Hạt nhân phóng xạ

Một hạt nhân phóng xạ (hoặc đồng vị phóng xạ) là một nguyên tử có năng lượng hạt nhân dư thừa, làm cho nó không ổn định. Năng lượng dư thừa này có thể được sử dụng theo một trong ba cách: phát ra từ hạt nhân dưới dạng bức xạ gamma; chuyển đến một trong số các electron của nó để giải phóng nó dưới dạng electron chuyển đổi; hoặc được sử dụng để tạo và phát ra một hạt mới (hạt alpha hoặc hạt beta) từ hạt nhân. Trong các quá trình đó, hạt nhân phóng xạ được cho là trải qua quá trình phân rã phóng xạ.[1]Những phát thải này được coi là bức xạ ion hóa vì chúng đủ mạnh để giải phóng một electron khỏi một nguyên tử khác. Sự phân rã phóng xạ có thể tạo ra một hạt nhân ổn định hoặc đôi khi sẽ tạo ra một hạt nhân phóng xạ không ổn định mới có thể trải qua quá trình phân rã hơn nữa. Phân rã phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên ở cấp độ của các nguyên tử đơn lẻ: không thể dự đoán khi nào một nguyên tử cụ thể sẽ phân rã.[2] [3] [4] [5] Tuy nhiên, đối với tập hợp các nguyên tử của một nguyên tố, tốc độ phân rã và do đó chu kỳ bán rã (t 1/2) cho tập hợp đó có thể được tính từ hằng số phân rã đo được của chúng. Phạm vi chu kỳ bán rã của các nguyên tử phóng xạ không có giới hạn đã biết và kéo dài phạm vi thời gian trên 55 bậc độ lớn.

Các hạt nhân phóng xạ xảy ra tự nhiên hoặc được sản xuất nhân tạo trong các lò phản ứng hạt nhân, cyclotron, máy gia tốc hạt hoặc máy phát hạt nhân phóng xạ. Có khoảng 730 hạt nhân phóng xạ có thời gian bán hủy dài hơn 60 phút (xem danh sách các hạt nhân). Ba mươi hai trong số đó là các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy được tạo ra trước khi Trái Đất được hình thành. Ít nhất 60 hạt nhân phóng xạ khác có thể được phát hiện trong tự nhiên, là kết quả của hạt nhân phóng xạ nguyên thủy hoặc là hạt nhân phóng xạ được tạo ra thông qua sản xuất tự nhiên trên Trái Đất bằng bức xạ vũ trụ. Hơn 2400 hạt nhân phóng xạ có thời gian bán hủy dưới 60 phút. Hầu hết trong số đó chỉ được sản xuất một cách nhân tạo, và có thời gian bán hủy rất ngắn. Để so sánh, có khoảng 252các hạt nhân ổn định. (Về lý thuyết, chỉ có 146 trong số đó là ổn định, và 106 khác được cho là phân hủy (phân rã alpha hoặc phân rã beta hoặc phân rã beta đôi hoặc chụp điện tử hoặc chụp điện tử kép))

Tất cả các nguyên tố hóa học có thể tồn tại dưới dạng các hạt nhân phóng xạ. Ngay cả nguyên tố nhẹ nhất, hydro, cũng có một hạt nhân phóng xạ nổi tiếng, triti. Các nguyên tố nặng hơn chì, và các nguyên tố tecneti và promethium, chỉ tồn tại dưới dạng các hạt nhân phóng xạ. (Về lý thuyết, các nguyên tố nặng hơn so với dysprosium chỉ tồn tại dưới dạng hạt nhân phóng xạ, nhưng thời gian bán hủy cho một số nguyên tố như vậy (ví dụ như vàng và bạch kim) quá dài để tìm thấy)

Phơi nhiễm ngoài ý muốn với các hạt nhân phóng xạ thường có tác động có hại đối với các sinh vật sống bao gồm cả con người, mặc dù mức độ phơi nhiễm thấp xảy ra tự nhiên mà không gây hại. Mức độ gây hại sẽ phụ thuộc vào tính chất và mức độ của bức xạ được tạo ra, mức độ và tính chất tiếp xúc (tiếp xúc gần, hít hoặc nuốt) và đặc tính sinh hóa của nguyên tố; với nguy cơ ung thư tăng lên, hậu quả thông thường nhất. Tuy nhiên, các hạt nhân phóng xạ có đặc tính phù hợp được sử dụng trong y học hạt nhân cho cả chẩn đoán và điều trị. Một chất đánh dấu hình ảnh được làm bằng các hạt nhân phóng xạ được gọi là chất đánh dấu phóng xạ. Một loại dược phẩm được sản xuất với các hạt nhân phóng xạ được gọi là dược phẩm phóng xạ.

Nguồn gốc

Tự nhiên
Trên Trái Đất, các hạt nhân phóng xạ xuất hiện tự nhiên thuộc ba loại: hạt nhân phóng xạ nguyên thủy, hạt nhân phóng xạ thứ cấp và hạt nhân phóng xạ vũ trụ.

Các hạt nhân phóng xạ được tạo ra trong quá trình tổng hợp hạt nhân và vụ nổ siêu tân tinh cùng với các hạt nhân ổn định. Hầu hết phân rã nhanh chóng nhưng vẫn có thể được quan sát thiên văn và có thể đóng một phần trong việc hiểu các quá trình thiên văn. Các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy, như uranium và thorium, tồn tại trong thời đại hiện nay bởi vì thời gian bán hủy của chúng quá dài (> 100 triệu năm) mà chúng vẫn chưa phân rã hoàn toàn. Một số hạt nhân phóng xạ có thời gian bán hủy quá lâu (gấp nhiều lần tuổi của vũ trụ) mà sự phân rã mới chỉ được phát hiện gần đây và đối với hầu hết các mục đích thực tế, chúng có thể được coi là ổn định, đáng chú ý nhất là bismuth-209: phát hiện sự phân rã này có nghĩa là bismuth đã không còn được coi là ổn định. Có thể quan sát thấy sự phân rã trong các hạt nhân khác, thêm vào danh sách các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy này.
Các hạt nhân phóng xạ thứ cấp là các đồng vị phóng xạ có nguồn gốc từ sự phân rã của các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy. Chúng có thời gian bán hủy ngắn hơn các hạt nhân phóng xạ nguyên thủy. Chúng phát sinh trong chuỗi phân rã của các đồng vị nguyên thủy thorium-232, uranium-238 và uranium-235. Các ví dụ bao gồm các đồng vị tự nhiên của polonium và radium.
Các đồng vị vũ trụ, chẳng hạn như carbon-14, có mặt vì chúng liên tục được hình thành trong khí quyển do các tia vũ trụ.[6]

Nhiều trong số các hạt nhân phóng xạ này chỉ tồn tại với số lượng dấu vết trong tự nhiên, bao gồm tất cả các hạt nhân vũ trụ. Các hạt nhân phóng xạ thứ cấp sẽ xảy ra tương ứng với thời gian bán hủy của chúng, vì vậy những hạt có thời gian sống ngắn sẽ rất hiếm. Ví dụ, polonium có thể được tìm thấy trong quặng urani ở mức khoảng 0,1&nbsp;mg mỗi tấn (1 phần trong 10 10).[7] [8] Các radionunclides khác có thể xảy ra trong tự nhiên với số lượng hầu như không thể phát hiện được do hậu quả của các sự kiện hiếm gặp như phân hạch tự phát hoặc tương tác tia vũ trụ không phổ biến.

Phân hạch hạt nhân
Các hạt nhân phóng xạ được sản xuất như một kết quả không thể tránh khỏi của sự phân hạch hạt nhân và vụ nổ nhiệt hạch. Quá trình phân hạch hạt nhân tạo ra một loạt các sản phẩm phân hạch, hầu hết trong số đó là các hạt nhân phóng xạ. Các hạt nhân phóng xạ hơn nữa có thể được tạo ra từ sự chiếu xạ của nhiên liệu hạt nhân (tạo ra một loạt các actinide) và của các cấu trúc xung quanh, mang lại các sản phẩm kích hoạt. Hỗn hợp phức tạp này của các hạt nhân phóng xạ với các hóa chất và phóng xạ khác nhau làm cho việc xử lý chất thải hạt nhân và xử lý bụi phóng xạ hạt nhân đặc biệt có vấn đề.

Tổng hợp
Các hạt nhân alpha nhân tạo phát ra hạt nhân -241 được đưa vào buồng mây để hình dung Một  Một

Các hạt nhân phóng xạ tổng hợp được cố tình tổng hợp bằng cách sử dụng các lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hạt hoặc máy phát hạt nhân phóng xạ:

Cùng với việc được chiết xuất từ chất thải hạt nhân, đồng vị phóng xạ có thể được sản xuất có chủ ý với các lò phản ứng hạt nhân, khai thác dòng neutron cao hiện diện. Những neutron kích hoạt các yếu tố được đặt trong lò phản ứng. Một sản phẩm điển hình từ lò phản ứng hạt nhân là iridium-192. Các nguyên tố có xu hướng lớn để chiếm các neutron trong lò phản ứng được cho là có tiết diện neutroncao.
Máy gia tốc hạt như cyclotron tăng tốc các hạt để bắn phá mục tiêu để tạo ra các hạt nhân phóng xạ. Cyclotron tăng tốc các proton tại một mục tiêu để tạo ra các hạt nhân phóng xạ positron, ví dụ như flo-18.
Máy phát hạt nhân phóng xạ có chứa một hạt nhân phóng xạ cha mẹ phân rã để tạo ra con gái phóng xạ. Cha mẹ thường được sản xuất trong một lò phản ứng hạt nhân. Một ví dụ điển hình là máy phát Technetium-99m được sử dụng trong y học hạt nhân. Cha mẹ được sản xuất trong lò phản ứng là molybdenum-99.

Sử dụng
Các hạt nhân phóng xạ được sử dụng theo hai cách chính: hoặc cho riêng bức xạ của chúng (chiếu xạ, pin hạt nhân) hoặc cho sự kết hợp các tính chất hóa học và bức xạ của chúng (tracers, dược phẩm sinh học).

Trong sinh học, các hạt nhân phóng xạ của carbon có thể đóng vai trò là các chất phóng xạ vì chúng rất giống với các hạt nhân không hoạt động, vì vậy hầu hết các quá trình hóa học, sinh học và sinh thái xử lý chúng theo cách gần giống nhau. Sau đó, người ta có thể kiểm tra kết quả bằng máy dò phóng xạ, chẳng hạn như bộ đếm Geiger, để xác định nơi các nguyên tử được cung cấp được kết hợp. Ví dụ, người ta có thể nuôi cây trong một môi trường trong đó carbon dioxide chứa carbon phóng xạ; sau đó các bộ phận của nhà máy kết hợp carbon trong khí quyển sẽ bị nhiễm phóng xạ. Các hạt nhân phóng xạ có thể được sử dụng để theo dõi các quá trình như sao chép DNA hoặc axit amin vận chuyển.
Trong y học hạt nhân, đồng vị phóng xạ được sử dụng để chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu. Các chất hóa học phóng xạ phát ra tia gamma hoặc positron có thể cung cấp thông tin chẩn đoán về giải phẫu bên trong và hoạt động của các cơ quan cụ thể, bao gồm cả não người.[9] [10] [11] Điều này được sử dụng trong một số hình thức chụp cắt lớp: Chụp cắt lớp phát xạ đơn photon và chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và chụp ảnh phát quang Cherenkov. Đồng vị phóng xạ cũng là một phương pháp điều trị trong các dạng khối u tạo máu; sự thành công trong điều trị khối u rắn đã bị hạn chế. Nguồn gamma mạnh hơn khử trùng ống tiêm và các thiết bị y tế khác.
Trong bảo quản thực phẩm, bức xạ được sử dụng để ngăn chặn sự nảy mầm của cây trồng sau khi thu hoạch, để tiêu diệt ký sinh trùng và sâu bệnh, và để kiểm soát sự chín của trái cây và rau quả được lưu trữ.
Trong công nghiệp và trong khai thác, các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để kiểm tra các mối hàn, phát hiện rò rỉ, nghiên cứu tốc độ hao mòn, ăn mòn và ăn mòn kim loại và phân tích trực tuyến một loạt các khoáng chất và nhiên liệu.
Trong tàu vũ trụ và các nơi khác, các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để cung cấp năng lượng và nhiệt, đặc biệt là thông qua các máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ(RTGs).
Trong thiên văn học và vũ trụ học, các hạt nhân phóng xạ đóng một vai trò trong việc tìm hiểu quá trình sao và hành tinh.
Trong vật lý hạt, các hạt nhân phóng xạ giúp khám phá vật lý mới (vật lý ngoài Mô hình chuẩn) bằng cách đo năng lượng và động lượng của các sản phẩm phân rã beta của chúng.[12]
Trong sinh thái học, các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để theo dõi và phân tích các chất ô nhiễm, để nghiên cứu sự chuyển động của nước mặt và để đo dòng chảy của nước từ mưa và tuyết, cũng như tốc độ dòng chảy của sông suối.
Trong địa chất, khảo cổ học và cổ sinh vật học, các hạt nhân phóng xạ tự nhiên được sử dụng để đo tuổi của đá, khoáng chất và vật liệu hóa thạch.

Ví dụ
Bảng sau liệt kê các thuộc tính của các hạt nhân phóng xạ được chọn minh họa phạm vi của các thuộc tính và cách sử dụng.

Khóa: Z = số nguyên tử; N = số neutron; DM = chế độ phân rã; DE = năng lượng phân rã; EC = bắt electron

Đầu báo khói hộ gia đình
Container Americium-241 trong một máy dò khói.
Viên nang Americium-241 như được tìm thấy trong máy dò khói. Vòng tròn của kim loại tối hơn ở trung tâm là Americaium-241; Vỏ bọc xung quanh là nhôm.

Các hạt nhân phóng xạ có mặt trong nhiều ngôi nhà vì chúng được sử dụng bên trong các máy dò khói phổ biến nhất trong gia đình. Các hạt nhân phóng xạ được sử dụng là Americaium-241, được tạo ra bằng cách bắn phá plutoni bằng neutron trong lò phản ứng hạt nhân. Nó phân rã bằng cách phát ra các hạt alpha và bức xạ gamma để trở thành neptunium-237. Máy dò khói sử dụng một lượng rất nhỏ là 241 Am (khoảng 0,29 microgam trên mỗi đầu báo khói) ở dạng khí dioxide của Mỹ.241 Am được sử dụng vì nó phát ra các hạt alpha làm ion hóa không khí trong buồng ion hóa của máy dò. Một điện áp nhỏ được đặt vào không khí bị ion hóa tạo ra dòng điện nhỏ. Khi có khói, một số ion bị trung hòa, do đó làm giảm dòng điện, kích hoạt báo động của máy dò.[13] [14]

Tác động đến sinh vật
Các hạt nhân phóng xạ tìm đường vào môi trường có thể gây ra các tác động có hại như ô nhiễm phóng xạ. Chúng cũng có thể gây ra thiệt hại nếu chúng được sử dụng quá mức trong quá trình điều trị hoặc theo những cách khác tiếp xúc với sinh vật, do nhiễm độc phóng xạ. Thiệt hại sức khỏe tiềm ẩn do tiếp xúc với các hạt nhân phóng xạ phụ thuộc vào một số yếu tố và "có thể làm hỏng các chức năng của các mô / cơ quan khỏe mạnh. Tiếp xúc với bức xạ có thể tạo ra các hiệu ứng từ đỏ da và rụng tóc, bỏng bỏng và hội chứng bức xạ cấp tính. dẫn đến các tế bào bị hư hại và lần lượt dẫn đến ung thư. Dấu hiệu của các tế bào ung thư có thể không xuất hiện cho đến nhiều năm, hoặc thậm chí nhiều thập kỷ, sau khi tiếp xúc. " [6]

Bảng tóm tắt cho các lớp của các hạt nhân, "ổn định" và phóng xạ
Sau đây là bảng tóm tắt cho tổng danh sách các hạt nhân có chu kỳ bán rã lớn hơn một giờ. Chín mươi trong số 989 hạt nhân này ổn định về mặt lý thuyết, ngoại trừ phân rã proton (điều này chưa từng được quan sát). Khoảng 252 hạt nhân chưa bao giờ được quan sát thấy để phân rã và được coi là ổn định.

Các hạt nhân phóng xạ được lập bảng còn lại có thời gian bán hủy dài hơn 1 giờ và được đặc trưng tốt (xem danh sách các hạt nhân để lập bảng hoàn chỉnh). Chúng bao gồm 30 hạt nhân có chu kỳ bán rã dài hơn tuổi ước tính của vũ trụ (13,8 tỷ năm [16]) và bốn loại hạt nhân khác có chu kỳ bán rã đủ dài (> 100 triệu năm) rằng chúng là các hạt nhân nguyên thủy phóng xạ và có thể được phát hiện trên Trái Đất, sống sót sau sự hiện diện của chúng trong bụi liên sao kể từ trước khi hình thành hệ mặt trời, khoảng 4,6 tỷ năm trước. 60+ nuclêôtit ngắn khác có thể được phát hiện một cách tự nhiên là con gái của các hạt nhân sống lâu hơn hoặc các sản phẩm tia vũ trụ. Các hạt nhân được biết đến còn lại chỉ được biết đến từ nhân tạobiến đổi hạt nhân.

Các con số không chính xác và có thể thay đổi một chút trong tương lai, vì "các hạt nhân ổn định" được quan sát là có tính phóng xạ với chu kỳ bán rã rất dài.

Đây là bảng tóm tắt [17] cho 989 hạt nhân có thời gian bán hủy dài hơn một giờ (bao gồm cả những loại ổn định), được đưa ra trong danh sách các hạt nhân.

Danh sách hạt nhân phóng xạ thương mại
Danh sách này bao gồm những đồng phân phổ biến, hầu hết được cung cấp ở số lượng rất nhỏ cho đại chúng ở hầu hết quốc gia.

Chỉ phát xạ gamma

Chỉ phát xạ Beta

Chỉ phát xạ Alpha

Phát xạ nhiều thành phần

Chú thích