רדיוכימיה

רדיוכימיה היא הכימיה של חומרים רדיואקטיביים, שבה איזוטופים רדיואקטיביים משמשים לחקר התכונות והתגובות הכימיות של איזוטופים לא רדיואקטיביים. רדיוכימיה כוללת חקר רדיואיזוטופים טבעיים ומעשה ידי אדם כאחד.

מודלים עיקריים של דעיכה

כל הרדיואיזוטופים הם איזוטופים לא יציבים, שעוברים דעיכה גרעינית ופולטים צורה כלשהי של קרינה. הקרינה הנפלטת יכולה להיות מכמה סוגים כולל קרינת אלפא, קרינת בטא, קרינת גמא, פליטת פרוטונים ונייטרונים יחד עם מסלולי דעיכה של נייטרינו ואנטי-חלקיקים.

• קרינת α (אלפא) - פליטת חלקיק אלפא (המכיל שני פרוטונים ושני נייטרונים) מגרעין אטום. כאשר זה קורה, המסה האטומית של האטום תקטן בארבע יחידות והמספר האטומי יקטן בשניים.
• קרינת β (ביתא) - התמרה של נייטרון לאלקטרון ולפרוטון. לאחר שזה קורה, האלקטרון נפלט מהגרעין אל ענן האלקטרונים.
• קרינת γ (גמא) - פליטת אנרגיה אלקטרומגנטית (כגון קרני גמא) מגרעין האטום. זה מתרחש בדרך כלל במהלך דעיכה רדיואקטיבית אלפא או בטא.

שלושת סוגי הקרינה הללו נבדלים בכוח החדירה שלהם. קרינת אלפא ניתן לעצור די בקלות באמצעות כמה סנטימטרים של אוויר או פיסת נייר והיא שווה ערך לגרעין הליום. קרינת בטא ניתן לעצור באמצעות יריעת אלומיניום בעובי של מילימטרים בודדים בלבד.קרינת גמא הוא החודרנית ביותר מבין השלושה והיא פוטון בעל אנרגיה גבוהה ונטול מסה. קרינת גמא דורשת מיגון ניכר של מתכת כבדה (בדרך כלל על בסיס עופרת או בריום) כדי להפחית את עוצמתה.

שיטות

• החלפת אטום ספציפי בתרכובת באיזוטופ רדיואקטיבי שלו מאפשרת לעקוב אחר תגובה כימית ותהליכים בתרכובת זו. דוגמה: חקירת תגובה כימית במולקולות שסומנו בפחמן-14.
• תיארוך רדיומטרי: שיטה לתיארוך חומרים המבוססת על ידיעת קצב הדעיכה הרדיואקטיבית של איזוטופים טבעיים, ושיעורו של קצב זה בעת המדידה. דוגמה: תיארוך פחמן-14 משמש לקביעת גילו של עצם המכיל חומר אורגני.

אנליזת אקטיבציה

באמצעות הקרנת עצמים בנייטרונים ניתן לעורר רדיואקטיביות; אקטיבציה זו של איזוטופים יציבים ליצירת רדיואיזוטופים היא הבסיס לאנליזת אקטיבציית נייטרונים . חפץ מעניין ביותר שנחקר בדרך זו הוא שיער מראשו של נפוליאון, שנבדק על תכולת הארסן בו.

קיימת סדרה של שיטות ניסוי, שתוכננו כדי לאפשר מדידה של מגוון אלמנטים במטריצות שונות. כדי לצמצם את השפעת המטריצה מקובל להשתמש במיצוי כימי של היסוד המבוקש ו/או לאפשר לרדיואקטיביות הנובעת ממרכיבי המטריצה להתפרק לפני מדידת הרדיואקטיביות. מכיוון שניתן לתקן את השפעת המטריצה באמצעות התבוננות בספקטרום ההתפרקות, הכנת דגימה מועטה או לא נדרשת עבור דגימות מסוימות, מה שהופך את אנליזת אקטיבציית נייטרונים לפחות רגישה לזיהום.

ניתן לראות את ההשפעות של סדרה של זמני קירור שונים אם דגימה היפותטית המכילה נתרן, אורניום וקובלט ביחס של 100:10:1 הייתה נתונה לפולס קצר מאוד של נייטרונים תרמיים. הרדיואקטיביות הראשונית תהיה נשלטת על ידי פעילות ²⁴Na (זמן מחצית חיים 15 שעות) אך עם הזמן הגדל ה-²³⁹Np (זמן מחצית חיים 2.4 דקות לאחר היווצרות מהאב ²³⁹U עם זמן מחצית חיים 24 דקות) ולבסוף פעילות ⁶⁰Co (5.3 שנים) תשלוט.

יישומים בביולוגיה

יישום אחד בביולוגיה הוא חקר ה-DNA באמצעות זרחן-32 רדיואקטיבי. בניסויים אלו, זרחן יציב מוחלף בזרחן-32 הרדיואקטיבי, הזהה מבחינה כימית, והרדיואקטיביות המתקבלת משמשת באנליזה של המולקולות והתנהגותן.

דוגמה נוספת היא העבודה שנעשתה על מתילציה של יסודות כמו גופרית, סלניום, טלוריום ופולוניום על ידי אורגניזמים חיים. הוכח שחיידקים יכולים להמיר את היסודות הללו לתרכובות נדיפות. נהוג לחשוב שמתילקובלמין (ויטמין B₁₂) גורם לאלקילציה של יסודות אלו ליצירת הדימתילים. הוכח ששילוב של קובאלוקסים ופולוניום אנאורגני במים סטריליים יוצר תרכובת פולוניום נדיפה, בעוד שניסוי בקרה שלא הכיל את תרכובת הקובלט לא יצר את תרכובת הפולוניום הנדיפה. לעבודת הגופרית נעשה שימוש באיזוטופ ³⁵S ואילו לפולוניום ²⁰⁷Po. בכמה עבודות קשורות על ידי הוספת ⁵⁷Co לתרבית החיידקים, ואחריה בידוד של הקובלמין מהחיידקים (ומדידה של הרדיואקטיביות של הקובלמין המבודד) הוכח שהחיידקים ממירים קובלט זמין למתילקובלמין.

ברפואה גרעינית, סריקות טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET) משמשות בדרך כלל למטרות אבחון. נותב קרינה מוזרק לוורידי המטופל שנלקח למכונת PET. הנותב הרדיואקטיבי משחרר קרינה החוצה מהמטופל והמצלמות במכונה מפרשות את הקרינה מהנותב. מכונות סריקת PET משתמשות בזיהוי נצנוץ במצב מוצק בגלל יעילות הזיהוי הגבוהה שלהן, גבישי NaI(Tl) סופגים את קרינת הנותב ומייצרים פוטונים המומרים לאות חשמלי עבור המכונה לאנליזה. בנוסף רפואה גרעינית עושה שימוש באטומים רדיואקטיביים ובקרינה מייננת לשם מחקר ואבחון מחלות וכדי ללמוד על שינויים פתולוגיים.

סביבה

רדיוכימיה כוללת גם חקר התנהגותם של רדיואיזוטופים בסביבה; למשל, שריפת יער או דשא יכולה להפוך רדיואיזוטופים לניידים שוב. בניסויים אלה, הופעלו שריפות באזור הסגור סביב צ'רנוביל ונמדדה הרדיואקטיביות באוויר במורד הרוח.

תהליכים רבים יכולים לשחרר רדיואקטיביות לסביבה, למשל, פעולת הקרניים הקוסמיות באוויר אחראית ליצירת רדיואיזוטופים (כגון ¹⁴C ו-³²P), ההתפרקות של ²²⁶Ra יוצרת ²²²Rn שהוא גז שיכול להתפזר דרך סלעים לפני שהוא נכנס למבנים ולהתמוסס במים וכך להיכנס למי שתייה. בנוסף, פעילויות אנושיות כמו ניסוי בנשק גרעיני, תאונות, ופעילות שגרתית בתעשייה הביאו לשחרור רדיואקטיביות.

כימיה של האקטינידים

הכימיה הסביבתית של כמה יסודות רדיואקטיביים כמו פלוטוניום מסובכת בשל העובדה שתמיסות של יסוד זה יכולות לעבור דיספרופורציונציה, וכתוצאה מכך, מצבי חמצון רבים ושונים יכולים להתקיים במקביל. נעשתה עבודה מסוימת על זיהוי מצב החמצון ומספר קואורדינציה של פלוטוניום ושאר האקטינידים בתנאים שונים. זה כולל עבודה גם על פתרונות של קומפלקסים פשוטים יחסית וגם עבודה על קולואידים שתיים מהמטריצות המרכזיות הן קרקע/סלע ובטון, במערכות אלו נחקרו התכונות הכימיות של פלוטוניום בשיטות כגון EXAFS ו-XANES .

חינוך

למרות השימוש ההולך וגובר ברפואה גרעינית, פוטנציאל ההתרחבות של תחנות כוח גרעיניות, וחששות לגבי הגנה מפני איומים גרעיניים וניהול הפסולת הגרעינית שנוצרה בעשורים האחרונים, מספר הסטודנטים הבוחרים להתמחות בגרעין וברדיוכימיה ירד באופן משמעותי במהלך העשורים האחרונים. כעת, כאשר מומחים רבים בתחומים אלה מתקרבים לגיל פרישה, נדרשת פעולה כדי למנוע פער בכוח העבודה בתחומים קריטיים אלה, למשל על ידי בניית עניין של סטודנטים בקריירות אלה, הרחבת היכולת החינוכית של אוניברסיטאות ומכללות, והכשרה תוך כדי עבודה.

גרעין ורדיוכימיה (Nuclear and Radiochemistry - NRC) נלמדים בעיקר ברמת האוניברסיטה, בדרך כלל תחילה ברמת תואר שני ודוקטורט. באירופה נעשה מאמץ משמעותי להרמוניה ולהכין את החינוך ב-NRC לצרכים העתידיים של התעשייה והחברה. מאמץ זה מתואם בפרויקטים הממומנים על ידי הפעולה המתואמת הנתמכת על ידי תוכנית המסגרת השביעית של סוכנות האטום האירופית: פרויקט CINCH-II - שיתוף פעולה בחינוך והכשרה בכימיה גרעינית.