Amerikyum-241 - Americium-241

Americium-241,  ²⁴¹ Am

Duman alarmından 241 AmO 2 içeren küçük düğme
Genel
Sembol	241 am
İsimler	amerikan-241, Am-241
protonlar	95
nötronlar	146
nüklid verileri
Doğal bolluk	0 ( sentetik )
Yarı ömür	432.2 yıl
ana izotoplar	241 Pu  ( β − ) 241 Cm  ( EC ) 245 Bk  ( α )
çürüme ürünleri	237 Np
izotop kütlesi	241.056829144 u
Döndürmek	5/2–
Aşırı enerji	52936.008 keV
Bağlanma enerjisi	7543.272 keV
Çürüme modları
çürüme modu	Bozunma enerjisi ( MeV )
α-çürüme (alfa)	5.486
γ-emisyon (gama)	0.0595409
CD (küme bozulması)	93.923
Americium izotopları Tam nüklid tablosu

Americium-241 ( ²⁴¹ Am , Am-241 ), americium'un bir izotopudur . Americium'un tüm izotopları gibi, radyoaktiftir ve yarı ömrü 432.2 yıldır. ²⁴¹ Am en yaygın izotopu ait Amerikyum'un yanı sıra Amerikyum'un en yaygın izotopu nükleer atık . İyonizasyon tipi duman dedektörlerinde yaygın olarak bulunur ve uzun ömürlü radyoizotop termoelektrik jeneratörler (RTG'ler) için potansiyel bir yakıttır . Bu ortak üst nüklidler bulunmaktadır β ^- dan ²⁴¹ Pu, EC den ²⁴¹ Cm ve α den ²⁴⁵ Bk. ²⁴¹ Am bölünebilir ve çıplak bir kürenin kritik kütlesi 57,6-75.6 kilogram ve küre çapı 19-21 santimetredir. Americium-241 yer alır spesifik aktivitesinin 3.43 Ci / g ( Curies gram ya da 126.8 başına gigabecquerels gramı başına (GBq)). Genellikle amerikyum-241 dioksit ( ²⁴¹ AmO ₂ ) formunda bulunur . Bu izotop da birine sahiptir meta halini , ^241m 2.2 arasında bir uyarım enerjisi ile, Am  MeV ve yarılanma ömrü 1.23 ms'den. Plütonyumda amerikyum-241'in varlığı, plütonyum-241'in orijinal konsantrasyonu ve numune yaşı ile belirlenir. Alfa radyasyonunun düşük penetrasyonu nedeniyle, amerikyum-241 yalnızca yutulduğunda veya solunduğunda sağlık riski oluşturur. Plütonyum içeren plütonyum-241 Eski örnekleri birikimini içeren ²⁴¹ Am. Bazı durumlarda , yeniden işlenmiş plütonyumdan (örneğin plütonyum çukurlarının yeniden işlenmesi sırasında) amerikyum-241'in kimyasal olarak uzaklaştırılması gerekebilir.

nükleosentez

Americium-241, on yıllardır nükleer reaktörlerde küçük miktarlarda üretilmiştir ve şimdiye kadar birçok kilogram ²⁴¹ Am birikmiştir. Bununla birlikte, 1962'de ilk kez satışa sunulduğundan beri , ²⁴¹ Am'nin gramı başına yaklaşık 1.500 ABD Doları olan fiyatı, çok karmaşık ayırma prosedürü nedeniyle neredeyse değişmeden kalmıştır.

Americium-241, doğrudan en yaygın reaktör malzemesi olan uranyumdan değil, plütonyum izotopu ²³⁹ Pu'dan sentezlenir . İkincisi, aşağıdaki nükleer işleme göre önce üretilmelidir:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ dk} ]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239 }Pu} }$

²³⁹ Pu ((n,γ) reaksiyonu olarak adlandırılan) tarafından iki nötronun yakalanması ve ardından bir β-bozunması ²⁴¹ Am ile sonuçlanır :

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2~(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\ yr}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }$

Kullanılmış nükleer yakıtta bulunan plütonyum, ²⁴¹ Pu'nun yaklaşık %12'sini içerir . Bu dönüştürür için ²⁴¹ Am, ²⁴¹ Pu elde edilebilir ve daha fazla üretmek için kullanılabilmektedir ²⁴¹ Am. Orijinal miktarının yarısı: Bununla birlikte, bu işlem oldukça yavaş ²⁴¹ PU bozunur ²⁴¹ yaklaşık 14 yıl sonra Am ve ²⁴¹ Am miktarı 70 yıl sonra maksimuma ulaşır.

Elde edilen ²⁴¹ Am, bir nükleer reaktör içinde daha fazla nötron yakalama yoluyla daha ağır amerikyum izotopları üretmek için kullanılabilir. Bir de hafif su reaktöre (LWR), nötron yakalar 79% ²⁴¹ Am dönüştürmek ²⁴² Am ve% 10 nükleer izomer ^242m Am:

%79:   ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$

Çürümek

Americium-241 , zayıf bir gama ışını yan ürünü ile esas olarak alfa bozunması yoluyla bozunur . α-bozunumu aşağıdaki gibi gösterilir:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2 }^{4}\alpha ^{2+}+\gamma ~59.5409~keV} }$

α-bozunma enerjileri zamanın %85'i için 5.486 MeV (standart α-bozunma enerjisi için yaygın olarak kabul edilen), zamanın %13'ü için 5.443 MeV ve kalan %2'si için 5.388 MeV'dir. Γ-ışını enerjisi 59,5409 olduğu keV böyle 13.9 keV, 17.8 keV ve 26.4 keV gibi diğer enerjilerin çok az miktarda suyla, çoğunlukla.

Americium-241'in maruz kaldığı ikinci en yaygın bozunma türü, 3.6x10 ^-12 dallanma oranıyla ve ²⁴¹ Am gramı başına saniyede 1.2 kez gerçekleşen kendiliğinden fisyondur . Bu şekilde yazılmıştır (yıldız, uyarılmış bir çekirdeği belirtir):

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow ~_{\ 95}^{241}Am^{*}\longrightarrow 3_{0}^{1}n~+~fission~products ~+enerji~(\gamma )} }$

Amerikyum-241 için en az yaygın (en nadir) bozunma türü, dallanma oranı 7,4× ^10-16'dan az olan ³⁴ Si kümesi bozunmasıdır . Aşağıdaki gibi yazılmıştır:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\longrightarrow _{\ 81}^{207}Tl+_{14}^{34}Si} }$

Uygulamalar

İyonizasyon tipi duman dedektörü

Americium-241, sadece sentetik izotop en yaygın tipi ev, onun yolunu bulmuş olan duman detektörü (iyonizasyon tipi) kullanan ²⁴¹ amo ₂ arasında kaynak olarak (americium-241 dioksit) iyonize edici radyasyon . Bu izotop, ²²⁶ Ra yerine tercih edilir, çünkü 5 kat daha fazla alfa parçacığı ve nispeten az zararlı gama radyasyonu yayar. 432.2 yıllık yarı ömrü ile bir duman dedektöründeki amerikyum azalır ve 19 yıl sonra yaklaşık %3 ve 32 yıl sonra yaklaşık %5 neptünyum içerir . Tipik bir yeni duman dedektöründeki amerikyum miktarı 0.29 mikrogramdır (bir kum tanesinin ağırlığının yaklaşık üçte biri kadar) ve 1 mikroküri (37  kBq ) aktiviteye sahiptir . Bazı eski endüstriyel duman dedektörleri (özellikle Pyrotronics Corporation'dan) 80 μCi'ye kadar içerebilir. ²⁴¹ Am miktarı, çok daha uzun bir yarı ömre (yaklaşık 2.14 milyon yıl) sahip farklı bir transuranik element olan neptunyum-237'ye bozunurken yavaş yavaş azalır . Yayılan alfa parçacıkları , iki elektrot arasındaki havayla dolu bir boşluk olan bir iyonizasyon odasından geçer; bu, arasındaki hava boşluğunu iyonize eden radyasyon nedeniyle kapasitör plakaları arasında küçük, sabit bir elektrik akımının geçmesine izin verir . Odaya giren herhangi bir duman, alfa parçacıklarının bir kısmının serbestçe geçmesini engeller/absorbe eder ve iyonlaşmayı azaltır ve dolayısıyla akımda bir düşüşe neden olur. Alarmın devresi akımdaki bu düşüşü algılar ve sonuç olarak piezoelektrik sesli uyarıcının çalmasını tetikler. Alternatif optik duman dedektörü ile karşılaştırıldığında, iyonizasyon duman dedektörü daha ucuzdur ve önemli ışık saçılımı üretemeyecek kadar küçük parçacıkları algılayabilir. Ancak, yanlış alarmlara daha yatkındır .

Üretim süreci

İyonizasyon tipi duman dedektörleri üzerindeki butonlarda kullanılan amerikyumun yapım süreci amerikyum dioksit ile başlar. AmO ₂ altınla iyice karıştırılır, bir briket şeklinde şekillendirilir ve 800 °C'nin (1.470 °F) üzerindeki basınç ve ısıyla kaynaştırılır. Brikete bir gümüş arkalık ve bir altın kaplama (veya bir altın veya paladyum alaşımı ) uygulanır ve sıcak dövme ile mühürlenir. Briket daha sonra istenen kalınlık ve radyasyon emisyonu seviyelerini elde etmek için birkaç soğuk haddeleme aşamasından geçirilir. Nihai kalınlık yaklaşık 0.008 inç (0.20 mm) olup, altın kaplama kalınlığın yaklaşık yüzde birini temsil etmektedir. Yaklaşık 0,8 inç (20 mm) genişliğinde elde edilen folyo şerit, 39 inç (1 m) uzunluğunda bölümler halinde kesilir. Kaynaklar folyo şeritten delinir. Çapı yaklaşık 0,2 inç (5,1 mm) olan her disk, genellikle alüminyumdan yapılmış metal bir tutucuya monte edilmiştir. Tutucu, düğmede görülenlerin çoğunluğu olan muhafazadır. Tutucudaki ince kenar, kesilen kenarı diskin etrafına tamamen kapatmak için döndürülür.

RTG (radyoizotop termoelektrik jeneratör) güç üretimi

As ²⁴¹ Am bir sahiptir kabaca benzer yarı ömre ²³⁸ Pu (87 yaş grubuna karşı 432.2 yıl), etkin bir şekilde ileri sürülmüştür izotop arasında radyoizotop termoelektrik jeneratörler uzay aracı kullanmak için. Americium-241, plütonyum- 238'den daha az ısı ve elektrik üretse de (güç verimi ²⁴¹ Am için 114,7 mW/g ve ²³⁸ Pu için 390 mW/g'dır ) ve radyasyonu, gama ve nötron nedeniyle insanlar için daha büyük bir tehdit oluşturuyor. emisyon, önemli ölçüde daha uzun yarı ömrü ile uzun süreli görevler için avantajlara sahiptir. Avrupa Uzay Ajansı Amerikyum'un-241 nükleer atık tekrar işlenmesinden Avrupa'da Amerikyum'un-241 için plütonyum-238 ve kolay erişim küresel sıkıntısı nedeniyle kendi uzay sondaları için dayalı RTG üzerinde çalışıyor.

Bir RTG'deki koruma gereksinimleri, olası tüm izotopların en düşük ikinci değeridir: sadece ²³⁸ Pu daha azını gerektirir. ²³⁸ Pu'ya göre bir avantajı , nükleer atık olarak üretilmesi ve neredeyse izotopik olarak saf olmasıdır. Prototip tasarımları ²⁴¹ Am RTG 2-2,2 W bekliyoruz _e 5-50 W / kg _E koyarak, RTG tasarımı ²⁴¹ ile eşit Am RTGS ²³⁸ güç aralığında Pu RTG.

nötron kaynağı

Oksitler ²⁴¹ Am ile preslenmiş berilyum çok etkili olabilir nötron kaynağı yaydıkları için, alfa parçacıkları sırasında radyoaktif bozunma :

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2 }^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59,5~keV} }$

Burada amerikyum alfa kaynağı görevi görür ve berilyum (α,n) nükleer reaksiyonu için geniş kesiti sayesinde nötron üretir:

${\textstyle \mathrm {^{9}_{4}Ol\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}\longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _ {0}^{1}n\ +\ \gama } }$

²⁴¹ AmBe nötron kaynaklarının en yaygın kullanımı, otoyol yapımında kalite kontrolü için toprakta bulunan su miktarının yanı sıra nem/yoğunluğu ölçmek için kullanılan bir cihaz olan bir nötron sondasıdır . ²⁴¹ Am nötron kaynakları, kuyu kaydı uygulamalarında olduğu kadar nötron radyografisi , tomografi ve diğer radyokimyasal araştırmalarda da kullanılmaktadır.

Diğer elementlerin üretimi

Americium-241 bazen diğer transuranik elemanları ve üretimi için bir başlangıç maddesi olarak kullanılır transactinides - örneğin, nötron bombardımanı ²⁴¹ Am verir ²⁴² Am:

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$

Oradan, 82.7% ²⁴² Am çürükleri ²⁴² Cm ve 17.3% ²⁴² Pu:

%82.7 → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h} ]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm} }$

%17.3 → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h} ]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu} }$

Nükleer reaktörde, ²⁴² Am ayrıca nötron yakalama ile ²⁴³ Am'a ve ²⁴⁴ Am'a dönüştürülür, bu da β-bozunması ile ²⁴⁴ Cm'ye dönüşür :

${\displaystyle \mathrm {^{242}_{\ 95}Am{\xrightarrow {(n,\gamma )}}~_{\ 95}^{243}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma ) }}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10.1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }$

Işınlama ²⁴¹ tarafından Am ¹² ° C ya da ²² izotoplar NE iyonları verim ²⁵³ Es ( aynştaynyum ) ya da ²⁶³ Db ( dubnium sırasıyla). Ayrıca, berkelyum ( ²⁴³ Bk izotopu) elementi ilk olarak 1949'da aynı Berkeley grubu tarafından, daha önceki birçok deneyde kullanılan 60 inçlik siklotron kullanılarak ²⁴¹ Am'in alfa parçacıklarıyla bombardıman edilmesiyle kasıtlı olarak üretilmiş ve tanımlanmıştır . Benzer şekilde, nobelium üretildi Nükleer Araştırma için ortak Enstitüsü , Dubna'da ışınlanmasını dahil biri çeşitli reaksiyonlar, 1965, Rusya, ²⁴³ ile Am ¹⁵ , N iyonları. Ayrıca, Berkeley ve Dubna'daki bilim adamları tarafından keşfedilen lavrensiyum için sentez reaksiyonlarından biri, ¹⁸ O ile ²⁴³ Am bombardımanını içeriyordu .

spektrometre

Americium-241, bir dizi tıbbi ve endüstriyel kullanım için hem gama ışınlarının hem de alfa parçacıklarının taşınabilir bir kaynağı olarak kullanılmıştır. Bu tür kaynaklarda ²⁴¹ Am'den gelen 59.5409 keV gama ışını emisyonları, radyografi ve X-ışını floresan spektroskopisindeki malzemelerin dolaylı analizi için ve ayrıca sabit nükleer yoğunluk göstergelerinde ve nükleer densometrelerde kalite kontrolü için kullanılabilir . Örneğin, bu izotop, düz cam oluşturmaya yardımcı olmak için cam kalınlığını ölçmek için kullanılmıştır . Americium-241, spektrumu neredeyse tek bir tepe noktasından ve ihmal edilebilir Compton sürekliliğinden (en az üç büyüklük daha düşük yoğunluk derecesi) oluştuğundan, düşük enerji aralığında gama ışını spektrometrelerinin kalibrasyonu için de uygundur.

İlaç

Americium-241'den gelen gama ışınları, tiroid fonksiyonunun pasif teşhisini sağlamak için kullanılmıştır . Bu tıbbi uygulama artık geçerliliğini yitirmiştir. Americium-241'in gama ışınları, 10 dakikalık maruz kalma süresi ile makul kalitede radyograflar sağlayabilir . ²⁴¹ Am radyografileri, canlı dokuya etkili dozu artıran uzun maruz kalma süresi nedeniyle yalnızca deneysel olarak alınmıştır . Maruz kalma süresinin azaltılması, hücrelere ve DNA'ya zarar veren iyonlaşma olaylarının olasılığını azaltır ve radyasyondan korunmada kullanılan "zaman, mesafe, koruma" ilkesinde kritik bir bileşendir .

Tehlikeler

Americium-241, diğer americium izotoplarıyla aynı genel tehlikelere sahiptir: hem aşırı toksik hem de radyoaktiftir. Her ne kadar α-parçacıklar kağıt yaprağının durdurulabilir, α-yayıcıların sindirimi için ciddi sağlık kaygıları vardır. Americium ve izotopları da ağır metal toksisitesi şeklinde kimyasal olarak çok toksiktir. 0.03 μCi (1.110 Bq), ²⁴¹ Am için izin verilen maksimum vücut yüküdür .

Americium-241, zayıf bir γ-ışını yan ürünü olan bir a-yayıcıdır. Americium-241'i güvenli bir şekilde kullanmak, uygun güvenlik önlemlerini bilmeyi ve bunlara uymayı gerektirir, çünkü bunlar olmadan son derece tehlikeli olacaktır. Spesifik gama dozu sabiti 1 metrede 3.14 x 10 ^-1 mR/saat/mCi veya 8.48 x10 ^-5 mSv/saat/MBq'dir.

Americium-241 tüketilirse birkaç gün içinde vücuttan atılır ve kanda sadece %0.05 emilir. Oradan kabaca %45'i karaciğere , %45'i kemiklere gider ve kalan %10'u atılır. Karaciğere alım kişiye bağlıdır ve yaşla birlikte artar. Kemiklerde, amerikyum önce kortikal ve trabeküler yüzeylerde birikir ve zamanla kemik üzerinde yavaşça yeniden dağılır. ²⁴¹ Am'ın biyolojik yarı ömrü kemiklerde 50 yıl ve karaciğerde 20 yıldır, gonadlarda (testisler ve yumurtalıklar) ise kalıcı olarak kalır; tüm bu organlarda, americium, radyoaktivitesinin bir sonucu olarak kanser hücrelerinin oluşumunu teşvik eder.

Americium-241 genellikle çöplüklere atılan duman dedektörlerinden girer . Duman dedektörlerinin imhasıyla ilgili kurallar çoğu yargı bölgesinde gevşetilmiştir. ABD'de, "Radyoaktif İzci" David Hahn , kalan fiyatlardan yüzlerce tane satın almayı ve ayrıca birkaçını çalmayı başardıktan sonra duman dedektörlerinden americium-241'i konsantre edebildi. Birkaç kez amerikyum-241'e maruz kalma vakası olmuştur, en kötü durum , laboratuvarındaki bir patlamanın sonucu olarak 64 yaşında amerikyum-241'in mesleki standardının 500 katına maruz kalan Harold McCluskey'dir . McCluskey, 75 yaşında, maruz kalma sonucu değil , kazadan önce geçirdiği bir kalp hastalığından öldü.

Ayrıca bakınız

Amerika izotopları

Referanslar