Америциум-241

Америциум-241, ²⁴¹Am

Мало копче кое содржи241AmO2 од детектор за чад
Општо
Симбол	241Am
Име	америциум-241, Am-241
Протони (Z)	95
Неутрони (N)	146
Нуклидни податоци
Природна застапеност	0 (синтетички)
Период на полураспад (t1/2)	432,6 ± 0,6 години[1]
Изотопна маса	241,0568273 ± (12)[1] Da
Спин	5/2−
Вишок енергија	52.934,3 ± 1,1[1] keV
Енергија на сврзување	7.543,2795 ± (46)[1] keV
Родителски изотопи	241Pu (β−) 241Cm (EC) 245Bk (α)
Распадни производи	237Np
Начини на распад
Начин на распад	Распадна енергија (MeV)
α-распаѓање (алфа)	5.486
γ-емисија (гама)	0.0595409
CD (кластер распаѓање)	93.923
Изотопи на амерциумот Целосна табела

Америциум-241 ( ²⁴¹ Ам, Ам-241 ) е изотоп на америциум . Како и сите изотопи на америциум, тој е радиоактивен, со пeриод на полураспаѓање од 432,2 години . ²⁴¹ Am е најчестиот изотоп на америциум, како и најраспространетиот изотоп на америциум во нуклеарниот отпад . Најчесто се наоѓа во јонизиран во детекторите за чад и е потенцијално гориво за долготрајни радиоизотопски термоелектрични генератори (RTG). Неговите вообичаени матични нуклиди се β ⁻ од ²⁴¹ Pu, електронски рафат од ²⁴¹ Cm и α од ²⁴⁵ Bk. ²⁴¹ Америциумот не е фисилен, но може да се расцепи, а критичната маса на гола сфера е 57,6-75,6 килограми и дијаметар на сфера од 19-21 центиметар . ^[2] Америциум-241 има специфична активност од 3.43 кири по грам. ^[3] Најчесто се наоѓа во форма на америциум-241 диоксид ( ²⁴¹ ₂ ). Овој изотоп има и една мета состојба, ^241m Am, со енергија на возбудување од 2.2 мегаелектронволти и период на полураспаѓање од 1,23 μs . Присуството на ²⁴¹ Am во плутониум се одредува според оригиналната концентрација на плутониум-241 и староста на примерокот. Поради малата пенетрација на алфа зрачењето, америциум-241 e ризичен за здравјето само ако се внесе во телото или пак вдиши. Ако примерокот на плутониум е постар тој во себе содржи ²⁴¹ Pu и натрупан ²⁴¹ Am. Во некои случаи може да биде потребно хемиско отстранување на америциум-241 од преработен плутониум (на пр., при преработка на јами на плутониум ).^[4]

Америциум-241 се произведува во мали количини во нуклеарни реактори со децении, а до сега се акумулирани многу килограми од ²⁴¹ Am. ^{[5] : 1262 година}Како и да е, откако првпат бил изложен за продажба во 1962 година, неговата цена била околу US$1,500 за грам од ²⁴¹Am. Оваа цена до денес останува речиси непроменета поради многу сложената процедура која треба да се изврши при раздвојување. ^[6]

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

Заробувањето на два неутрони со ²³⁹ Pu (т.н. (n,γ) реакција), проследено со β-распаѓање, резултира со ²⁴¹ часот:

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

Присуството на плутониумот во потрошеното нуклеарно гориво е околу 12% од ²⁴¹ Pu. Бидејќи се претвора во ²⁴¹ Am, ²⁴¹ Pu може да се извлече и може да се користи за да се генерираат дополнителни ²⁴¹ Am. Сепак, овој процес е прилично бавен: половина од првобитната количина од ²⁴¹ Pu се распаѓа на ²⁴¹ Am по околу 14 години, а количината од ²⁴¹ Am достигнува максимум по 70 години. ^[7][2][7]

Добиениот ²⁴¹ Am може да се користи за генерирање на потешки изотопи на америциум со дополнително зафаќање на неутрони во нуклеарен реактор. Во реактор лесна вода (LWR - light-water reactor ), 79% од заробените неутрони на ²⁴¹ Am се претвораат во ²⁴² Am и 10% во неговиот нуклеарен изомер ^242m Am:^[8]

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

Америциум-241 се распаѓа главно преку алфа распаѓање, со слаб нуспроизвод на гама зраци . Приказ на α-распаѓањето :

Енергиите на α-распаѓање се 5,486 мегаелектронволти за &1000000000000008500000085% од времето (оној што е широко прифатен за стандардна енергија на α-распаѓање), 5,443 MeV во 13% од времето и 5,388 MeV за останатите 2%.^[3][9] Енергијата на γ-зраци е 59.5409 keV во најголем дел, со мали количини на други енергии како 13,9 keV, 17,8 keV и 26,4 keV .^[10]

Вториот најчест тип на распаѓање на америциум-241 е со спонтана фузија, со сооднос на разгранување од 3.6×10^−12[11] и се случува 1,2 пати во секунда по грам од ²⁴¹Am. Може да се запише на следниов начин (ѕвездичката означува возбудено јадро):

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

Најмалку вообичаен (најреток) тип на распаѓање за америциум-241 e ³⁴ Si кластер распаѓање, со однос на распаѓање помал од 7.4×10⁻¹⁶.^[11] Прикажано тука:

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

Америцум-241 е единствениот синтетички изотоп што пронашол своја примена во домаќинството, каде што најчестиот тип детектор за чад (тип со јонизација) користи AmO₂ (америциум-241 диоксид) како негов извор на јонизирачко зрачење . ^[6][12] Овој изотоп се претпочита да се користи повеќе од ²²⁶ Ra бидејќи испушта 5 пати повеќе алфа честички и релативно малку штетно гама зрачење. Со период на распаѓање од 432,2 години америциумот во детекторот за чад се намалува и вклучува околу 3% нептуниум по 19 години, а околу 5% по 32 години. Количината на америциум во типичен нов детектор за чад е 0,29 микрограми (околу 1/3000 од тежината на мало зрно песок ) со активност од 1 микрокири. Некои стари индустриски детектори за чад (особено од корпорацијата Pyrotronics) можат да содржат до 80 микрокири . Количината на ²⁴¹ Am полека се намалува додека се распаѓа во нептуниум-237 ( ²³⁷ Np), различен трансурански елемент со многу подолг полуживот (околу 2,14 милиони години). Зрачените алфа честички минуваат низ комората за јонизација, простор исполнет со воздух помеѓу две електроди, што овозможува мала, постојана електрична струја да помине помеѓу кондензаторските плочи поради зрачењето што го јонизира воздушниот простор помеѓу. Секој чад што ќе навлезе во комората блокира/апсорбира дел од алфа честичките да не минуваат слободно и ја намалува јонизацијата и затоа предизвикува пад на струјата. Колото на алармот го детектира овој пад на струјата и како резултат на тоа, го активира пиезоелектричниот звучник да се огласи. Во споредба со алтернативниот оптички детектор за чад, детекторот за јонизирачки чад е поевтин и може да открие честички кои се премногу мали за да создадат значително расејување на светлината. Сепак, тој е повеќе склон кон лажни аларми .^[13][14]

Процесот на правење америциум што се користи во копчињата на детекторите за чад започнува со америциум диоксид.^{[5] 241} AmO ₂ во својата основа е измешан со злато, обликуван во брикети и споен со притисок и топлина на над 1,470 °F (800 °C) . Подлога од сребро и предна обвивка од злато (или легура на злато или паладиум ) се нанесуваат на брикетата и се зацврстуваат со топло ковање. Брикетот потоа се обработува низ неколку фази на ладно валање за да се постигне саканата дебелина и нивоа на емисија на зрачење. Конечната дебелина е околу 0,20 mm, при што златната обвивка претставува околу еден процент од дебелината. Добиената лента од фолијата, која е околу 20 mm широка, се сече на делови долго по 1 m. Изворите се издупчени од лентата со фолија. Секој диск, околу 5,1 mm во дијаметар, се монтира во метален држач, обично направен од алуминиум. Држачот е куќиштето, што е најголем дел од она што се гледа на копчето. Тенкиот раб на држачот се превртува за целосно да се запечати исечениот раб околу дискот.^[15]

Бидејќи ²⁴¹ Am има приближно сличен период на полураспаѓање со ²³⁸ Pu (432,2 години наспроти 87 години), тој е предложен како активен изотоп на радиоизотопски термоелектрични генератори, за употреба во вселенски летала.^[16] Иако америциум-241 произведува помалку топлина и електрична енергија од плутониум-238 (приносот на моќност е 114,7 миливолти за грам за ²⁴¹Am наспроти 570 миливолти за грам за ²³⁸ Pu) ^[16] и неговото зрачење претставува поголема закана за луѓето поради емисијата на гама и неутрони, има предности за долготрајни мисии со значително подолг полуживот. Европската вселенска агенција работи на RTG базирани на америциум-241 за своите вселенски сонди ^[17] како резултат на глобалниот недостиг на плутониум-238 и лесен пристап до америциум-241 во Европа од преработка на нуклеарен отпад.^[18][19]

Неговите барања за заштита во RTG се втори најниски од сите можни изотопи: само ²³⁸ Pu бара помалку. Предност во однос на ²³⁸ Pu е тоа што се произведува како нуклеарен отпад и е речиси изотопски чист.^[20]

Оксидите од ²⁴¹ Ам притиснати со берилиум можат да бидат многу ефикасни извори на неутрони, бидејќи тие испуштаат алфа честички за време на радиоактивното распаѓање :

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432.2y}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59.5~keV} }$

Овде америциум делува како извор на алфа, а берилиумот произведува неутрони поради неговиот голем пресек за (α,n) нуклеарна реакција:

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

Најраспространета употреба на добиените неутрони од ²⁴¹ AmBe е неутронска сонда – уред кој се користи за мерење на количината на вода присутна во почвата, како и влага/густина за контрола на квалитетот во изградбата на автопат. ²⁴¹ Am неутронските извори исто така се користат во апликации за евиденција на бунари, како и во неутронска радиографија, томографија и други радиохемиски испитувања. ^[4]

Америциум-241 понекогаш се користи како почетен материјал за производство на други трансурански елементи и трансактиниди - на пример, неутронското бомбардирање од ²⁴¹ Am дава ²⁴² Am:

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

Оттука, 82,7% од ²⁴² Am се распаѓа на ²⁴² Cm и 17,3% до 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% → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu} }$

Во нуклеарниот реактор, ²⁴² Am исто така се конвертира со зафаќање на неутрони во ²⁴³ Am и ²⁴⁴ Am, што се трансформира со β-распаѓање на ²⁴⁴ Cm:

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

Зрачењето на ²⁴¹ Am со <sup about="#mwt264" data-cx="[{&quot;adapted&quot;:true,&quot;partial&quot;:false,&quot;targetExists&quot;:true,&quot;mandatoryTargetParams&quot;:[],&quot;optionalTargetParams&quot;:[]}]" data-mw="{&quot;parts&quot;:[{&quot;template&quot;:{&quot;target&quot;:{&quot;wt&quot;:&quot;Гинд&quot;,&quot;href&quot;:&quot;./Предлошка:Гинд&quot;},&quot;params&quot;:{&quot;1&quot;:{&quot;wt&quot;:&quot;12&quot;}},&quot;i&quot;:0}}]}" data-ve-no-generated-contents="true" id="mwAVc" typeof="mw:Transclusion">12</sup> C или ²² Ne јони дава ајнштајниум -253 ( ²⁵³ Es) или дубниум -263 ( ²⁶³ Db), соодветно.^[21] Понатаму, елементот беркелиум (изотоп ²⁴³ Bk) првпат бил намерно произведен и идентификуван со бомбардирање на ²⁴¹ Am со алфа честички, во 1949 година, од истата група Беркли, користејќи ги истите 1500 mm циклотрон кој бил користен за многу претходни експерименти. ^{[5] : 1262 година}

Америциум-241 се користи како пренослив извор и на гама зраци и на алфа честички за голем број медицински и индустриски намени. Емисиите од 59,5409 keV гама зраци од ²⁴¹ Am во такви извори може да се користат за индиректна анализа на материјали во радиографија и рендгенска флуоресцентна спектроскопија, како и за контрола на квалитетот во фиксни мерачи на нуклеарна густина и нуклеарни густометри . На пример, овој изотоп е употребен за да се измери дебелината на стаклото за да помогне во создавањето рамно стакло. ^{[5] : 1262 година}Америцум-241 е исто така погоден за калибрација на спектрометри на гама-зраци во опсегот со ниска енергија.

Гама зраците од америциум-241 биле користени за да се обезбеди пасивна дијагноза на функцијата на тироидната жлезда . Оваа медицинска практита сега е застарена. Гама зраците на Америциум-241 можат да обезбедат радиографија со прифатлив квалитет, со време на експозиција од 10 минути. Рендгенските снимки ²⁴¹ Am се направени само експериментално поради долгото време на експозиција што ја зголемува ефективната доза на живото ткиво. Намалувањето на времетраењето на изложеноста ја намалува можноста за настани на јонизација кои предизвикуваат оштетување на клетките и ДНК и е критична компонента во максимата „време, растојание, заштита“ што се користи во заштитата од радијација .^[22]

Америциум-241 ги има истите општи опасности како и другите изотопи на америциум: тој е и екстремно токсичен и радиоактивен. Иако α-честичките може да се запрат со лист хартија, постојат сериозни здравствени проблеми за ингестија на α-емитери. Америциумот и неговите изотопи се исто така многу хемиски токсични, во форма на токсичност од тешки метали. Дури 0,03 микрокири е максимално дозволеното изложување на телото на ²⁴¹Аm.^[23]

Америциум-241 е α-емитер со слаб нуспроизвод на γ-зраци. Безбедното ракување со америциум-241 бара познавање и следење на соодветни безбедносни мерки на претпазливост, бидејќи без нив тоа би било крајно опасно. Неговата специфична константа на гама доза е 3,14 или 8,48 на 1 метар .^[24]

Доколку се консумира, америциум-241 се излачува во рок од неколку дена и само 0,05% се апсорбира во крвта. Оттука, приближно 45% од него оди во црниот дроб и 45% во коските, а останатите 10% се излачуваат. Количеството кое ќе се внесе во црниот дроб зависи од поединецот и се зголемува со возраста. Во коските, америциумот прво се депонира на кортикалните и трабекуларните површини и полека се редистрибуира преку коската со текот на времето. Биолошкиот период на полураспаѓање на ²⁴¹Amе 50 години во коските и 20 години во црниот дроб, додека во гонадите (тестисите и јајниците) останува трајно; во сите овие органи, америциумот промовира формирање на канцерогени клетки како резултат на неговата радиоактивност.^[25]

Америциум-241 често еадел во депониитекак дел од тфрлените детектори за чад . Правилата поврзани со отстранувањето на детекторите за чаднеесе многу строги во повеќето јурисдикции. Во САД, Дејвид Ханод „Radioactive Boy Scout“ успеал да добие концентриран америциум-241 од детекторите за чад, откако купил сто од нив по преостанати цени и исто така да украде неколку.^[26][27][28] Имало неколку случаи на изложеност на америциум-241, од кои најлош бил Харолд МекКласки кој, на 64-годишна возраст, бил изложен на 500 пати повеќе од професионалниот стандард за америциум-241 како резултат на експлозија во неговата лабораторија. МекКласки почина на 75-годишна возраст, не како резултат на изложеност, туку од срцева болест што ја имал пред несреќата.^[29][30] Америциум-241 е откриен и во океаните како резултат на нуклеарно тестирање спроведено од различни нации.^[31]

• Изотопи на америциумот