Americium-241

Americium-241 (²⁴¹Am) je izotop americia. Stejně jako ostatní izotopy tohoto prvku je radioaktivní. Jde o nejrozšířenější izotop americia v jaderném odpadu. Vzniká β⁻ přeměnou z ²⁴¹Pu, záchytem elektronu z ²⁴¹Cm a α rozpadem z ²⁴⁵Bk. Poločas přeměny ²⁴¹Am je 432,6 let (tomu odpovídá měrná aktivita 127 GBq/g), téměř vždy dojde k α rozpadu na ²³⁷Np, probíhá také spontánní štěpení (s pravděpodobností 4×10⁻¹²).^[1] Jeho výskyt v plutoniu záleží na původní koncentraci plutonia-241 a na stáří vzorku.

²⁴¹Am je štěpitelný nuklid, kritická hmotnost čistého izotopu je 57,6-75,6 kg (tomu odpovídá koule o poloměru 19–21 cm).^[2]

²⁴¹Am se obvykle používá ve formě ²⁴¹AmO₂. Často se využívá v ionizačních detektorech kouře, kromě toho se jedná o potenciální palivo v dlouhodobých radioizotopových termoelektrických generátorech.

Výroba

Americium-241 bylo v malých množstvích vyráběno v jaderných reaktorech po desítky let, již jej bylo vyrobeno mnoho kilogramů. Poprvé bylo nabídnuto k prodeji v roce 1962, ovšem jeho cena, kolem 1 500 USD za gram, se od té doby téměř nezměnila kvůli velmi složitému separačnímu procesu.^[3]

²⁴¹Am se nevyrábí přímo z uranu, ale z ²³⁹Pu. Nejprve je vyroben druhý z uvedených nuklidů touto řadou jaderných reakcí

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ \xrightarrow {(n,\gamma )} \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23{,}5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2{,}3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Záchyt dvou neutronů ²³⁹Pu vede ke vzniku ²⁴¹Pu, které se přemění na ²⁴¹Am

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow {2~(n,\gamma )} \ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14{,}35\ r}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }$

Plutonium obsažené ve vyhořelém jaderném palivu obsahuje kolem 12 % ²⁴¹Pu. Jelikož se tento nuklid přeměňuje na ²⁴¹Am, lze jej oddělit a využít k výrobě ²⁴¹Am^[3]; tento proces je ovšem pomalý: polovina původního množství ²⁴¹Pu se přemění na ²⁴¹Am za 14 let a množství ²⁴¹PAm dosáhne maxima za 70 let.^[4]

Získané ²⁴¹Am lze použít na výrobu těžších izotopů americia záchytem neutronů v jaderném reaktoru. V lehkovodním reaktoru se 79 % ²⁴¹Am přemění na ²⁴²Am a 10 % na jaderný izomer ^242mAm^[5]

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

Použití

Ionizační detektory kouře

Americium-241 je jediný syntetický nuklid, který našel své využití v domácnostech, kde se používá v nejběžnějším typu požárních hlásičů (s ionizačním detektorem kouře) ²⁴¹AmO₂ jako zdroj ionizujícího záření.^[6] Tento izotop je upřednostňován před ²²⁶Ra, protože vyzařuje pětkrát více alfa částic a také poměrně málo škodlivé záření gama. Vzhledem k poločasu rozpadu 432,6 let se množství americia v detektoru postupně snižuje, po 19 letech obsahuje přibližně 3 % a po 32 letech přibližně 5 % neptunia. Obvyklé množství americia v novém hlásiči je 0,29 mikrogramů, aktivita asi 37 kBq; v některých starších průmyslových hlásičích až 3 MBq. Obsah ²⁴¹Am se jeho rozpadem na ²³⁷Np (s mnohem delším poločasem, tedy nižší aktivitou) pomalu snižuje. Vyzařované částice alfa procházejí ionizační komorou, vzduchem vyplněným místem mezi dvěma elektrodami, což umožňuje, aby mezi deskami kondenzátoru procházel díky ionizaci vzduchu malý, ale stálý elektrický proud. Pokud se do tohoto prostoru dostane kouř, pohltí některé alfa částice, zmírní ionizaci vzduchu a způsobí snížení protékajícího proudu. Přístroj zaznamená tuto změnu proudu a rozezní piezoelektrický bzučák. Ve srovnání s optickými detektory je ionizační detektor levnější a citlivější, ovšem také náchylnější k falešným poplachům.

Výroba detektorů

Výroba americia do hlásičů začíná u oxidu americičitého, který je důkladně promíchán se zlatem, vytvarován do žádoucího tvaru a roztaven za vysokého tlaku a při teplotě nad 800 °C. Přidá se stříbro a přední kryt ze zlata (nebo slitiny zlata či palladia) a za tepla se zpevní. Produkt je zpracován několika cykly válcování za studena, aby bylo dosaženo požadované tloušťky a úrovně radioaktivity. Konečná tloušťka je okolo 0,2 mm, z čehož asi 1 % představuje zlato. Vzniklý, asi 20 mm široký, pás se rozdělí na asi 1 metr dlouhé úseky. Z tohoto pásu jsou vyraženy disky o průměru kolem 5 mm, které se následně vloží do (většinou hliníkového) pláště, který tvoří většinu toho, co je vidět na disku. Tenký okraj tohoto pláště se přehne a zcela uzavře disk.^[7]

Radioizotopové generátory

Jelikož má ²⁴¹Am relativně podobný poločas přeměny jako ²³⁸Pu (432,6 let oproti 87,7 rokům), bylo navrženo jeho využití v radioizotopových termoelektrických generátorech v kosmických sondách a lodích.^[8][9] I když americium-241 vytváří méně tepla a elektrické energie než plutonium-238 (114,7 mW/g u ²⁴¹Am a 390 mW/g u ²³⁸Pu)^[8] a přestože jím vydávané záření představuje větší hrozbu pro člověka kvůli vyzařování gama fotonů a neutronů jej Evropská kosmická agentura hodlá využít ve svých kosmických sondách v důsledku celosvětového nedostatku plutonia-238.^[10]

Zdroj neutronů

Oxidy ²⁴¹Am smíchané pod tlakem s berylliem mohou být velmi účinnými zdroji neutronů. Radioaktivním rozpadem se uvolňují částice alfa

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432{,}2r}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59{,}5~keV} }$

,které reagují s berylliem

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

Takovéto zdroje neutronů se nejčastěji využívají v neutronových sondách - zařízeních pro měření vlhkosti půdy, také v tomografii a dalších radiochemických metodách.

Výroba dalších prvků

Americium-241 se někdy používá jako výchozí surovina při výrobě dalších transuranů, například ostřelováním ²⁴¹Am neutrony vzniká ²⁴²Am: ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$ , které se následně z 82,7 % přeměňuje na ²⁴²Cm a ze 17,3 % na ²⁴²Pu: ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm} }$ ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16.02\ h}]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu} }$

V jaderných reaktorech také vzniká dalším záchytem neutronů ²⁴³Am a ²⁴⁴Am, které se přeměňuje na ²⁴⁴Cm: ${\displaystyle \mathrm {^{242}_{\ 95}Am{\xrightarrow {(n,\gamma )}}~_{\ 95}^{243}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10.1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }$

Ozářením ²⁴¹Am jádry ¹²C nebo ²²Ne lze získat ²⁵³Es a ²⁶³Db.^[11] Berkelium (konkrétně izotop ²⁴³Bk bylo poprvé připraveno ostřelováním ²⁴¹Am alfa částicemi. Podobně bylo ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů v Dubně několika reakcemi, mimo jiné ozářením ²⁴³Am ionty ¹⁵N, připraveno nobelium. Jedna z reakcí pro syntézu lawrencia, objevená vědci z Berkeley a Dubny, zahrnuje bombardování ²⁴³Am jádry ¹⁸O.

Spektrometrie

Americium-241 se používá jako zdroj gama záření i alfa částic pro mnohá medicínská a průmyslová využití. Emise gama záření o energii 59,54 keV lze použít k nepřímé analýze materiálu v radiografii a rentgenové fluorescenční spektroskopii. Americium-241 je také možné použít ke kalibraci gama spektrometrů v nízkém energetickém pásmu, jelikož jeho spektrum obsahuje prakticky jediný vrchol a zanedbatelné Comptonovo kontinuum (s nejméně o tři řády nižší intenzitou).^[12]

Lékařství

Gama záření americia-241 se používalo k diagnóze funkce štítné žlázy, toto použití je již zastaralé. Pomocí tohoto záření lze získat poměrně kvalitní radiografické snímky (expoziční doba je 10 minut). Radiografické přístroje s americiem-241 byly pouze testovány a nikdy nebyly použity v praxi z důvodu dlouhého času, po který by bylo třeba pacienta vystavit účinkům záření, které je karcinogenní.^[13]

Bezpečnost

Americium-241 je podobně jako ostatní izotopy americia vysoce toxické a radioaktivní. Přestože mohou být alfa částice zastaveny už listem papíru, tak po požití způsobují vážné zdravotní problémy. Izotopy americia jsou také velmi toxické, podobně jako těžké kovy. Nejvyšší přípustná dávka ²⁴¹Am je 1 110 Bq.^[14]

Americium-241 vyzařuje také gama záření. Bezpečné skladování americia-241 vyžaduje dodržování bezpečnostních předpisů, bez toho je značně nebezpečné. Jeho konstanta dávky záření gama je 8,48x10⁻⁵ mSv/h/MBq na metr.

Při pozření se americium-241 vyloučí během několika dnů a pouze 0,05 % přejde do krve, z toho po 45 % se dostane do jater a do kostí a zbylých 10 % je vyloučeno. Míra absorpce v játrech se zvyšuje s věkem. V kostech se nejprve hromadí v kůře a poté se pomalu dostává do ostatních částí. Biologický poločas ²⁴¹Am je 50 let v kostech a 20 let v játrech, zatímco v pohlavních orgánech zůstává stále.^[15]

Americium-241 se často dostává na skládky spolu s vyřazenými požárními hlásiči.

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Americium-241 na anglické Wikipedii.