Radioisòtop

Un radioisòtop (radionúclid, núclid radioactiu, isòtop radioactiu o isòtop inestable) és un àtom que té un excés d'energia nuclear, cosa que el fa inestable.

Aquest excés d'energia pot ser utilitzat de tres maneres:

Durant aquests processos, es diu que el radioisòtop pateix una desintegració radioactiva.[1] Aquestes emissions es consideren radiació ionitzant perquè són prou potents com per alliberar un electró d'un altre àtom. La desintegració radioactiva pot produir un isòtop estable o de vegades produeix un nou radioisòtop inestable que pot patir una major desintegració. La desintegració radioactiva és un procés aleatori a nivell d'àtoms individuals; és impossible predir quan es desintegrarà un àtom en particular.[2][3][4][5] No obstant això, per a una col·lecció d'àtoms d'un sol element, la taxa de desintegració, i per tant la semivida (t1/2) per a aquesta col·lecció es pot calcular a partir de les mesures de les seves constants de decaïment. El rang de vida mitjana dels àtoms radioactius no té límits coneguts i abasta un rang de temps de més de 55 ordres de magnitud.

Els radioisòtops es produeixen naturalment o artificialment en reactors nuclears, ciclotrons, acceleradors de partícules o generadors de radioisòtops. Hi ha al voltant de 730 radioisòtops amb semivides de més de 60 minuts (veugeu llista de radioisòtops). Trenta-dos d'ells són radioisòtops primordials que van ser creats abans que es formés la Terra. Al menys altres 60 radioisòtops són detectables en la naturalesa, ja sigui com a fills de radioisòtops primordials o com radioisòtops produïts a través de la producció natural a la Terra per la radiació còsmica. Més de 2400 radioisòtops tenen una semivida inferior a 60 minuts. La majoria d'ells es produeixen només artificialment i tenen una semivida molt curta. Per a la comparació, hi ha prop de 252 isòtops estables (en teoria, només 146 d'ells són estables, i es creu que els altres 106 es desintegren (desintegració alfa, desintegració beta, doble desintegració beta, captura d'electró o doble captura d'electró)).

Tots els elements químics poden existir com radioisòtops. Fins i tot l'element més lleuger, l'hidrogen, té un conegut radioisòtop, el triti. Els elements pesats com el plom, i els elements tecneci i prometi, només existeixen com radioisòtops (en teoria, els elements pesats com el disprosi existeixen només com radioisòtops, però la semivida d'alguns d'aquests elements (per exemple, or i platí) és massa llarga per determinar-la).

L'exposició no planificada als radioisòtops té generalment un efecte nociu sobre els organismes vius, inclosos els éssers humans, encara que els baixos nivells d'exposició es produeixen de forma natural i sense danys. El grau de dany dependrà de la naturalesa i extensió de la radiació produïda, de la quantitat i naturalesa de l'exposició (contacte proper, inhalació o ingestió) i de les propietats bioquímiques de l'element, i la conseqüència més habitual l'augment de el risc de càncer. No obstant això, els radioisòtops amb propietats adequades s'utilitzen en medicina nuclear, tant per al diagnòstic com per al tractament. Una imatge traçada amb radioisòtops es diu marcador radioactiu. Un medicament farmacèutic fet amb radioisòtops es diu radiofàrmac.

OrigenModifica

NaturalModifica

A la Terra, els radioisòtops naturals es divideixen en tres categories: radioisòtops primordials, radioisòtops secundaris i radioisòtops cosmogènics.

  • Els radioisòtops primordials es produeixen en la nucleosíntesi estel·lar i explosions de supernova juntament amb els isòtops estables. La majoria es desintegren ràpidament, però encara es poden observar astronòmicament i poden tenir un paper en la comprensió dels processos astronòmics. Els radioisòtops primordials, com ara l'urani i el tori, existeixen en l'actualitat perquè els seus períodes de semidesintegració són tan llargs (> 100 milions d'anys) que encara no s'han desintegrat completament. Alguns radioisòtops tenen una semivida tan llarga (moltes vegades l'edat de l'univers) que la desintegració només ha estat detectada recentment, i per a la majoria dels propòsits pràctics poden ser considerats estables, més notablement el 209Bi: la detecció d'aquesta desintegració significa que el bismut ja no es consideri estable. És possible que es pugui observar la desintegració en altres isòtops que s'afegeixen a aquesta llista de radioisòtops primordials.
  • Els radioisòtops secundaris són isòtops radiogènics derivats de la desintegració dels radioisòtops primordials. Tenen una semivida més curta que els radioisòtops primordials. Sorgeixen a la cadena de desintegració dels isòtops primordials 232Th, 235U i 238U. Els exemples inclouen els isòtops naturals de poloni i ràdi.
  • Els radioisòtops cosmogènics, com 14C, són presents perquè s'estan formant contínuament en l'atmosfera a causa dels raigs còsmics.[6]

Molts d'aquests radioisòtops existeixen només en quantitats mínimes en la naturalesa, incloent tots els radioisòtops cosmogènics. Els radioisòtops secundaris es produiran en proporció a la seva semivida, de manera que els de curta durada seran molt rars. Així, el poloni pot trobar-se en els minerals d'urani a uns 0,1 mg/tona. (1 part en 1010).[7] A la natura poden ocórrer més radioisòtops en quantitats pràcticament indetectables com a resultat d'esdeveniments rars, com la fissió espontània o interaccions de raigs còsmics poc comuns.

Fissió nuclearModifica

 
Núclid artificial de 241Am que emet partícules alfa inserides a una cambra per a la seva visualització

Els radioisòtops es produeixen com a resultat inevitable de la fissió nuclear i explosions termonuclears. El procés de fissió nuclear crea un àmplia gamma de productes de la fissió nuclear, la majoria dels quals són radioisòtops. Es poden crear més radioisòtops a partir de la irradiació del combustible nuclear (creant un rang d'actínids) i de les estructures circumdants, produint productes d'activació. Aquesta complexa barreja de radioisòtops amb diferents químiques i radioactivitat fa que el maneig dels residus radiactius i el tractament de la pluja radioactiva sigui particularment problemàtic.

SintècticModifica

Els radioisòtops sintètics es sintetitzen deliberadament utilitzant reactors nuclears, acceleradors de partícules o generadors de radioisòtops:

  • A més de ser extrets dels residus radiactius, els radioisòtops poden ser produïts deliberadament amb reactors nuclears, explotant l'alt flux de neutrons presents. Aquests neutrons activen elements situats a l'interior del reactor. Un producte típic d'un reactor nuclear és 192Ir. Es diu que els elements que tenen una gran propensió a absorbir els neutrons en el reactor tenen una alta secció transversal de neutrons.
  • Els acceleradors de partícules, com el ciclotró, acceleren les partícules per bombardejar un objectiu i produir radioisòtops. Els ciclotrons acceleren els protons contra un objectiu per produir radioisòtops emissors de positrons, per exemple el 18F.
  • Els generadors de radioisòtops contenen un radioisòtop pare que es descompon per produir una filla radioactiva. La matriu es produeix generalment en un reactor nuclear. Un exemple típic és el generador de 99mTc utilitzat en medicina nuclear. El pare produït en el reactor és 99Mo.

UsosModifica

 
Exemple d'ús d'un isòtop traçador. L'ús d'àtoms de 13C permet determinar el mecanisme en la reacció de conversió 1,2- a 1,3-didehidrobenzé del fenil substituit per precursor arí (1) a acenaftilè.[8]

Els radioisòtops s'utilitzen de dues maneres principals: bé només per la seva radiació (irradiació, bateries nuclears) o bé per la combinació de les seves propietats químiques i la seva radiació (traçadors, biofàrmacs).

ExemplesModifica

En la següent taula s'enumeren les propietats dels radioisòtops seleccionats, il·lustrant la gamma de propietats i usos.

Isòtop Z N semivida Rad Des.
(keV)
Formació Notes
T (3H) 1 2 12,3 anys β 19 Cosmogènic És el radioisòtop més lleuger, usat en fusió nuclear artificial, per a la radioluminescència, i com a traçador de corrents oceànics. Sintetitzat a partir del bombardeig de neutrons de 6Li o de deuteri.
10Be 4 6 1.387.000 anys β 556 Cosmogènic S'utilitza per examinar l'erosió del sòl, la formació de sòl a partir de regolites, i l'edat dels nuclis de gel.
14C 6 8 5.700 anys β 156 Cosmogènic Usat per datació per radiocarboni
18F 9 9 110 minuts β+, ε 633/1655 Cosmogènic Font de positrons, sintetitzada per al seu ús com a traçador radioactiu en tomografies per emissió de positrons.
26Al 13 13 717.000 anys β+, ε 4004 Cosmogènic Datació per exposició de roques i sediments.
36Cl 17 19 301.000 anys β, ε 709 Cosmogènic Datació per exposició de roques, i traçador d'aigües subterrànies.
40K 19 21 1,24×109 anys β, ε 1330 /1505 Primordial Usat en la datació per potassi-argó, font d'argó atmosfèric, font de calor radiogènic, i la font més gran de radioactivitat natural.
41Ca 20 21 99.400 anys ε Cosmogènic Datació per exposició de roques carbonatades.
60Co 27 33 5,3 anys β 2824 Sintèctic Produeix raigs gamma d'alta energia, utilitzats per a radioteràpia, esterilització d'equips i irradiació d'aliments.
90Sr 38 52 28,8 anys β 546 Producte de fissió Productes de fissió de vida mitjana; probablement el component més perillós de la pluja radioactiva.
99Tc 43 56 210.000 anys β 294 Producte de fissió L'isòtop més comú de l'element inestable més lleuger, el més significatiu dels productes de fissió de llarga vida.
99mTc 43 56 6 hores γ, CI 141 Sintèctic El radioisòtop mèdic més comunament usat, usat com un traçador radioactiu.
129I 53 76 15.700.000 anys β 194 Cosmogènic El producte de fissió més longeu; traçador d'aigua subterrània.
131I 53 78 8 dies β 971 Producte defissió El risc més significatiu a curt termini per a la salut a causa de la fissió nuclear. Utilitzat en medicina nuclear i com traçador industrial.
135Xe 54 81 9,1 hores β 1160 Producte de fissió El «verí nuclear» (absorbent de neutrons) més fort conegut, amb un efecte important en el funcionament dels reactors nuclears.
137Cs 55 82 30,2 anys β 1176 Producte de fissió Un altre producte de fissió de vida mitjana d'interès.
153Gd 64 89 240 dies ε Sintèctic Calibratge d'equips nuclears. Cribratge de la densitat òssia.
209Bi 83 126 2,01×1019 anys α 3137 Primordial Considerat estable durant molt de temps, la descomposició només es va detectar el 2003.
210Po 84 126 138 dies α 5307 Producte de descomposició Altament tòxic, usat en l'enverinament d'Aleksandr Litvinenko.
222Rn 86 136 3,8 dies α 5590 Producte de descomposició Gas, responsable de la major part de l'exposició pública a les radiacions ionitzants.Segona causa més freqüent de càncer de pulmó.
232Th 90 142 1,4×1010 anys α 4083 Primordial Base del cicle de combustible de tori.
235U 92 143 7×108 anys α 4679 Primordial És físsil i és el principal combustible nuclear.
238U 92 146 4,5×109 anys α 4267 Primordial Principal isòtop d'urani.
238Pu 94 144 87,7 anys α 5593 Sintèctic Utilitzats en generadors termoelèctrics per radioisòtops (RTGs) i escalfadors de radioisòtops com a font d'energia per a naus espacials.
239Pu 94 145 24.110 anys α 5245 Sintèctic Usat per la majoria de les armes nuclears modernes.
241Am 95 146 432 anys α 5486 Sintèctic Utilitzat en detectors de fum domèstics com a agent ionitzant.
253Cf 98 154 2,64 anys α/SF 6217 Sintèctic Pateix una fissió espontània (3% de les desintegracions), el que el converteix en una potent font de neutrons, utilitzada com a iniciador de reactors i per a dispositius de detecció.

Impacte en els organismesModifica

Els radioisòtops que s'introdueixen en el medi ambient poden causar efectes nocius, com la contaminació radioactiva. També poden causar mal si s'usen excessivament durant el tractament o si s'exposen d'altres maneres a éssers vius, per enverinament per radiació. El dany potencial a la salut per l'exposició als radioisòtops depèn d'una sèrie de factors, i pot danyar les funcions dels teixits i òrgans sans. L'exposició a la radiació pot produir efectes que van des del enrogiment de la pell i la pèrdua de cabell, fins cremades per radiació i síndrome d'irradiació aguda. l'exposició perllongada pot portar a que les cèl·lules es danyin, i al seu torn, al fet que es desenvolupi el càncer. Els signes de cèl·lules canceroses podrien no aparèixer fins a anys, o fins i tot dècades, després de l'exposició.[15]

Taula resum de les classes d'isòtops «estables» i radioactiusModifica

A continuació es presenta una taula resum de la llista total de núclids amb semivides majors a una hora. Noranta d'aquests 989 isòtops són teòricament estables, excepte la desintegració de protons (que mai ha estat observada). Al voltant de 252 isòtops mai han estat observats en desintegració i clàssicament són considerats estables.

Els radioisòtops tabulats restants tenen una vida mitjana superior a 1 hora, i estan ben caracteritzats (veure llista de núclids per a una tabulació completa). Inclouen 30 isòtops amb semivides més llargues que l'edat estimada de l'univers (13.800 milions d'anys),[16] i altres 4 isòtops amb semivida molt llarga (> 100 milions d'anys) com perquè siguin isòtops primordial radioactius, i puguin ser detectats a la Terra, havent sobreviscut de la seva presència en la pols interestel·lar des d'abans de la formació del Sistema Solar fa uns 4,6 milions d'anys. Altres més de 60 isòtops de vida curta poden ser detectats naturalment com a filles d'isòtops de vida més llarga o productes de raigs còsmics. La resta dels isòtops coneguts es coneixen únicament per transmutació nuclear.

Els números no són exactes, i poden canviar lleugerament en el futur, ja que s'observa que els «isòtops estables» són radioactius amb semivides molt llargues.

Aquesta és una taula resum dels 989 isòtops amb semivida superior a una hora (incloent els que són estables), donats en llista de núclids.

Classe d'estabilitat Nombre de núclids Total en execució Notes sobre el total en execució
Teòricament estable per a tots, menys per a la desintegració del protó 90 90 Inclou els primers 40 elements. La desintegració del protó encara no ha estat observada.
Teòricament estable a la desintegració alfa, desintegració beta, transició isomérica, i doble desintegració beta, però no fissió espontània, la qual cosa és possible per als isòtops estables93Ni. 56 146 Tots els isòtops que són possibles completament estables (la fissió espontània mai s'ha observat per als isòtops amb un nombre màssic <232).
Energèticament inestable a un o més modes de desintegració coneguts, però encara no s'ha vist cap desintegració. Tots ells es consideren estables fins que es detecti la desintegració. 106 252 Total dels isòtops clàssicament estables.
Isòtops primordials radiactius. 34 286 Els elements primordials totals inclouen U, Th, Bi, 87Rb, 40K, 128Te, més tots els isòtops estables.
Radioactius no primordials, però que ocorren naturalment a la Terra. 61 347 14C (i altres isòtops generats per raigs còsmics) i filles d'elements primordials radioactius, com ara Ra, Po, etc. 41 d'ells tenen una semivida mitjana superior a una hora.
Radioactiu sintètic (semivida ≥ 1,0 hora). Inclou els radiotraçadors més utilitzats. 662 989 Aquests 989 núclids estan llistats en l'article Llista de núclids.
Radioactiu sintètic (semivida <1,0 hora). >2400 >3300 Inclou tots els isòtops sintètics ben caracteritzats.

Llista de radioisòtops disponibles al mercatModifica

Vegeu també: Llista de núclids i Taula de núclids

Aquesta llista abasta els isòtops comuns, la majoria dels quals estan disponibles en quantitats molt petites per al públic en general en la majoria dels països. Uns altres que no són d'accés públic es comercialitzen als camps industrial, sanitari i científic, i estan subjectes a la regulació governamental.

Només emissió de gammaModifica

Isòtop Activitat Semivida Energia (keV)
133Ba 9.694 TBq/kg (262 Ci/g) 10,7 anys 81,0; 356,0
109Cd 96.200 TBq/kg (2600 Ci/g) 453 dies 88,0
57Co 312.280 TBq/kg (8440 Ci/g) 270 dies 122,1
60Co 40.700 TBq/kg (1100 Ci/g) 5,27 anys 1173,2; 1332,5
152Eu 6.660 TBq/kg (180 Ci/g) 13,5 anys 121,8; 344,3; 1408,0
54Mn 287.120 TBq/kg (7760 Ci/g) 312 dies 834,8
22Na 237.540 Tbq/kg (6240 Ci/g) 2,6 anys 511,0; 1274,5
65Zn 304.510 TBq/kg (8230 Ci/g) 244 dies 511,0; 1115,5
99mTc 1,95×107
 TBq/kg (5,7 × 105 Ci/g)
6 hores 140

Només emissió betaModifica

Isòtop Activitat Semivida Energia (keV)
90Sr 5.180 TBq/kg (140 Ci/g) 28,5 anys 546,0
204Tl 17.057 TBq/kg (461 Ci/g) 3,78 anys 763,4
14C 166,5 TBq/kg (4.5 Ci/g) 5730 anys 49,5 (mitjana)
T (3H) 357.050 TBq/kg (9650 Ci/g) 12,32 anys 5,7 (mitjana)

Només emissió alfaModifica

Isòtop Activitat Semivida Energia (keV)
210Po 166.500 TBq/kg (4500 Ci/g) 138,376 dies 5304,5
238U 12.580 kBq/kg (0.00000034 Ci/g) 4.468 milions d'anys 4267

Múltiples emissors de radiacióModifica

Isòtop Activitat Semivida Tipus de radiació Energia (keV)
137Cs 3256 TBq/kg (88 Ci/g) 30,1 anys Gamma i beta G: 32; 661,6 B: 511,6; 1173.2
241Am 129,5 TBq/kg (3.5 Ci/g) 432,2 anys Gamma i alfa G: 59,5; 26,3, 13,9 A: 5485; 5443

Vegeu tambéModifica

ReferènciesModifica

  1. Petrucci, R.H; Harwood, W.S; Herring, F.G. General Chemistry (en anglès). Prentice-Hall, 2002, p. 1025–1026. 
  2. «Decay and Half Life» (en anglès).
  3. Stabin, Michael G. «3». A: Radiation Protection and Dosimetry: An Introduction to Health Physics (en anglès). Springer, 2007. DOI 10.1007/978-0-387-49983-3. ISBN 978-0387499826. 
  4. Best, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram. «1.3». A: Radiation Oncology Primer and Review (en anglès). Demos Medical Publishing, 2013. ISBN 978-1620700044. 
  5. ; Morrissey, D; Seaborg, G.T. Modern Nuclear Chemistry (en anglès). Wiley-Interscience, 2006, p. 57. ISBN 978-0-471-11532-8. 
  6. Eisenbud, Merril; Gesell, Thomas F. Environmental Radioactivity: From Natural, Industrial, and Military Sources (en anglès), 25 de febrer de 1997, p. 134. ISBN 9780122351549. 
  7. Bagnall, K.W. The Chemistry of Polonium". Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry 4 (en anglès). New York: Academic Press, 1962, p. 197-226. DOI 10.1016/S0065-2792(08)60268-X. ISBN 0-12-023604-4. 
  8. Blake, ME; Bartlett, K.L; Jones, M. Jr «A m-Benzyne to o-Benzyne Conversion Through a 1,2-Shift of a Phenyl Group» (en anglès). J. Am. Chem. Soc, 125, 2003, pàg. 6485.
  9. Ingvar, David H; Lassen, Niels A «Quantitative determination of regional cerebral blood-flow in man» (en anglès). The Lancet, 278(7206), 1961, pàg. 806–807. DOI: 10.1016/s0140-6736(61)91092-3.
  10. Ingvar, David H; Franzén, Göran «Distribution of cerebral activity in chronic schizophrenia» (en anglès). The Lancet, 304(7895), 1974, pàg. 1484–1486. DOI: 10.1016/s0140-6736(74)90221-9. PMID: 4140398.
  11. Lassen, Niels A; Ingvar, David H; Skinhøj, Erik «Brain Function and Blood Flow» (en anglès). Scientific American, 239(4), octubre 1978, pàg. 62–71. Bibcode: 1978SciAm.239d..62L. DOI: 10.1038/scientificamerican1078-62. PMID: 705327.
  12. «Smoke Detectors and Americium» (en anglès). World Nuclear.
  13. «DECRET 172/1988, de 14 d’abril, sobre parallamps radioactius» ( PDF). apabcn.
  14. Severijns, Nathal; Beck, Marcus; Naviliat-Cuncic, Oscar «Tests of the standard electroweak model in nuclear beta decay». Reviews of Modern Physics, 78(3), 2006, pàg. 991–1040. arXiv: nucl-ex/0605029. Bibcode: 2006RvMP...78..991S. DOI: 10.1103/RevModPhys.78.991.
  15. «Ionizing radiation, health effects and protective measures» (en anglès). World Health Organization (WHO).
  16. «Cosmic Detectives» (en anglès). The European Space Agency (ESA), 02-04-2013.

BibliografiaModifica

Enllaços externsModifica