Введение в радиоактивность (С.Н. Калмыков - Лекции)

Введение в радиоактивностьСтепан Николаевич Калмыковтел. (495) 939-32-20stepan@radio.chem.msu.ruhttp://radiochemistry-msu.ru/leaders/102-kalmykovСоставляющие индивидуальной дозы (мЗв), полученнойсреднестатистическим жителем Финляндии в 2000 г.0,5Радон в помещениях0,04Внешнее облучение(естественное)0,04Космическое излучение0,320,30,5Внутреннее облучение(естественное)ИспользованиерадионуклидовРентгеновскаядиагностикаЧернобыльСтруктура коллективных доз облучения населения России1%14%29%Космическое излучениеРадон и продукты егораспадаМедицинские источникиТехногенные источники56%Карта содержаниярадона-222 впомещенияхG.

Dudois et al.J.Env.Radioact., Vol. 101,Iss. 10, (2010), 786–798Некоторые факты1 Зв = 1 Дж / кгВысота, мМощность дозы, мкЗв/час00,03830000,18160000,93590003,2412000150006,9910,3Риск рака: 0.05 / Зв(National Council on Radiation Protection and Measurement, USA)Мед исследования (Россия): годовой эффективной дозы 1 мЗвПределы доз(персонал группы А) - 20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5лет, но не более 50 мЗв в годНаселение - 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но неболее 5 мЗв в годРадиохимия – химия радиоактивных веществ. К предмету изучениярадиохимии относятся также химические аспекты производстварадионуклидов и переработки ядерного топлива.Иногда в качестве аналогичного используют понятие ядерная химия,однако его стоит трактовать более широко, ядерная химия изучает,помимо радиохимии, химические процессы, протекающие поддействием ядерных излучений (радиационная химия), а такжехимические последствия радиоактивного распада и ядерных реакций.Этапы развитияФундаментальный этапСоздание ядерного оружия«Мирный» этапЭнергетикаМедицинаДругие радиационные технологииИсторияСвечение стенок разрядных трубок - катодные лучи поток электронов ;Рентгеновские лучи;Анри Беккерель – флуоресценция солей урана - радиоактивность;Мария и Пьер Кюри – радиоактивность минералов урана выделение Po и Ra1898 г.А.

БеккерельСупруги КюриМария Кюри назвала свойствоопределенных атомов испускать лучирадиоактивностью, а уран, торий идругие подобные элементы –радиоактивными«Если существование новогометалла подтвердится, мыпредполагаем назвать его полонием,имея в виду происхождение одного изнас»Ряд урана-238Радиоактивность самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопахимического элемента в другой изотоп (обычно - изотоп другого элемента). Сущностьявления радиоактивности состоит в самопроизвольном изменении состава атомногоядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем(метастабильном) состоянии.Марии Кюри вместе с Иренвыезжала в прифронтовыегоспитали, сама работаламедицинским лаборантом,водителем, механикомСтроение атома и ядра - Резерфорд, Жолио-Кюри.выделенный супругами Кюри).(радий, Опыт Резерфорда (Гейгер и Марсден)– открытие ядра, протона и нейтрона;Рассеяние моноэнергетических α-частицтонким двухкомпонентным образцомСпектроскопия Резерфордовскогообратного рассеянияRutherford backscattering spectrometry, RBSРассеяние моноэнергетических α-частиц двухкомпонентным образцомконечной (слева) и бесконечной (справа) толщины Эманация – радиоактивные благородные газы – 1902 – теория радиоактивныхпревращений (Резерфорд и Содди); 1910 - известно около 40 радиоактивных веществ с различными периодамиполураспада, Содди - размещение новых элементов в периодической системе.Понятие изотоп.

Масс-спектрограф.Нуклид— вид атомов, характеризующийся определёнными массовым числом,атомным номером, и энергетическим состоянием их ядер, и имеющий времяжизни, достаточное для наблюдения.Изотопы- разновидности ядер одного и того же химического элемента,различающаяся количеством нейтронов в ядре.AZXN2349223592UU23692UИзобары- нуклиды, имеющие одинаковое массовое число.1414Изобарный эффект в масс-спектрометрии67CNИзомеры - явление существования у ядер атомов метастабильных(изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временемжизни.137g137m5656BaBaСледует правильно употреблять термины «изотоп» и «радионуклид».Термин «изотоп» характеризует отношение между различными типамиатомов (например, нуклиды 13C и 14C суть изотопы, поскольку имеютодинаковый заряд ядра, но различную массу, но нельзя назвать 137Cs и90Sr изотопами).Можно сказать, например, «тяжелый«радиоактивный изотоп цезия».изотопводорода»или14N(α,p)17O9Be(α,n)12C27Al(,n) 30P1930 г.

В. Боте и Г. Беккер1932 г. Дж. Чедвик1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюриискусственная радиоактивностьЭ. Ферми - облучение урана нейтронами (1934)О. Ганн и Ф. Штрассман1938 г. 1940 г. Открытиеспонтанного деления 235U(Флеров, Петржак) 1942 г. Атомный реактор(Ферми)Сентябрь 1943 – старт «Манхэттенского проекта»16 июля 1945 г. – первое испытание боезаряда («Gadget»)Август 1945 г.

– бомбардировка Хиросимы и НагасакиАвгуст 1949 г. – испытание первой Советской атомной бомбы (РДС-1),Август 1953 г. – первое испытание термоядерного заряда (СССР),Октябрь 1961 г. – испытание Царь-бомбыВ.И. Вернадский, 1912 год: «Перед намиоткрываются в явлениях радиоактивностиисточники атомной энергии, в миллионыраз превышающие те источники сил,какие только рисовались человеческомувоображению»1922 год: «Сумеет ли человеквоспользоваться этой силой, направитьее на добро, а не на самоуничтожение?»Современное развитие ядерной химии и связь с другими науками иобластями знанийРадиационная безопасность, радиоэкология, …Контроль нераспространения ядерных материалов,Геохимия,Археология,Диагностика материалов,Химический анализ,Радионуклиды как трассеры в биологии, биохимии, фармакологии, ...Ядерная энергетика,Медицина.ЭнергетикаСостав отработавшего ядерного топливаАктивность топлива:14 410 000 Ки – послеразгрузки1 497 000 Ки – 1 год394 000 Ки – 10 лет39 800 Ки – 100 лет1 590 Ки – 1000 лет820 Ки -1000 лет (без уранаи плутония)18 Ки – 1000 лет (безактинидов)Actinide Waste Formssimple oxides:zirconiaZrO2complex oxides:pyrochlore (Na,Ca,U)2(Nb,Ti,Ta)2O6murataite(Na,Y)4(Zn,Fe)3(Ti,Nb)6O18(F,OH)4zirconolite CaZrTi2O7silicates:zircon*thorite*garnet*britholitetitaniteZrSiO4ThSiO4(Ca,Mg,Fe2+)3(Al,Fe3+,Cr3+)2(SiO4)(Ca,Ce)5(SiO4)3(OH,F)CaTiO3phosphates:monazite*apatite*xenotime*LnPO4Ca4-xLn6+x(PO4)y(O,F)2YPO4*durable heavy mineralsи захоронениеРАО .

. . (1998) J. Mater. Res.Weber, Ewing, Catlow, DiazЯТЦde laRubia, Hobbs,e- BeamIon BeamIon BeamSampleЯТЦ и захоронение РАОGd2Ti2O7 Irradiated with 0.6 MeVAr+02211 1(A)[2 1 1](B)(C)(D)(E)(A) No dose; (B) 3.5 x 1014; (C) 5.0 x 1014; (D) 6.5 x 1014; 7.6 x 1014 ions/cm2Gd2Ti2O7 Irradiated with 1.0 MeV Kr+(A)(B)(C)(D)5 nmЯТЦ и захоронение РАОЯдерная медицина• Позитронно-эмиссионная томография(ПЭТ)• Гамма-томография• Направленная бета- и альфарадиотерапия• Нейтронно-захватная терапияПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯТОМОГРАФИЯПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯТОМОГРАФИЯhttp://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomographyОсновные ПЭТ-радионуклиды15O2,04мин13N9,96мин11С20,4 мин18F109,8 минПОЗИТРОННО - ЭМИССИОННАЯТОМОГРАФИЯОбласти применения ПЭТA. Клиническая диагностикаонкологиякардиологияневрологияперфузия с 82Rbболезнь Альцгеймераметаболизм с 18FDGболезнь ПаркинсонаПОЗИТРОННО - ЭМИССИОННАЯТОМОГРАФИЯОбласти применения ПЭТБ.

Молекулярная визуализация в научных исследованияхC.Halldin CPD 2001, 1907-1929F.Bengel MIB 2005, 7:22-29Bing Ma et al. NMB 2005, 701-705Фармакокинетикаи создание новыхлекарственныхсредствМолекулярнаягенетика:визуализациягенов-репортеровНовые клеточныетехнологии визуализациястволовых клетокСостав клинического ПЭТ-центрасканнеррадиохимияциклотронРадионуклиды для диагностики•••99Tc111In123IРадионуклиды для терапии• Бета• Альфа• ОжеAMIN I. KASSISP.

August Schubiger, RogerINT. J. RADIAT. BIOL., NOVEMBER–DECEMBER, 2004, VOL. 80, NO. 11–12, 789–803Alberto, and Alan SmithНАПРАВЛЕННАЯ АЛЬФА-ТЕРАПИЯ (212Bi)Выживаемость1.00.820 мкКи0.60.40.20Контроль20406080СуткиMiao et al. Clin. Cancer Res. 2005. 11. 15. 5616-21.100120Радионуклиды для терапии•••••••90Y166HoХелаторБиомолекула177Lu213Bi212BiAc-225 10 дα 5.8 МэВFr-221 4.8 минα 6.3 МэВ211AtAt-217 0.032 c225AcBi-213 45.6 минα 7.0 МэВβPo-213 4.3 мксα 8.4 МэВPb-209 3.25 чβBi-209Схема синтезаРадионуклиды как трассеры процессов вокружающей среде: примеры применения• Датирование по 14C (археология, геология)• Определение потоков органического углерода вгидросфере по 234Th (океанология)• Исследование эрозии почв с помощью 137Cs, 210Pb, 7Be.• Исследование времени жизни аэрозолей с помощью7Be, 32P, 33P• Датирование океанических, морских, озерных донныхотложений по 10Be, 230Th, 210Pb, анализ «естественныхархивов»Некоторые радионуклиды, применяемыев качестве трассеров10Be230Th14C32Si210Pb3Hтехногенные радионуклиды210Po7Be234Th32P222Rn00,0010,010,1110100100010000Временной интервал, лет1000001000000 10000000ЦЕЗИЙ-137 В ДОННЫХ ОСАДКАХЧЕРНОГО МОРЯ137Cs, Бк/кг137Cs, Бк/кг0501000198610202000195230R.A.Aliev, St.N.Kalmykov,Yu.A.Sapozhnikov.

In:Environmental radiochemicalanalysis II. Cambridge. UK.254-262.Горизонт, смГоризонт, см0100219524619631986Р.А. АлиевР.А. АлиевНекоторые методы диагностики материаловИспускаемые частицы или квантыНалетающие частицы или квантыФотоныФотоныЭл-ныИоныРентгенофлуоресцентная спек.(XRF)Оптическая спек. слазернымвозбуждением (LOES)СЭМ/ПЭМ срентгеновскиммикроанализомПротонноиндуцированноеиспускание рентг.квантов (PIXE)ЭлектроныРентгеноэлектроннаясп. (XPS)Оже спек.