолти за грам за Pu) и неговото зрачење претставува поголема закана за луѓето поради емисијата на гама и неутрони, има предности за долготрајни мисии со значително подолг полуживот. Европската вселенска агенција работи на RTG базирани на америциум-241 за своите вселенски сонди како резултат на глобалниот недостиг на плутониум-238 и лесен пристап до америциум-241 во Европа од преработка на јадрен отпад.
Неговите барања за заштита во RTG се втори најниски од сите можни изотопи: само Pu бара помалку. Предност во однос на Pu е тоа што се произведува како јадрен отпад и е речиси изотопски чист.
3.3 Извор на неутрони
Оксидите од Ам притиснати со берилиум можат да бидат многу ефикасни извори на неутрони, бидејќи тие испуштаат алфа честички за време на радиоактивното распаѓање :
:<math>\mathrm{^{241\!\,}_{\ 95}Am\ \overset{432.2y}{\longrightarrow} \ ^{237}_{\ 93}Np\ +\ ^{4}_{2}\alpha^{2+} +\ \gamma~59.5~keV}</math>
Овде америциум делува како извор на алфа, а берилиумот произведува неутрони поради неговиот голем пресек за (α,n) јадрена реакција:
:<math>\mathrm{^{9}_{4}Be\ +\ ^{4}_{2}\alpha^{2+} \longrightarrow \ ^{12}_{\ 6}C\ +\ ^{1}_{0}n\ +\ \gamma}</math>
Најраспространета употреба на добиените неутрони од <sup>241</sup> AmBe е неутронска сонда – уред кој се користи за мерење на количината на вода присутна во почвата, како и влага/густина за контрола на квалитетот во изградбата на автопат. Am неутронските извори исто така се користат во апликации за евиденција на бунари, како и во неутронска радиографија, томографија и други радиохемиски испитувања.
3.4 Производство на други елементи
Америциум-241 понекогаш се користи како почетен материјал за производство на други трансурански елементи и трансактиниди - на пример, неутронското бомбардирање од Am дава Am:
<math>\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am}</math>
Оттука, 82,7% од Am се распаѓа на Cm и 17,3% до Pu:
82,7% → <math>\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am\ \xrightarrow [16.02 \ h]{\beta^-} \ ^{242}_{\ 96}Cm}</math>
17,3% → <math>\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am\ \xrightarrow [16.02 \ h]{\beta^+} \ ^{242}_{\ 94}Pu}</math>
Во јадрениот реактор, Am исто така се претвора со зафаќање на неутрони во Am и Am, што се трансформира со β-распаѓање на Cm:
:<math>\mathrm{^{242}_{\ 95}Am\xrightarrow {(n,\gamma)}~^{243}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{244}_{\ 95}Am\ \xrightarrow [10.1 \ h]{\beta^-} \ ^{244}_{\ 96}Cm}</math>
Зрачењето на Am со <sup data- data- data-ve-no-generated->12</sup> C или Ne јони дава ајнштајниум -253 ( Es) или дубниум -263 ( Db), соодветно. Понатаму, елементот беркелиум (изотоп Bk) првпат бил намерно произведен и идентификуван со бомбардирање на Am со алфа честички, во 1949 година, од истата група Беркли, користејќи ги истите 1500 mm циклотрон кој бил користен за многу претходни експерименти. <sup class="reference nowrap">&#x3A;&#x200A;1262 година&#x200A;</sup>
3.5 Спектрометар
Америциум-241 се користи како пренослив извор и на гама зраци и на алфа честички за голем број медицински и индустриски намени. Емисиите од 59,5409 keV гама зраци од Am во такви извори може да се користат за индиректна анализа на материјали во радиографија и рендгенска флуоресцентна спектроскопија, како и за контрола на квалитетот во фиксни мерачи на јадрена густина и јадрени густиномери. На пример, овој изотоп е употребен за да се измери дебелината на стаклото за да помогне во создавањето рамно стакло. <sup class="reference nowrap">&#x3A;&#x200A;1262 година&#x200A;</sup>Америцум-241 е исто така погоден за калибрација на спектрометри на гама-зраци во опсегот со ниска енергија.
3.6 Медицина
Гама зраците од америциум-241 биле користени за да се обезбеди пасивна дијагноза на функцијата на тироидната жлезда . Оваа медицинска практита сега е застарена. Гама зраците на Америциум-241 можат да обезбедат радиографија со прифатлив квалитет, со време на експозиција од 10 минути. Рендгенските снимки Am се направени само експериментално поради долгото време на експозиција што ја зголемува ефективната доза на живото ткиво. Намалувањето на времетраењето на изложеноста ја намалува можноста за настани на јонизација кои предизвикуваат оштетување на клетките и ДНК и е критична компонента во максимата „време, растојание, заштита“ што се користи во заштитата од радијација .
4 Опасности
Америциум-241 ги има истите општи опасности како и другите изотопи на америциум: тој е и екстремно токсичен и радиоактивен. Иако α-честичките може да се запрат со лист хартија, постојат сериозни здравствени проблеми за ингестија на α-емитери. Америциумот и неговите изотопи се исто така многу хемиски токсични, во форма на токсичност од тешки метали. Дури 0,03 микрокири е максимално дозволеното изложување на телото на Аm.
Америциум-241 е α-емитер со слаб нуспроизвод на γ-зраци. Безбедното ракување со америциум-241 бара познавање и следење на соодветни безбедносни мерки на претпазливост, бидејќи без нив тоа би било крајно опасно. Неговата специфична константа на гама доза е или на 1 метар .
Доколку се консумира, америциум-241 се излачува во рок од неколку дена и само 0,05% се апсорбира во крвта. Оттука, приближно 45% од него оди во црниот дроб и 45% во коските, а останатите 10% се излачуваат. Количеството кое ќе се внесе во црниот дроб зависи од поединецот и се зголемува со возраста. Во коските, америциумот прво се депонира на кортикалните и трабекуларните површини и полека се редистрибуира преку коската со текот на времето. Биолошкиот период на полураспаѓање на Amе години во коските и години во црниот дроб, додека во гонадите (тестисите и јајниците) останува трајно; во сите овие органи, америциумот промовира формирање на канцерогени клетки како резултат на неговата радиоактивност.
Америциум-241 често еадел во депониитекак дел од тфрлените детектори за чад . Правилата поврзани со отстранувањето на детекторите за чаднеесе многу строги во повеќето јурисдикции. Во САД, Дејвид Ханод „Radioactive Boy Scout“ успеал да добие концентриран америциум-241 од детекторите за чад, откако купил сто од нив по преостанати цени и исто така да украде неколку. Имало неколку случаи на изложеност на америциум-241, од кои најлош бил Харолд МекКласки кој, на 64-годишна возраст, бил изложен на 500 пати повеќе од професионалниот стандард за америциум-241 како резултат на експлозија во неговата лабораторија. МекКласки почина на 75-годишна возраст, не како резултат на изложеност, туку од срцева болест што ја имал пред несреќата. Америциум-241 е откриен и во океаните како резултат на јадрено испробување спроведено од различни земји.
5 Поврзано
* Изотопи на америциумот