Izotopi radioactivi (Radionuclizi)

Un radionuclid (nuclid radioactiv, radioizotop sau izotop radioactiv) este un atom care are exces de energie nucleară, făcându-l instabil. Această cantitate de energie excesivă poate fi folosită în trei moduri: emisă din nucleu ca radiație gama; transferatã la unul din electronii săi, pentru a-l elibera ca electron de conversie; sau folositã pentru a crea și emite o particulă nouă (particule alfa sau particule beta) din nucleu. În timpul acestor procese, se spune că radionuclidul suferă o dezintegrare radioactivă. Aceste emisii sunt considerate radiații ionizante, deoarece sunt suficient de puternice pentru a elibera un electron de la un alt atom. Dezintegrarea radioactivă poate produce un nuclid stabil sau va produce uneori un nou radionuclid instabil, care poate suferi alte dezintegrãri. Dezintegrarea radioactivă este un proces aleatoriu la nivelul atomilor unici: este imposibil să se prevadă când un anumit atom se va dezintegra. Cu toate acestea, pentru o colecție de atomi dintr-un singur element, viteza de dezintegrare și, astfel, timpul de înjumătățire (t_1/2) pentru această colecție pot fi calculate din constantele lor de dezintegrare măsurate. Intervalul timpilor de înjumătățire a atomilor radioactivi nu are limite cunoscute și acoperă un interval de timp de peste 55 de ordine de mărime.

Radionuclizii apar în mod natural sau sunt produși în mod artificial în reactoare nucleare, ciclotroni, acceleratori de particule sau generatoare de radionuclizi. Există aproximativ 730 de radionuclizi cu timpi de înjumãtãțire mai mari de 60 de minute. Treizeci și doi dintre aceștia sunt radionuclizi primordiali care au fost creați înainte ca pământul să se formeze. Cel puțin alți 60 de radionuclizi sunt detectabili în natură, fie ca fii ai radionuclizilor primordiali, fie ca radionuclizi produși natural pe Pământ prin radiații cosmice. Mai mult de 2400 de radionuclizi au un timp de înjumătățire mai mic de 60 de minute. Cei mai mulți dintre aceștia sunt produși numai artificial și au un timp de înjumătățire foarte scurt. Pentru comparație, există aproximativ 254 de nuclizi stabili.

Toate elementele chimice pot exista ca radionuclizi. Chiar și cel mai ușor element, hidrogen, are un binecunoscut radionuclid, tritiu. Elementele mai grele decât plumbul, elementele technețiu și promethium, există doar ca radionuclizi.

Expunerea neplanificată la radionuclizi are, în general, un efect nociv asupra organismelor vii, inclusiv a oamenilor, deși nivelurile scăzute de expunere apar în mod natural, fără efecte dăunătoare. Gradul de afectare va depinde de natura și amploarea radiațiilor produse, cantitatea și natura expunerii (contact apropiat, inhalare sau ingestie) și proprietățile biochimice ale elementului; cu risc crescut de cancer fiind cea mai obișnuită consecință. Cu toate acestea, în medicina nucleară se utilizează radionuclizi cu proprietăți adecvate atât pentru diagnostic, cât și pentru tratament. Un trasor de imagine realizat cu radionuclizi este numit trasor radioactiv. Un medicament farmaceutic realizat cu radionuclizi este numit un produs radiofarmaceutic.

Origine

Natural

Pe pământ, radionuclizii naturali se împart în trei categorii: radionuclizi primordiali, radionuclizi secundari și radionuclizi cosmogeni.

• Radionuclizii sunt produși în exploziile stelare de nucleosinteză și supernova, împreună cu nuclizii stabili. Cele mai multe dezintegrãri sunt rapide dar pot fi observate astronomic și pot juca un rol în înțelegerea proceselor astronomice. Radionuclizii primordiali, cum ar fi uraniul și toriul, există în prezent, deoarece timpul lor de înjumătățire este atât de lung (> 100 de milioane de ani) încât aceștia nu s-au dezintegrat încă. Unii radionuclizi au timpi de înjumătățire atît de mare (de multe ori vârsta universului), încît dezintegrarea a fost detectată abia recent, iar pentru cele mai multe scopuri practice pot fi considerate stabile, în special bismut-209: detectarea acestei dezintegrãri a însemnat că bismutul nu mai este considerat stabil. Este posibil ca dezintegrarea să poată fi observată și în alți nuclizi adăugându-i la această listă de radionuclizi primordiali.

• Radionuclizii secundari sunt izotopi radiogeni derivați din dezintegrarea radionuclizilor primordiali. Au un timp de înjumătățire mai scurt decât radionuclizii primordiali. Ei apar în lanțul de dezintegrare al izotopilor primordiali toriu-232, uraniu-238 și uraniu-235. Exemplele includ izotopii naturali ai poloniului și ai radiului.

• Izotopii cosmogeni, cum ar fi carbonul-14, sunt prezenți deoarece se formează continuu în atmosferă datorită razelor cosmice.

Mulți dintre acești radionuclizi existã doar în cantitãți mici în naturã, incluzând toți nuclizii cosmogeni. Radionuclizii secundari vor apare proporțional cu perioada de înjumãtãțire a acestora, astfel încât cei cu viațã scurtã vor fi foarte rari. Astfel, poloniul poate fi gãsit în minereurile de uraniu la aproximativ 0,1 mg pe tonã metricã (1 parte în 10¹⁰). Radionuclizii suplimentari pot sã aparã în naturã în cantitãți practic nedetectabile, ca urmare a unor evenimente rare cum ar fi fisiunea spontanã sau interacțiunile radiațiilor cosmice mai puțin frecvente.

Fisiunea nuclearã

Radionuclizii sunt produși ca un rezultat inevitabil al fisiunii nucleare și al exploziilor termonucleare. Procesul de fisiune nuclearã creeazã o gamã largã de produse de fisiune, dintre care majoritatea sunt radionuclizi. Radionuclizii suplimentari pot fi creați prin iradierea combustibilului nuclear (creând o gamã de actinide) și a structurilor din jur, generând produse de activare. Acest amestec complex de radionuclizi cu diferite chimii și radioactivitãți face ca manipularea deșeurilor nucleare și tratarea acestora sã fie deosebit de problematicã.

Sintetic

(Nuclizi artificiali de americiu-241 care emit particule alfa într-o camerã de ceațã pentru vizualizare.)

Radionuclizii sintetici sunt sintetizați în mod deliberat utilizând reactoare nucleare, acceleratoare de particule sau generatoare de radionuclizi:

• Pe lângã faptul cã sunt extrași din deșeuri nucleare, radioizotopii pot fi produși în mod deliberat în reactoare nucleare, exploatând fluxul mare de neutroni prezenți. Acești neutroni activeazã elementele plasate în interiorul reactorului. Un produs tipic dintr-un reactor nuclear este iridiu-192. Elementele care au o mare înclinație de a prelua neutronii din reactor sunt considerate a avea o secțiune transversalã mare a neutronilor.

• Acceleratoarele de particule, cum ar fi ciclotronii, accelereazã particulele pentru a bombarda o țintã pentru a produce radionuclizi. Ciclotronii accelereazã protonii spre o țintã pentru a produce radionuclizi cu emisie de pozitroni, de ex. fluor-18.

• Generatoarele de radionuclizi conțin un radionuclid pãrinte care se descompune pentru a produce un fiu radioactiv. Pãrintele este de obicei produs într-un reactor nuclear. Un exemplu tipic este generatorul de technețiu-99m utilizat în medicina nuclearã. Parintele produs în reactor este molibdenul-99.

Utilizãri

Radionuclizii sunt utilizați în douã moduri principale: fie numai pentru radiațiile lor (iradiere, baterii nucleare) sau pentru combinația proprietãților chimice și a radiației lor (markeri, biofarmaceutice).

• În biologie, radionuclizii de carbon pot servi ca markeri radioactivi, deoarece sunt chimic foarte asemãnãtori cu nuclizii nonradioactivi, astfel încât cele mai multe procese chimice, biologice și ecologice le trateazã într-un mod aproape identic. Se poate examina apoi rezultatul cu ajutorul unui detector de radiație, cum ar fi un contor Geiger, pentru a determina unde au fost încorporați atomii obținuți. De exemplu, dacã s-ar putea planta culturi într-un mediu în care dioxidul de carbon conține carbon radioactiv; atunci pãrțile plantei care încorporeazã carbonul atmosferic ar fi radioactive. Radionuclizii pot fi utilizați pentru monitorizarea proceselor cum ar fi replicarea ADN sau transportul de aminoacizi.

• În medicina nuclearã, radioizotopii sunt utilizați pentru diagnosticare, tratament și cercetare. Identificatorii chimici radioactivi care emit raze gama sau pozitroni pot furniza informații diagnostice despre anatomia internã și funcționarea anumitor organe, inclusiv creierul uman. Aceștia sunt utilizați în anumite forme de tomografie: scanare și imagisticã cu lumenecențã Cherenkov cu tomografie computerizatã cu emisie de un singur foton și tomografie cu emisie de pozitroni. Radioizotopii sunt, de asemenea, o metodã de tratament în forme hemopoietice de tumori; succesul pentru tratamentul tumorilor solide a fost limitat. Surse gama mai puternice sterilizeazã seringile și alte echipamente medicale.

• În conservarea alimentelor, radiația este utilizatã pentru a opri germinarea culturilor de rãdãcini dupã recoltare, pentru a ucide paraziții și dãunãtorii și pentru a controla maturarea fructelor și legumelor pãstrate.

• În industrie și în minerit, radionuclizii sunt utilizați pentru a examina sudurile, pentru a detecta scurgeri, pentru a studia rata de uzurã, eroziunea și coroziunea metalelor, precum și pentru analiza în flux a unei game largi de minerale și combustibili.

• La nave spațiale și în alte pãrți, radionuclizii sunt utilizați pentru a furniza energie și cãldurã, în special prin generatoare termoelectrice radioizotope.

• În astronomie și cosmologie, radionuclizii joacã un rol în înțelegerea procesului stelar și planetar.

• În fizica particulelor, radionuclizii ajutã la descoperirea noilor fizici (fizica dincolo de modelul standard) prin mãsurarea energiei și a impulsului produselor lor de dezintegrare beta.

• În ecologie, radionuclizii sunt utilizați pentru a urmãri și a analiza poluanții, pentru a studia mișcarea apei de suprafațã și pentru a mãsura scurgerile de apã de ploaie și zãpadã, precum și debitele fluxurilor și râurilor.

• În geologie, arheologie și paleontologie, radionuclizii naturali sunt utilizați pentru a mãsura vârstele rocilor, mineralelor și materialelor fosile.