Embed Size (px)
Citation preview
Введение в радиоактивность
Степан Николаевич Калмыков
тел. (495) 939-32-20
http://radiochemistry-msu.ru/leaders/102-kalmykov
2
0,5
0,3
0,3
0,04
0,50,04
Радон в помещениях
Внешнее облучение
(естественное)
Космическое излучение
Внутреннее облучение
(естественное)
Использование
радионуклидов
Рентгеновская
диагностика
Чернобыль
Составляющие индивидуальной дозы (мЗв), полученной
среднестатистическим жителем Финляндии в 2000 г.
14%
56%
29%
1%
Космическое излучение
Радон и продукты его распада
Медицинские источники
Техногенные источники
Структура коллективных доз облучения населения России
G. Dudois et al.
J.Env.Radioact., Vol. 101,
Iss. 10, (2010), 786–798
Карта содержания
радона-222 в
помещениях
1 Зв = 1 Дж / кг
Высота, м Мощность дозы, мкЗв/час
0 0,038
3000 0,181
6000 0,935
9000 3,24
12000 6,99
15000 10,3
Некоторые факты
Риск рака: 0.05 / Зв
(National Council on Radiation Protection and Measurement, USA)
Мед исследования (Россия): годовой эффективной дозы 1 мЗв
Пределы доз
(персонал группы А) - 20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5
лет, но не более 50 мЗв в год
Население - 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не
более 5 мЗв в год
Радиохимия – химия радиоактивных веществ. К предмету изучения
радиохимии относятся также химические аспекты производства
радионуклидов 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 под
действием ядерных излучений (радиационная химия), а также
химические последствия радиоактивного распада и ядерных реакций.
Фундаментальный этап
Этапы развития
Создание ядерного оружия
«Мирный» этап Энергетика
Медицина
Другие радиационные технологии
История 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 Ra 1898 г.
А. Беккерель
Супруги Кюри
Мария Кюри назвала свойство определенных атомов испускать лучи радиоактивностью, а уран, торий и другие подобные элементы – радиоактивными
«Если существование нового
металла подтвердится, мы
предполагаем назвать его полонием,
имея в виду происхождение одного из
нас»
Ряд урана-238
Радиоактивность самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа
химического элемента в другой изотоп (обычно - изотоп другого элемента). Сущность
явления радиоактивности состоит в самопроизвольном изменении состава атомного
ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем
(метастабильном) состоянии.
Марии Кюри вместе с Ирен
выезжала в прифронтовые
госпитали, сама работала
медицинским лаборантом,
водителем, механиком
Строение атома и ядра - Резерфорд, Жолио-Кюри. (радий, выделенный супругами Кюри).
Опыт Резерфорда (Гейгер и Марсден)– открытие ядра, протона и нейтрона;
Рассеяние моноэнергетических α-частиц
тонким двухкомпонентным образцом
Спектроскопия Резерфордовского
обратного рассеяния
Rutherford backscattering spectrometry, RBS
Рассеяние моноэнергетических α-частиц двухкомпонентным образцом
конечной (слева) и бесконечной (справа) толщины
Изотопы- разновидности ядер одного и того же химического элемента, различающаяся количеством нейтронов в ядре.
N
A
Z X U234
92 U235
92 U236
92
Изобары- нуклиды, имеющие одинаковое массовое число.
C14
6 N14
7Изобарный эффект в масс-спектрометрии
Изомеры - явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни.
Bag137
56 Bam137
56
Эманация – радиоактивные благородные газы – 1902 – теория радиоактивных превращений (Резерфорд и Содди);
1910 - известно около 40 радиоактивных веществ с различными периодами полураспада, 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 время жизни, достаточное для наблюдения.
Следует правильно употреблять термины «изотоп» и «радионуклид».
Термин «изотоп» характеризует отношение между различными типами
атомов (например, нуклиды 13C и 14C суть изотопы, поскольку имеют
одинаковый заряд ядра, но различную массу, но нельзя назвать 137Cs и 90Sr изотопами).
Можно сказать, например, «тяжелый изотоп водорода» или
«радиоактивный изотоп цезия».
14N(α,p)17O 9Be(α,n)12C 1930 г. В. Боте и Г. Беккер
1932 г. Дж. Чедвик
Э. Ферми - облучение урана нейтронами (1934) О. Ганн и Ф. Штрассман 1938 г.
27Al (,n) 30P 1934 г. Фредерик и Ирен Жолио-Кюри
искусственная радиоактивность
1940 г. Открытие спонтанного 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 Нагасаки
Август 1949 г. – испытание первой Советской атомной бомбы (РДС-1),
Август 1953 г. – первое испытание термоядерного заряда (СССР),
Октябрь 1961 г. – испытание Царь-бомбы
В.И. Вернадский, 1912 год: «Перед нами
открываются в явлениях радиоактивности
источники атомной энергии, в миллионы
раз превышающие те источники сил,
какие только рисовались человеческому
воображению»
1922 год: «Сумеет ли человек
воспользоваться этой силой, направить
ее на добро, а не на самоуничтожение?»
Современное развитие ядерной химии и связь с другими науками и
областями знаний
Радиационная безопасность, радиоэкология, …
Контроль нераспространения ядерных материалов,
Геохимия,
Археология,
Диагностика материалов,
Химический анализ,
Радионуклиды как трассеры в биологии, биохимии, фармакологии, ...
Ядерная энергетика,
Медицина.
Энергетика
Состав отработавшего ядерного топлива
Активность топлива: 14 410 000 Ки – после разгрузки 1 497 000 Ки – 1 год 394 000 Ки – 10 лет 39 800 Ки – 100 лет 1 590 Ки – 1000 лет 820 Ки -1000 лет (без урана и плутония) 18 Ки – 1000 лет (без актинидов)
Actinide Waste Forms simple oxides: zirconia ZrO2
complex oxides: pyrochlore (Na,Ca,U)2(Nb,Ti,Ta)2O6
murataite (Na,Y)4(Zn,Fe)3(Ti,Nb)6O18(F,OH)4
zirconolite CaZrTi2O7
silicates: zircon* ZrSiO4
thorite* ThSiO4
garnet* (Ca,Mg,Fe2+)3(Al,Fe3+,Cr3+)2(SiO4)
britholite (Ca,Ce)5(SiO4)3(OH,F)
titanite CaTiO3
phosphates: monazite* LnPO4
apatite* Ca4-xLn6+x(PO4)y(O,F)2
xenotime* YPO4
*durable heavy minerals
ЯТЦ и захоронение РАО Weber, Ewing, Catlow, Diaz de la Rubia, Hobbs, . . . (1998) J. Mater. Res.
ЯТЦ и захоронение РАО
Ion Beam
Sample
Ion Beam
e- Beam
Gd2Ti2O7 Irradiated with 0.6 MeVAr+
111
022
]112[(A) (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/cm2
ЯТЦ и захоронение РАО
Gd2Ti2O7 Irradiated with 1.0 MeV Kr+
(A) (B)
(C) (D)
5 nm
Ядерная медицина
• Позитронно-эмиссионная томография
(ПЭТ)
• Гамма-томография
• Направленная бета- и альфа-
радиотерапия
• Нейтронно-захватная терапия
ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography
Основные ПЭТ-радионуклиды
15O 13N 11С 18F
2,04
мин
9,96
мин
20,4 мин 109,8 мин
перфузия с 82Rb
онкология кардиология неврология
болезнь Альцгеймера
метаболизм с 18FDG болезнь Паркинсона
Области применения ПЭТ
A. Клиническая диагностика
ПОЗИТРОННО - ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
Области применения ПЭТ Б. Молекулярная визуализация в научных исследованиях
Фармакокинетика
и создание новых
лекарственных
средств
Молекулярная
генетика:
визуализация
генов-репортеров
Новые клеточные
технологии -
визуализация
стволовых клеток
F.Bengel MIB 2005, 7:22-29 Bing Ma et al. NMB 2005, 701-705 C.Halldin CPD 2001, 1907-1929
ПОЗИТРОННО - ЭМИССИОННАЯ
ТОМОГРАФИЯ
Состав клинического ПЭТ-центра
циклотрон
радиохимия
сканнер
Радионуклиды для терапии
• Бета
• Альфа
• Оже
P. August Schubiger, Roger Alberto, and Alan Smith AMIN I. KASSIS
INT. J. RADIAT. BIOL., NOVEMBER–DECEMBER, 2004, VOL. 80, NO. 11–12, 789–803
НАПРАВЛЕННАЯ АЛЬФА-ТЕРАПИЯ (212Bi)
0 20 40 60 80 100 120
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Сутки
Вы
жи
вае
мо
сть
20 мкКи
Контроль
Miao et al. Clin. Cancer Res. 2005. 11. 15. 5616-21.
Радионуклиды для терапии
• 90Y
• 166Ho
• 177Lu
• 213Bi
• 212Bi
• 211At
• 225Ac
Ac-225 10 д
α 5.8 МэВ
Fr-221 4.8 мин
α 6.3 МэВ
At-217 0.032 c
α 7.0 МэВ
Bi-213 45.6 мин
β
Po-213 4.3 мкс
α 8.4 МэВ
Pb-209 3.25 ч
β
Bi-209
Биомолекула
Хелатор
Схема синтеза
Радионуклиды как трассеры процессов в
окружающей среде: примеры применения
• Датирование по 14C (археология, геология)
• Определение потоков органического углерода в гидросфере по 234Th (океанология)
• Исследование эрозии почв с помощью 137Cs, 210Pb, 7Be.
• Исследование времени жизни аэрозолей с помощью 7Be, 32P, 33P
• Датирование океанических, морских, озерных донных отложений по 10Be, 230Th, 210Pb, анализ «естественных архивов»
Некоторые радионуклиды, применяемые в качестве трассеров
00,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000
Временной интервал, лет
14C
210Pb
3H
210Po
7Be
234Th
230Th
32P
10Be
32Si
техногенные радионуклиды
222Rn
ЦЕЗИЙ-137 В ДОННЫХ ОСАДКАХ
ЧЕРНОГО МОРЯ
0
10
20
30
0 50 100
137Cs, Бк/кг
Го
ри
зо
нт,
см
0
2
4
6
0 100 200
137Cs, Бк/кг
Го
ри
зо
нт,
см1986 1986
1963
1952
1952
R.A.Aliev, St.N.Kalmykov,
Yu.A.Sapozhnikov. In:
Environmental radiochemical
analysis II. Cambridge. UK.
254-262.
Р.А. Алиев
Р.А. Алиев
Некоторые методы диагностики материалов
Испускаемые частицы или кванты
Фотоны Электроны Ионы
Фотоны
Рентгено-
флуоресцентная спек.
(XRF)
Оптическая спек. с
лазерным
возбуждением (LOES)
Рентгеноэлектронная
сп. (XPS)
Оже спек. с фотонным
возб. (P-Auger spec.)
Лазерная абляция
Эл-ны
СЭМ/ПЭМ с
рентгеновским
микроанализом
Спек. энергетических
потерь электронов
(TEELS)
Оже спек. с
электронным возб. (E-
Auger spec.)
Электронная абляция
Ионы
Протонно-
индуцированное
испускание рентг.
квантов (PIXE)
Оже спек. с ионным
возб. (I-Auger spec.)
Масс-спек. вторичных
ионов (SIMS)
Резерфордовское
обратное рассеяние
(RBS)
Нал
ета
ющ
ие ч
асти
цы
ил
и к
ванты
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ
• Прямые (мгновенные) – IBA (Ion Beam Analysis), в том числе RBS (Rutherford BackScattering), PIXE (Particle Induced X-ray Emission), PIGE (Particle Induced Gamma Emission), NRA (Nuclear Reaction Analysis), PGAA (Prompt Gamma Activation Analysis)
• Активационные INAA (Instrumental Neutron Activation Analysis), RNAA (Radiochemical …), IPAA (Instrumental Photon Activation Analysis), RPAA (Radiochemical …), CPAA (Charge Particle …).
• Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность. Лань, 2013 (доступно on-
line ?),
• В.Б.Лукьянов, С.С.Бердоносов, И.О.Богатырев, К.Б.Заборенко, Б.З.Иофа. Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода (доступно on-line),
• Келлер К. Радиохимия. М. Атомиздат, 1978.
• Хала И., Навратил Дж.Д. Радиоактивность, ионизирующее излучение и ядерная энергетика. Пер. с англ. под ред. академика Б.Ф. Мясоедова и С.Н.Калмыкова, Бином, 2013
• Ю.А. Сапожников, Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков. Радиоактивность окружающей среды. М. Бином, 2006
• Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин. Частицы и атомные ядра. Изд-во МГУ, 2005
http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/nudat/
Lund Nuclear Data Service
Ядерная физика в Интернете
http://nuclphys.sinp.msu.ru/
