رادیو ایزو توپها

تعریف:

اكثر عناصر نظیر كربن، هیدروژن، اكسیژن و پتاسیم هر یك در چند شكل متفاوت هسته اى به طور طبیعى وجود دارند كه به آنها ایزو توپ می گویند . تمام ایزو توپهاى‌یك عنصر داراى خواص شیمیایى مشابهند، در عین حال برخى از آنها مثل كربن _14 وپتاسیم _40 رادیواكتیو هستند. پیدایش طبیعى این ایزو توپهاى رادیو اكتیو معمولا درصد كمى از كل ایزوتوپهاى‌ غیر رادیواكتیو هر عنصر را تشكیل می دهند. رادیو ایزوتوپها انرژى بیشترى از ایزوتوپهاى غیر رادیو اكتیو داشته و نیمه عمر كوتاه دارند. این رادیوایزوتوپها، با آزاد سازى انرژى خود به صورت ساطع یا گسیل كردن پرتو كه فرو پاشى نامیده می شود، به ایزوتوپهاى پایدار تبدیل می شوند.

 تعداد زیادى از رادیوایزوتوپها به طور طبیعى وجود دارند، مثل رادون در گرانیت وتعداد بیشترى هم ساخته انسان هستند مثل كبالت _60 كه به عنوان یك رادیوایزوتوپ از كبالت پایدار ساخته می شود و با فروپاشى پرتو گاما مجددا تبدیل به عنصر پایدار خود می شود.

رادیوایزوتوپهاى دست ساز بشر توسط راكتورهاى هسته اى یا شتاب دهنده ها ساخته می شوند. اتمهاى این عناصر یكسان فقط در مقدار نوترون هایشان متفاوتند .

 بسیارى از عناصر شیمیایى داراى تعدادى ایزوتوپ هستند. ایزوتوپهاى یك عنصر داراى پروتون هاى مساوى هستند ولى در عین حال با داشتن عدد اتمى مساوى، بدلیل در بر داشتن نورون هاى متفاوت، دارای جرم هاى متفاوت نیز می باشد. در یك اتم خنثى، تعداد الكترون ها نیز برابر با عدد اتمى آن است. در واقع این الكترون ها هستند كه رفتار شیمیایى عنصر را تعیین می كنند.

جرم اتمی برابر است با مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها، در طبیعت 82 عنصر پایدار وجود دارد كه این عناصر در بر گیرنده 275 رادیو ایزوتوپ پایدار هستند.

چنانچه تركیبى از پروتون ها ونوترون ها تولید شود كه در طبیعت تا كنون نبوده است این یك ایزوتوپ مصنوعى بوده و اتم هاى آن ناپایدارند كه ایزوتوپ رادیو اكتیو یا رادیو ایزوتوپ نامیده می شود. البته تعداد ایزوتوپهاى طبیعى ناپایدار ناشى از فروپاشى اورانیم و توریم با نیمه عمر بلند هم وجود دارد. 

رادیو ایزوتوپ ها یا عناصر نا پایدار با نوعى شكافت و گسیل ذرات آلفا،بتا(یا پزیترون) و گاما به صورت پرتو الكترو مغناطیسى به پایدارى می رسند. عناصر ناپایدار هر یك نیمه عمرى دارند كه طى آن رادیو اكتیویته هسته در آن زمان به نصف خود تقلیل مى یابد. از این طریق نیز پزشكان با بكار گیرى نیمه عمر هاى متفاوت، دریافت پرتو توسط بیمار را كنترل مى كنند.

ایزوتوپ هاى رادیو اكتیو، كه در راكتور هاى هسته اى  یا سیكلو ترون ها (سیکلوترون شتاب‌دهنده‌ای حلقه‌ای‌شکل برای ذرات باردار می‌باشد و از اشعه x تولید شده آن برای آزمایشهای مختلف استفاده شده و بزرگی آن در حدود یک کارخانه است) ساخته می شوند دارای استفاده های  بسیار متعددى هستند.

بیشترین استفاده از رادیو ایزوتوپ ها عبارتند از:

_بهداشتى و پزشكى هسته اى

_صنعت و تحقیقات

_غذا و كشاورزى

_استفاده هاى آكادمیك

تولید رادیو ایزوتوپ ها در راكتور

راكتور هاى اتمى، ابزار اصلى ساخت رادیو ایزوتوپ هاى مصنوعى هستند و به عنوان منابع تولید نوترون محسوب می شوند كه وابسته به فرایند شكافت هسته اى براى تولید نوترون مى باشند.

رادیو ایزوتوپ ها یا عناصر رادیو اكتیو در راكتور هاى هسته اى عموما از دو طریق تولید مى شوند:

1.شكافت

2. بمباران نوترونى

شكافت:

وقتى كه هسته اورانیم -235  یك نوترون جذب كند، به صورت یك هسته ناپایدار در مى آید، كه بلا فاصله به دو اتم كوچكتر شكسته می شود(پاره هاى شكافت). این فرآیند همچنین با تولید دو یا سه نوترون و مقدارى انرژى همراه است. نوترون هاى آزاد شده قادرند كه هسته اورانیم -235  دیگرى را بمباران كرده و شكافت های متعددی را بوجود آورند. این شكافت منجر به واكنش هسته اى زنجیره اى خود نگهدار می شود. خیلى از رادیو ایزوتوپ ها یا رادیو نوكلوییدهاى مفید نظیر ید-131، مولیبدن-99، زنون-133 و سزیم-137 در اكثر واكنش هاى شكافت اورانیم-235 حاصل می گردند. معمولا برای این منظور مقادیر كمى از اورانیم-235 را در راكتور قرار می دهند و پس از مراحلى عملیات جدا سازى ایزوتوپ ها را انجام می دهند.

براى جداسازى رادیو ایزوتوپ هاى مشخص و مورد نظر می توان از تكنیك هاى جدا سازى شیمیایى مثل رسوب سازى، استخراج حلالى، تبادل یونى، الكترولیز، تقطیر، كروماتوگرافى و... استفاده كرد.

بمباران نوترونی:

در بمباران نوترونى، هسته هاى پایدار مورد هدف كه یك نوترون جذب می كنند، حاصل این بر هم كنش تولید یك رادیو ایزوتوپ غنی شده از نوترون می باشد. لذا رایج ترین واكنش طی فرایند فوق واكنش  گاما n است. بسیارى از رادیو ایزوتوپ هاى مهم در صنعت مثل كبالت-60 و ایریدیم-192 از طریق همین واكنش روى هسته هاى پایدار  كبالت-59 و ایریدیم-191 انجام مى پذیرد.

وجود طیف وسیعى از فلاكس  نوترون در محدوده  نوترون در ثانیه بر سانتیمتر مربع، دسترسى نسبى به انرژى هاى متفاوت از نوترون و قابلیت تولید رادیو ایزوتوپ های متنوع بدلیل سطح مقطع مناسب اكثر ایزوتوپ ها و همچنین وجود امكانات جانبى، سهولت این استفاده را میسر می سازد. احتمالا ممكن است از راكتور هاى قدرت هم براى تولید برخى از رادیو ایزوتوپ ها با نیمه عمر طولانى، مقیاس زیاد، اكتیویته بیشتر استفاده گردد.

تولید رادیو ایزوتوپ ها توسط شتاب دهنده ها

شتابدهنده ها امكان تولید رادیو ایزوتوپ هاى زیادى را از طریق تعدادى از واكنش هاى هسته اى عمدتا به كمك ذرات پروتون ها، دوترون ها و ذرات آلفا می توانند به وجود آورند. این رادیو ایزوتوپ هاى تولیدى اكثراْ ساطع كننده پرتو هاى پوزیترون هستند و راندمان تولید آنها بستگى به عوامل متعددى از جمله انرژى ذره شتاب داده شده و سطح مقطع ایزوتوپ هاى مورد نظر دارد. واكنش هاى نوترون _گاما نیاز به نوترون دارد كه معمولا تولید نوترون در شتاب دهنده ها بطور غیر مستقیم از طریق واكنش هاى هسته اى  مثل گاما n  و غیره حاصل می گردد. واكنش هاى هسته اى گاماn  معمولا در موردایزوتوپ ها ى با نوترون كمتر قابلیت كاربرد دارد. سیكلو ترون داراى داراى یك جفت الكترودهاى فلزى است (كه دى ها نامیده می شوند زیرا شكل آنها شبیه حرف D  می باشد) كه بین دو قطب یك الكترو مغناطیس قرار گرفته اند. این الكترود ها به یك منبع  الكتریكى با فركانس بالا متصل هستند بطوریكه بار هر یك از صفحات، بیش از پنجاه میلیون مرتبه در هر ثانیه بین منفى و مثبت تغییر می كند. میدان مغناطیسى نسبت به الكترود هاى فوق عمود است. ذرات باردار مثل پروتون یا دوترون هر دفعه به تناوب توسط یك دى دفع شده و توسط دیگرى جذب مى شود. نتیجه كار سیستم فوق این است كه به ذره شتابى سریع می دهد و ذره با حركت مارپیچى از بین صفحات خارج می گردد. ذره پر انرژى تولید شده می تواند هدف داخلى یا خارجى را بمباران كند.

برخى از رادیو ایزوتوپ هاى تولید شده در سیكلوترون داراى استفاده هاى پزشكى هستند كه از جمله تالیم-201 ،گالیم-67، فلوئور-18 و ید-123 را می توان نام برد.

سیكلوترون رادیو ایزوتوپ هایى با نوترون كم ولى راكتور رادیو ایزوتوپ هایى  غنى از نوترون تولید می كنند. لذا راكتور و سیكلوترون در برآورد نیاز هاى كامل یك جامعه به رادیو ایزوتوپ ها، مكمل یكدیگرند. به ندرت ممكن است یكى از این دو بتواند جاى دیگرى هم كار كند. سیكلوترون محدودیت هایى مثل تولید كمتر وكنترل مشكل تر در هدایت واكنش ها را به همراه دارد.

نمودار فرایند تولید رادیو ایزوتوپ ها و كاربرد آنها از ابتدا تا انتها در كنار تولید و مصرف سوخت هاى هسته اى وراكتور هاى تحقیقاتى

گردآوری: مژده اصولی