Radiochemie - Radiochemistry

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Radiochemie das ist die Chemie von radioaktiven Materialien, in denen radioaktive Isotope von Elementen verwendet werden , die Eigenschaften und zu studieren chemische Reaktionen von nicht-radioaktiven Isotopen (oft innerhalb Radiochemie die Abwesenheit von Radioaktivität führt zu einer Substanz, die als beschrieben inaktiv , da die Isotope sind stabil ) . Ein Großteil der Radiochemie beschäftigt sich mit der Verwendung von Radioaktivität zur Untersuchung gewöhnlicher chemischer Reaktionen . Dies unterscheidet sich stark von der Strahlenchemie, bei der die Strahlenwerte zu niedrig gehalten werden, um die Chemie zu beeinflussen.

Die Radiochemie umfasst das Studium sowohl natürlicher als auch künstlicher Radioisotope.

Haupt-Decay-Modi

Alle Radioisotope sind instabile Isotope von Elementen – sie unterliegen einem nuklearen Zerfall und emittieren irgendeine Form von Strahlung . Die emittierte Strahlung kann von mehreren Typen sein, einschließlich Alpha- , Beta- , Gammastrahlung , Protonen- und Neutronenemission zusammen mit Neutrino- und Antiteilchenemissionszerfallswegen .

1. α (Alpha)-Strahlung – die Emission eines Alpha-Teilchens (das 2 Protonen und 2 Neutronen enthält) von einem Atomkern . In diesem Fall verringert sich die Atommasse des Atoms um 4 Einheiten und die Ordnungszahl um 2.

2. β (Beta) Strahlung – die Umwandlung eines Neutrons in ein Elektron und ein Proton . Danach wird das Elektron vom Kern in die Elektronenwolke emittiert .

3. γ-(Gamma-)Strahlung – die Emission elektromagnetischer Energie (wie Gammastrahlen ) aus dem Kern eines Atoms. Dies geschieht normalerweise während des radioaktiven Alpha- oder Beta- Zerfalls .

Diese drei Strahlungsarten lassen sich anhand ihres unterschiedlichen Durchschlagsvermögens unterscheiden.

Alpha lässt sich ganz einfach um wenige Zentimeter an Luft oder einem Stück Papier aufhalten und entspricht einem Heliumkern. Beta kann von einem nur wenige Millimeter dicken Aluminiumblech abgeschnitten werden und besteht aus Elektronen. Gamma ist das durchdringendste der drei und ist ein masseloses, ladungsloses, hochenergetisches Photon . Gamma - Strahlung erfordert eine beträchtliche Menge von Schwermetallstrahlungsabschirmung ( in der Regel führen oder Barium -Basis) seine Intensität zu reduzieren.

Aktivierungsanalyse

Durch Neutronenbestrahlung von Objekten ist es möglich, Radioaktivität zu induzieren; Diese Aktivierung stabiler Isotope zur Bildung von Radioisotopen ist die Grundlage der Neutronenaktivierungsanalyse . Eines der interessantesten Objekte, die auf diese Weise untersucht wurden, sind die Haare von Napoleons Kopf, die auf ihren Arsengehalt untersucht wurden .

Es gibt eine Reihe verschiedener experimenteller Methoden, die entwickelt wurden, um die Messung einer Reihe verschiedener Elemente in verschiedenen Matrices zu ermöglichen. Um die Wirkung der Matrix zu reduzieren, ist es üblich, die chemische Extraktion des gewünschten Elements zu verwenden und/oder die Radioaktivität aufgrund der Matrixelemente vor der Messung der Radioaktivität abklingen zu lassen. Da der Matrixeffekt durch Beobachtung des Zerfallsspektrums korrigiert werden kann, ist für einige Proben wenig oder keine Probenvorbereitung erforderlich, was die Neutronenaktivierungsanalyse weniger anfällig für Kontamination macht.

Die Auswirkungen einer Reihe unterschiedlicher Abkühlzeiten lassen sich erkennen, wenn eine hypothetische Probe, die Natrium, Uran und Kobalt im Verhältnis 100:10:1 enthält, einem sehr kurzen Puls thermischer Neutronen ausgesetzt wurde . Die anfängliche Radioaktivität würde von der 24 Na-Aktivität ( Halbwertszeit 15 h) dominiert, aber mit zunehmender Zeit die 239 Np (Halbwertszeit 2,4 d nach Bildung aus dem Elternteil 239 U mit Halbwertszeit 24 min) und schließlich die 60 Co-Aktivität (5,3 Jahre) überwiegen.

Biologieanwendungen

Eine biologische Anwendung ist die Untersuchung von DNA mit radioaktivem Phosphor -32. In diesen Experimenten wird stabiler Phosphor durch das chemisch identische radioaktive P-32 ersetzt und die resultierende Radioaktivität zur Analyse der Moleküle und ihres Verhaltens verwendet.

Ein weiteres Beispiel sind die Arbeiten zur Methylierung von Elementen wie Schwefel , Selen , Tellur und Polonium durch lebende Organismen. Es wurde gezeigt, dass Bakterien diese Elemente in flüchtige Verbindungen umwandeln können. Es wird angenommen, dass Methylcobalamin ( Vitamin B 12 ) diese Elemente alkyliert, um die Dimethyle zu erzeugen. Es wurde gezeigt, dass eine Kombination von Cobaloxim und anorganischem Polonium in sterilem Wasser eine flüchtige Poloniumverbindung bildet, während ein Kontrollexperiment, das die Kobaltverbindung nicht enthielt, keine flüchtige Poloniumverbindung bildete. Für die Schwefelarbeit wurde das Isotop 35 S verwendet, während für Polonium 207 Po verwendet wurde. In einigen verwandten Arbeiten wurde durch die Zugabe von 57 Co zur Bakterienkultur, gefolgt von der Isolierung des Cobalamins aus den Bakterien (und der Messung der Radioaktivität des isolierten Cobalamins) gezeigt, dass die Bakterien verfügbares Cobalt in Methylcobalamin umwandeln.

In der Medizin werden PET-Scans (Positronen-Emissions-Tomographie) häufig zu diagnostischen Zwecken verwendet. Ein radioaktiver Tracer wird dem Patienten intravenös injiziert und dann zum PET-Gerät gebracht. Der radioaktive Tracer gibt Strahlung vom Patienten nach außen ab und die Kameras im Gerät interpretieren die Strahlung des Tracers. PET-Scan-Maschinen verwenden eine Festkörper-Szintillationsdetektion aufgrund ihrer hohen Detektionseffizienz. NaI(Tl)-Kristalle absorbieren die Tracerstrahlung und erzeugen Photonen, die in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das die Maschine analysiert.

Umwelt

Die Radiochemie umfasst auch die Untersuchung des Verhaltens von Radioisotopen in der Umwelt; beispielsweise kann ein Wald- oder Grasbrand Radioisotope wieder mobil machen. Bei diesen Experimenten wurden Brände in der Sperrzone um Tschernobyl gelegt und die Radioaktivität in der Luft in Windrichtung gemessen.

Es ist wichtig zu beachten, dass eine Vielzahl von Prozessen in der Lage ist, Radioaktivität in die Umwelt freizusetzen, zum Beispiel ist die Einwirkung der kosmischen Strahlung auf die Luft für die Bildung von Radioisotopen (wie 14 C und 32 P), den Zerfall von 226 Ra Formen 222 Rn , die ein Gas ist , das durch Felsen vor Gebäuden betreten und löst sich in Wasser diffundieren kann und somit gibt Trinkwasser Außerdem menschliche Aktivitäten wie Bombentests , Unfälle und normale Meldungen aus der Industrie haben in der Freisetzung von Radioaktivität in Folge .

Chemische Form der Aktiniden

Die Umweltchemie einiger radioaktiver Elemente wie Plutonium wird dadurch erschwert, dass Lösungen dieses Elements disproportioniert werden können und infolgedessen viele verschiedene Oxidationsstufen gleichzeitig existieren können. Es wurden einige Arbeiten zur Identifizierung des Oxidationszustands und der Koordinationszahl von Plutonium und den anderen Actiniden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. [2] Dies umfasst sowohl Arbeiten an Lösungen relativ einfacher Komplexe als auch Arbeiten an Kolloiden. Zwei der Schlüsselmatrizen sind Boden / Gestein und Beton , in diesen Systemen wurden die chemischen Eigenschaften von Plutonium mit Methoden wie EXAFS und XANES untersucht . [3] [4]

Bewegung von Kolloiden

Während die Bindung eines Metalls an die Oberflächen der Bodenpartikel seine Bewegung durch eine Bodenschicht verhindern kann, können die Bodenpartikel, die das radioaktive Metall tragen, als kolloidale Partikel durch den Boden wandern. Dies geschieht nachweislich durch mit 134 Cs markierte Bodenpartikel , die sich durch Risse im Boden bewegen können.

Normaler Hintergrund

Radioaktivität ist überall vorhanden (und das schon seit der Entstehung der Erde). Nach Angaben der Internationalen Atomenergiebehörde enthält ein Kilogramm Boden typischerweise die folgenden Mengen der folgenden drei natürlichen Radioisotope 370 Bq 40 K (typischer Bereich 100–700 Bq), 25 Bq 226 Ra (typischer Bereich 10–50 Bq), 25 Bq 238 U (typischer Bereich 10–50 Bq) und 25 Bq 232 Th (typischer Bereich 7–50 Bq).

Wirkung von Mikroorganismen

Die Wirkung von Mikroorganismen kann Uran fixieren; Thermoanaerobacter kann Chrom (VI), Eisen (III), Kobalt (III), Mangan (IV) und Uran (VI) als Elektronenakzeptoren verwenden, während Acetat , Glucose , Wasserstoff , Lactat , Pyruvat , Succinat und Xylose als Elektronendonatoren wirken können für den Stoffwechsel der Bakterien. Auf diese Weise können die Metalle zu Magnetit (Fe 3 O 4 ), Siderit (FeCO 3 ), Rhodochrosit (MnCO 3 ) und Uraninit (UO 2 ) reduziert werden . Auch andere Forscher haben an der Fixierung von Uran durch Bakterien gearbeitet [5] [6] [7] , Francis R. Livens et al. (Arbeiten in Manchester ) haben vorgeschlagen, dass der Grund, warum Geobacter sulfurreducens UO . reduzieren kann2+
2
Kationen zu Urandioxid besteht darin, dass die Bakterien die Uranylkationen zu
UO reduce reduzieren+
2
die dann disproportioniert wird, um
UO . zu bilden2+
2
und UO 2 . Diese Argumentation basierte (zumindest teilweise) auf der Beobachtung, dass NpO+
2
wird von den Bakterien nicht in ein unlösliches Neptuniumoxid umgewandelt.

Bildung

Trotz des zunehmenden Einsatzes der Nuklearmedizin, des möglichen Ausbaus von Kernkraftwerken und der Sorgen um den Schutz vor nuklearen Bedrohungen und die Entsorgung des in den letzten Jahrzehnten anfallenden Atommülls ist die Zahl der Studierenden, die sich für die Fachrichtung Nuklear- und Radiochemie entscheiden, in den letzten Jahrzehnten deutlich zurückgegangen die letzten Jahrzehnte. Da sich viele Experten in diesen Bereichen dem Rentenalter nähern, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um eine Arbeitskräftelücke in diesen kritischen Bereichen zu vermeiden, beispielsweise indem das Interesse der Studierenden an diesen Berufen geweckt, die Bildungskapazitäten von Universitäten und Hochschulen erweitert und spezifischere Informationen bereitgestellt werden. berufsbegleitende Ausbildung.

Nuklear- und Radiochemie (NRC) wird hauptsächlich auf Universitätsebene gelehrt, in der Regel zunächst auf Master- und PhD-Ebene. In Europa werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die NRC-Ausbildung zu harmonisieren und auf die zukünftigen Bedürfnisse der Industrie und der Gesellschaft vorzubereiten. Diese Bemühungen werden in einem Projekt koordiniert, das durch die koordinierte Aktion finanziert wird, die durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Atomgemeinschaft unterstützt wird: Das CINCH-II-Projekt – Zusammenarbeit in der Aus- und Weiterbildung in der Kernchemie.

Verweise

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Externe Links