핵화학(Nuclear chemistry)

[dhleepaul]

핵화학(Nuclear chemistry)

알파 붕괴는 방사성 붕괴의 한 유형으로, 원자핵이 알파 입자를 방출하여 

질량수가 4 감소하고 원자 번호가 2 감소하는 원자로 변형 (또는 "붕괴")됩니다.

핵 화학은 방사능, 핵 과정 및 핵 변형 및 핵 특성과 같은 원자핵의 변형을 다루는 화학의 하위 분야입니다.

그것은 악티늄족, 라듐 및 라돈과 같은 방사성 원소와 핵 과정을 수행하도록 설계된 장비 (예 : 원자로)와 관련된 화학 물질의 화학적 성질입니다. 여기에는 표면의 부식 및 정상 작동 조건(예: 사고 중)에서의 동작이 포함됩니다. 중요한 영역은 핵 폐기물 저장 또는 처분장에 놓인 후 물체와 물질의 거동입니다.

여기에는 살아있는 동물, 식물 및 기타 물질 내의 방사선 흡수로 인한 화학적 영향에 대한 연구가 포함됩니다. 방사선 화학은 방사선이 분자 수준에서 생물에 영향을 미치기 때문에 방사선 생물학의 많은 부분을 제어합니다. 다른 방식으로 설명하자면, 방사선은 유기체 내의 생화학 물질을 변화시키고, 생체 분자의 변화는 유기체 내에서 발생하는 화학적 작용을 변화시킵니다. 이러한 화학적 변화는 생물학적 결과로 이어질 수 있습니다. 그 결과, 핵화학은 의학적 치료(예: 암 방사선 요법)에 대한 이해에 큰 도움이 되며 이러한 치료법을 개선할 수 있게 했습니다.

Radiobiology - Wikipedia

여기에는 다양한 공정에서 방사성 선원의 생산 및 사용에 대한 연구가 포함됩니다. 여기에는 의료 응용 분야의 방사선 요법이 포함됩니다. 산업, 과학 및 환경 분야에서의 방사성 추적자 사용, 폴리머와 같은 물질을 변형하기 위한 방사선 사용. [1]

또한 인간 활동의 비방사성 영역에서의 핵 과정에 대한 연구와 사용도 포함됩니다. 예를 들어, 핵자기공명(NMR) 분광법은 합성 유기 화학 및 물리 화학, 고분자 화학의 구조 분석에 일반적으로 사용됩니다.

역사[편집]

1895년 빌헬름 뢴트겐이 X선을 발견한 후 많은 과학자들이 전리 방사선에 대한 연구를 시작했습니다. 이들 중 한 명인 앙리 베크렐(Henri Becquerel)은 인광과 사진판의 검게 변하는 것 사이의 관계를 조사했습니다. 베크렐(Becquerel, 프랑스에서 일)이 외부 에너지원이 없으면 우라늄이 사진판을 검게 (또는 안개에 낀다) 할 수 있는 광선을 생성한다는 것을 발견했을 때, 방사능이 발견되었다. 마리 스워도프스카-퀴리(Marie Skłodowska-Curie, 파리에서 일)와 그녀의 남편 피에르 퀴리(Pierre Curie)는 우라늄 광석에서 두 개의 새로운 방사성 원소를 분리했다. 그들은 방사성 측정 방법을 사용하여 각 화학적 분리 후에 방사능이 어느 흐름에 있는지 확인했습니다. 그들은 우라늄 광석을 당시에 알려진 서로 다른 화학 원소 각각으로 분리하고 각 분획의 방사능을 측정했습니다. 그런 다음 그들은 이러한 방사성 분획을 더 분리하여 더 높은 특정 활동(방사능을 질량으로 나눈 값)을 가진 더 작은 분획을 분리하려고 시도했습니다. 이런 식으로 그들은 폴로늄과 라듐을 분리했습니다. 1901년경에 고량의 방사선이 인간에게 부상을 입힐 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 앙리 베크렐(Henri Becquerel)은 주머니에 라듐 샘플을 가지고 다녔는데, 그 결과 그는 극도로 국소적인 방사선 투여를 당했고, 이로 인해 방사능 화상을 입었다. [2] 이 손상으로 인해 방사선의 생물학적 특성이 조사되었고, 시간이 지남에 따라 의학적 치료법이 개발되었습니다.

캐나다와 영국에서 일하던 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)는 방사성 붕괴가 간단한 방정식(선형 1도 미분 방정식, 현재 1차 동역학이라고 함)으로 설명될 수 있음을 보여주었는데, 이는 주어진 방사성 물질이 특징적인 "반감기"(선원에 존재하는 방사능의 양이 절반으로 감소하는 데 걸리는 시간)를 가지고 있음을 암시합니다. 그는 또한 알파선, 베타선, 감마선이라는 용어를 만들었고, 질소를 산소로 전환했으며, 가장 중요한 것은 원자의 '자두 푸딩 모델'이 틀렸다는 것을 보여주는 가이거-마스덴 실험(금박 실험)을 수행한 학생들을 감독한 것입니다. 1904년 J. J. 톰슨(J. J. Thomson)이 제안한 자두 푸딩 모델에서, 원자는 전자의 음전하의 균형을 맞추기 위해 양전하의 '구름'으로 둘러싸인 전자로 구성되어 있습니다. 러더퍼드에게 금박 실험은 양전하가 매우 작은 핵에 국한되어 처음에는 러더퍼드 모델로, 결국에는 원자의 보어 모델로 이어진다는 것을 의미했는데, 여기서 양핵은 음의 전자로 둘러싸여 있습니다.

1934년, 마리 퀴리의 딸(이렌 졸리오-퀴리)과 사위(프레데릭 졸리오-퀴리)는 최초로 인공 방사능을 만들었다: 그들은 붕소에 알파 입자를 쏘아 중성자가 부족한 동위원소인 질소-13을 만들었다. 이 동위원소는 양전자를 방출했습니다. [3] 또한 그들은 알루미늄과 마그네슘에 중성자를 충격하여 새로운 방사성 동위원소를 만들었습니다.

1920년대 초, 오토 한(Otto Hahn)은 새로운 연구 분야를 창안했습니다. 그는 최근에 개발한 "발산 방법"과 "발산 능력"을 사용하여 일반적인 화학 및 물리 화학적 문제를 연구하기 위해 "응용 방사선 화학"으로 알려진 것을 설립했습니다. 1936년 Cornell University Press는 1933년 뉴욕 이타카의 코넬 대학에서 객원 교수로 재직할 때 한 교수의 강의를 담은 Applied Radiochemistry라는 제목의 영어(나중에는 러시아어)라는 책을 출판했습니다. 이 중요한 출판물은 1930년대와 1940년대에 미국, 영국, 프랑스, 소련의 거의 모든 핵화학자와 물리학자에게 큰 영향을 미쳤으며 현대 핵화학의 토대를 마련했습니다. [4] 한(Hahn)과 리즈 마이트너(Lise Meitner)는 라듐, 토륨, 프로트악티늄, 우라늄의 방사성 동위원소를 발견했다. 그는 또한 방사성 반동과 핵 이성질체 현상을 발견하고 루비듐-스트론튬 연대 측정을 개척했습니다. 1938년, 한(Hahn), 리제 마이트너(Lise Meitner), 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassmann)은 핵분열을 발견했고, 이 공로로 1944년 노벨 화학상을 수상했습니다. 핵분열은 원자로와 핵무기의 기초였습니다. 한은 핵화학의 아버지이자 핵분열의 대부로 불린다[5][6][7]. [8]

주요 영역[편집]

방사 화학은 방사성 물질의 화학으로, 원소의 방사성 동위 원소를 사용하여 비 방사성 동위 원소의 특성과 화학 반응을 연구합니다 (종종 방사 화학에서 방사능이 없으면 동위 원소가 안정적이기 때문에 물질이 비활성 상태로 설명됩니다).

자세한 내용은 방사화학에 관한 페이지를 참조해 주십시오.

방사선 화학[편집]

방사선 화학은 방사선이 물질에 미치는 화학적 영향에 대한 연구입니다. 이것은 방사선에 의해 화학적으로 변화되는 물질에 방사능이 존재할 필요가 없기 때문에 방사 화학과 매우 다릅니다. 예를 들어 물을 수소 가스와 과산화수소로 변환하는 것이 있습니다. 방사선 화학이 나오기 전에는 일반적으로 순수한 물은 파괴될 수 없다고 믿었습니다. [9]

초기 실험은 방사선이 물질에 미치는 영향을 이해하는 데 중점을 두었습니다. Hugo Fricke는 X선 발생기를 사용하여 방사선이 일반적인 치료 옵션 및 진단 방법이 됨에 따라 방사선의 생물학적 영향을 연구했습니다. [9] Fricke는 X 선의 에너지가 물을 활성화 된 물로 변환하여 용해 된 종과 반응 할 수 있음을 제안하고 나중에 증명했습니다. [10]

원자력용 화학[편집]

방사화학, 방사선화학, 핵화학공학은 우라늄과 토륨 연료의 전구체 합성에 매우 중요한 역할을 하는데, 이러한 원소의 광석, 연료 제조, 냉각수 화학, 연료 재처리, 방사성 폐기물 처리 및 저장, 원자로 운전 및 방사성 지질학적 저장 중 방사성 원소 방출 모니터링 등[11]

핵반응에 관한 연구[편집]

참조: nuclear physics and nuclear reactions (핵 물리학과 핵 반응)

방사 화학과 방사선 화학의 조합은 핵분열 및 핵융합과 같은 핵 반응을 연구하는 데 사용됩니다. 핵분열에 대한 초기 증거는 중성자가 조사된 우라늄에서 분리된 바륨의 단수명 방사성 동위원소의 형성이었다(반감기가 83분인 139Ba와 반감기가 12.8일인 140Ba는 우라늄의 주요 핵분열 생성물이다). 당시에는 이것이 새로운 라듐 동위원소라고 생각되었는데, 당시에는 라듐 분리를 돕기 위해 황산바륨 운반체 침전물을 사용하는 것이 표준 방사화학 관행이었기 때문입니다. [12] 보다 최근에는 방사 화학적 방법과 핵 물리학의 조합이 새로운 '초중량' 원소를 만드는 데 사용되었습니다. 핵종의 반감기가 수년인 곳에 상대적으로 안정적인 섬이 존재하며, 따라서 새로운 원소의 무게를 측정할 수 있는 양을 분리할 수 있다고 생각됩니다. 핵분열의 최초 발견에 대한 자세한 내용은 Otto Hahn의 연구를 참조하십시오. [13]

핵연료 주기[편집]

이것은 핵 재처리를 포함하여 핵 연료 주기의 모든 부분과 관련된 화학 물질입니다. 연료 사이클에는 채광, 광석 가공 및 농축에서 연료 생산(사이클의 프런트 엔드)에 이르기까지 연료 생산과 관련된 모든 작업이 포함됩니다. 또한 사이클의 백엔드 전에 'in-pile' 동작(반응기에서 연료 사용)이 포함됩니다. 백엔드에는 사용 후 핵연료를 지하 폐기물 저장소로 처리하거나 재처리하기 전에 사용 후 핵연료 저장소 또는 건식 저장소에서 사용하는 관리가 포함됩니다.

정상 및 비정상 상태[편집]

핵 연료 주기와 관련된 핵 화학은 두 가지 주요 영역으로 나눌 수 있는데, 한 영역은 의도된 조건에서의 작동과 관련이 있고 다른 영역은 정상적인 작동 조건에서 일부 변경이 발생하거나 (더 드물게) 사고가 발생하는 오작동 조건과 관련이 있습니다. 이 과정이 없었다면 이 중 어느 것도 사실이 아니었을 것입니다.

재처리[편집]

법[편집]

미국에서는 원자로에서 연료를 한 번 사용한 후 폐기물 저장고에 버리는 것이 일반적입니다. 장기 계획은 현재 사용 후 민간 원자로 연료를 깊은 곳에 저장하는 것입니다. 이 비재처리 정책은 핵무기 확산에 대한 우려 때문에 1977년 3월에 시작되었습니다. 지미 카터 대통령은 미국 내에서 플루토늄의 상업적 재가공과 재활용을 무기한 중단하는 대통령 지시를 발표했다. 이 지침은 미국이 다른 나라를 모범으로 보이려는 시도였을 가능성이 높지만, 다른 많은 국가에서는 사용 후 핵연료를 계속 재처리하고 있습니다. 블라디미르 푸틴 대통령이 이끄는 러시아 정부는 사용 후 핵연료의 수입을 금지하는 법률을 폐지하여 러시아인이 러시아 국외 고객에게 재처리 서비스를 제공할 수 있도록 했습니다(BNFL이 제공하는 것과 유사).

PUREX 화학[편집]

현재 선택되는 방법은 트리부틸 인산염/탄화수소 혼합물을 사용하여 질산에서 우라늄과 플루토늄을 모두 추출하는 PUREX 액체-액체 추출 공정을 사용하는 것입니다. 이 추출은 질산염에 의한 것이며 용매화 메커니즘으로 분류됩니다. 예를 들어, 질산염 매질에서 추출제(S)에 의한 플루토늄 추출은 다음과 같은 반응에 의해 발생합니다.

Pu4 + aq + 4NO 3-aq + 2S유기 → [Pu (NO3) 4S2] 유기

금속 양이온, 질산염 및 트리부틸 포스페이트 사이에 복잡한 결합이 형성되며, 2개의 질산염 음이온과 2개의 트리에틸 포스페이트 리간드가 있는 디옥수라늄(VI) 복합체의 모델 화합물이 X선 결정학으로 특성화되었습니다. [14]

질산 농도가 높으면 유기상으로의 추출이 선호되고 질산 농도가 낮으면 추출이 역전됩니다(유기상에서 금속이 제거됨). 사용 후 연료를 질산에 용해시키는 것은 정상이며, 불용성 물질을 제거한 후 고활성 액체에서 우라늄과 플루토늄을 추출합니다. 그런 다음 적재된 유기상을 다시 추출하여 미량의 핵분열 생성물만 있는 대부분 우라늄과 플루토늄을 포함하는 중간 활성 액체를 만드는 것이 정상입니다. 이 매체 활성 수성 혼합물은 트리부틸 포스페이트/탄화수소에 의해 다시 추출되어 새로운 유기상을 형성하고, 금속 베어링 유기상은 금속을 제거하여 우라늄과 플루토늄의 수성 혼합물을 형성합니다. 추출의 두 단계는 악티늄족 생성물의 순도를 향상시키는 데 사용되며, 첫 번째 추출에 사용되는 유기상은 훨씬 더 많은 방사선 선량을 겪게 됩니다. 방사선은 트리부틸 포스페이트를 디부틸 수소 포스페이트로 분해할 수 있습니다. 디부틸 수소 인산염은 악티늄족과 루테늄과 같은 다른 금속 모두에 대한 추출제로 작용할 수 있습니다. 디부틸 수소 인산염은 이온 교환 메커니즘 (낮은 산 농도에 의해 선호되는 추출)에 의해 금속을 추출하는 경향이 있기 때문에 시스템을보다 복잡한 방식으로 작동 할 수 있으며, 디부틸 수소 인산염의 영향을 줄이기 위해 사용 된 유기상을 탄산나트륨 용액으로 세척하여 트리부틸 포스파티올로포루스의 산성 분해 생성물을 제거하는 것이 일반적입니다.

향후 사용을 위해 고려되는 새로운 방법[편집]

PUREX 공정은 사용 후 연료의 질량과 부피의 대부분을 차지하는 우라늄을 제거하고 재처리된 우라늄으로 재활용함으로써 Yucca Mountain 핵 폐기물 저장소와 같은 고준위 핵폐기물 처리장 내부 공간을 절약하는 데 사용할 수 있는 UREX(URanium EXtraction) 공정을 만들도록 수정할 수 있습니다.

UREX 공정은 플루토늄이 추출되는 것을 방지하기 위해 수정된 PUREX 공정입니다. 이는 첫 번째 금속 추출 단계 전에 플루토늄 환원제를 첨가하여 수행할 수 있습니다. UREX 공정에서 우라늄의 ~99.9%와 테크네튬의 >95%는 서로 그리고 다른 핵분열 생성물과 악티늄족으로부터 분리됩니다. 핵심은 아세토하이드록사믹산(AHA)을 공정의 추출 및 스크럽 섹션에 추가하는 것입니다. AHA를 첨가하면 플루토늄과 넵투늄의 추출성이 크게 감소하여 PUREX 공정의 플루토늄 추출 단계보다 더 큰 증식 저항성을 제공합니다.

두 번째 추출제인 옥틸(페닐)-N,N-디부틸 카르바모일메틸 포스핀 옥사이드(CMPO)와 트리부틸 포스페이트(TBP)를 첨가하면 PUREX 공정은 TRUEX(TRansUranic EXtraction) 공정으로 전환될 수 있습니다. 이것은 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)가 미국에서 발명한 공정이며 폐기물에서 초우라늄 금속(Am/Cm)을 제거하도록 설계되었습니다. 아이디어는 폐기물의 알파 활성을 낮춤으로써 대부분의 폐기물을 더 쉽게 처리할 수 있다는 것입니다. PUREX와 마찬가지로 이 프로세스는 용매화 메커니즘에 의해 작동합니다.

TRUEX의 대안으로 말론디아미드를 사용한 추출 공정이 고안되었습니다. DIAMEX(DIAMideEXtraction) 공정은 탄소, 수소, 질소 및 산소 이외의 원소를 포함하는 유기 폐기물의 형성을 방지하는 장점이 있습니다. 이러한 유기 폐기물은 산성비에 기여할 수 있는 산성 가스의 형성 없이 연소될 수 있습니다. DIAMEX 프로세스는 프랑스 CEA에 의해 유럽에서 진행되고 있습니다. 이 공정은 공정에 대한 기존 지식으로 산업 플랜트를 건설할 수 있을 만큼 충분히 성숙했습니다. PUREX와 마찬가지로 이 프로세스는 용매화 메커니즘에 의해 작동합니다. [15][16]

선택적 악티늄족 추출(SANEX). 미량 악티늄족 관리의 일환으로, 란탄족 및 3가 미량 악티늄족은 DIAMEX 또는 TRUEX와 같은 공정에 의해 PUREX 라피네이트에서 제거되어야 한다고 제안되었습니다. 아메리슘과 같은 악티늄족이 산업적 자원으로 재사용되거나 연료로 사용되려면 란탄족을 제거해야 합니다. 란탄족은 큰 중성자 단면을 가지고 있으므로 중성자에 의한 핵 반응을 독살할 것입니다. 현재까지 SANEX 공정의 추출 시스템은 정의되지 않았지만 현재 여러 연구 그룹이 공정을 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, 프랑스 CEA는 비스-트리아지닐 피리딘(BTP) 기반 공정을 연구하고 있습니다.

디티오스핀산(dithiophosphinic acids)과 같은 다른 시스템들은 다른 연구자들에 의해 연구되고 있다.

이것은 러시아와 체코에서 개발된 UNiversal EX견인 공정으로, 사용된 핵연료에서 우라늄과 플루토늄을 추출한 후 남은 라피네이트에서 가장 번거로운(Sr, Cs 및 미량 악티늄족) 방사성 동위원소를 모두 제거하도록 설계된 공정입니다. [17][18] 화학은 세슘과 스트론튬의 상호 작용과 폴리 에틸렌 옥사이드(폴리 에틸렌 글리콜) 및 코발트 카보란 음이온(염소화 코발트 디카르볼라이드로 알려짐)의 상호 작용을 기반으로 합니다. [19] 악티늄족은 CMPO에 의해 추출되며, 희석제는 니트로벤젠과 같은 극성 방향족 화합물입니다. 메타-니트로벤조트리플루오라이드(meta-nitrobenzotri fluoride) 및 페닐 트리플루오로메틸 설폰(phenyl trifluoromethyl sulfone)과 같은 다른 희석제도 제안되었습니다. [20]

표면에서의 핵분열 생성물의 흡수[편집]

핵 화학의 또 다른 중요한 영역은 핵분열 생성물이 표면과 어떻게 상호 작용하는지에 대한 연구입니다. 이것은 정상적인 조건에서의 폐기물 용기와 사고 조건에서의 원자로 모두에서 핵분열 생성물의 방출 및 이동 속도를 제어하는 것으로 생각됩니다. 크로메이트 및 몰리브덴산염과 마찬가지로 99TcO4 음이온은 강철 표면과 반응하여 부식 방지 층을 형성할 수 있습니다. 이러한 방식으로, 이러한 메탈록소 음이온은 양극 부식 억제제로 작용합니다. 강철 표면에 99TcO2 가 형성되는 것은 오염 제거 전에 손실 된 핵 폐기물 드럼 및 핵 장비 (예 : 바다에서 손실 된 잠수함 원자로)에서 99Tc의 방출을 지연시키는 한 가지 효과입니다. 이 99TcO2 층은 강철 표면을 수동적으로 만들어 양극 부식 반응을 억제합니다. 테크네튬의 방사성 특성으로 인해 이러한 부식 방지 기능은 거의 모든 상황에서 실용적이지 않습니다. 또한 99개의 TcO4 음이온이 반응하여 활성탄 (숯) 또는 알루미늄 표면에 층을 형성하는 것으로 나타났습니다. [21][22] 수명이 긴 일련의 주요 방사성 동위원소의 생화학적 특성에 대한 간략한 검토는 온라인에서 읽을 수 있습니다. [23]

99분핵 폐기물의 Tc는 99TcO4 음이온 이외의 화학적 형태로 존재할 수 있으며, 이러한 다른 형태는 다른 화학적 특성을 갖습니다. [24] 마찬가지로, 심각한 원자로 사고에서 요오드-131의 방출은 원자력 발전소 내의 금속 표면에서의 흡수에 의해 지연될 수 있습니다. [25][26][27][28][29]

교육[편집]

핵의학의 사용 증가, 원자력 발전소의 확장 가능성, 핵 위협에 대한 보호 및 지난 수십 년 동안 생성된 핵폐기물 관리에 대한 우려에도 불구하고 핵 및 방사화학을 전공하기로 선택한 학생의 수는 지난 수십 년 동안 크게 감소했습니다. 이제 이 분야의 많은 전문가들이 은퇴 연령에 가까워짐에 따라 이러한 중요한 분야에서 인력 격차를 피하기 위한 조치가 필요하며, 예를 들어 이러한 직업에 대한 학생들의 관심을 높이고, 대학의 교육 역량을 확대하고, 보다 구체적인 현장 교육을 제공해야 합니다. [30]

핵 및 방사선 화학(NRC)은 대부분 대학 수준에서 가르치고 있으며, 일반적으로 석사 및 박사 학위 수준에서 먼저 가르칩니다. 유럽에서는 산업과 사회의 미래 요구에 맞게 NRC 교육을 조화시키고 준비하기 위해 상당한 노력을 기울이고 있습니다. 이러한 노력은 유럽원자력공동체(European Atomic Energy Community)의 제7차 프레임워크 프로그램(7th Framework Program)이 지원하는 조정된 행동(Coordinated Action)의 자금 지원을 받는 프로젝트에서 조정되고 있습니다. [31][32] NucWik은 주로 교사를 대상으로 하지만 원자력 및 방사선 화학에 관심이 있는 사람이라면 누구나 환영하며 NRC와 관련된 주제를 설명하는 많은 정보와 자료를 찾을 수 있습니다.

스핀아웃 지역[편집]

핵 화학 및 물리학에서 처음 개발 된 일부 방법은 화학 및 기타 물리 과학에서 널리 사용되어 일반 핵 화학과 분리되는 것으로 가장 잘 생각할 수 있습니다. 예를 들어, 동위원소 효과는 지질학에서 화학적 메커니즘과 우주 기원 동위원소 및 수명이 긴 불안정 동위원소의 사용을 조사하는 데 매우 광범위하게 사용되므로 동위원소 화학의 많은 부분을 핵 화학과 분리하여 간주하는 것이 가장 좋습니다.

Kinetics (기계론적 화학에서 사용)[편집]

화학 반응의 메커니즘은 운동 동위원소 효과(kinetic isotope effect)로 알려진 기질의 동위원소 변형을 통해 반응의 역학이 어떻게 변화하는지 관찰하여 조사할 수 있습니다. 이것은 이제 유기 화학의 표준 방법입니다. 간단히 말해서, 분자 내에서 일반 수소(양성자)를 중수소로 대체하면 X-H(예: C-H, N-H 및 O-H) 결합의 분자 진동 주파수가 감소하여 진동 영점 에너지가 감소합니다. 이는 속도 결정 단계가 수소와 다른 원자 사이의 결합을 끊는 것과 관련된 경우 반응 속도의 감소로 이어질 수 있습니다. [33] 따라서 양성자가 중수소로 대체될 때 반응 속도가 변하면 수소에 대한 결합이 끊어지는 것이 속도를 결정하는 단계의 일부라고 가정하는 것이 합리적입니다.

지질학, 생물학 및 법의학에서의 사용[편집]

우주기원 동위원소는 우주선과 원자핵의 상호 작용에 의해 형성됩니다. 이들은 연대 측정 목적과 자연 추적자로 사용할 수 있습니다. 또한, 안정 동위원소의 일부 비율을 주의 깊게 측정함으로써 총알의 기원, 얼음 샘플의 나이, 암석의 나이에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있으며, 머리카락이나 다른 조직 샘플에서 사람의 식단을 확인할 수 있습니다. (자세한 내용은 Isotope geochemistry 및 Isotopic signature 참조).

생물학[편집]

생물 내에서 동위원소 표지(방사성 및 비방사성 모두)를 사용하여 유기체의 신진대사를 구성하는 복잡한 반응망이 한 물질을 다른 물질로 어떻게 전환하는지 조사할 수 있습니다. 예를 들어, 녹색 식물은 빛 에너지를 사용하여 광합성을 통해 물과 이산화탄소를 포도당으로 변환합니다. 물 속의 산소에 라벨이 붙어 있다면, 그 라벨은 식물 세포 내의 엽록체에서 형성된 포도당이 아니라 식물에 의해 형성된 산소 가스에 나타납니다.

생화학 및 생리학 실험과 의학적 방법의 경우 여러 특정 동위원소가 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.

• 안정 동위원소는 연구 중인 시스템에 방사선량을 전달하지 않는다는 장점이 있습니다. 그러나 장기 또는 유기체에서 상당한 과잉 동위원소는 여전히 기능을 방해할 수 있으며 많은 동위원소에 대해 전체 동물 연구를 위한 충분한 양의 가용성이 제한적입니다. 측정도 어렵고 일반적으로 특정 화합물에 동위원소가 얼마나 많이 존재하는지 결정하기 위해 질량 분석법이 필요하며 세포 내에서 측정을 국소화할 수 있는 수단이 없습니다.
• 2 개수소의 안정 동위원소인 H(중수소)는 질량 분석기 또는 NMR로 농도를 측정할 수 있는 안정적인 추적자입니다. 그것은 모든 세포 구조에 통합됩니다. 특정 중수소화 화합물도 생산할 수 있습니다.
• 15분질소의 안정 동위원소인 N도 사용되었습니다. 그것은 주로 단백질에 통합됩니다.
• 방사성 동위원소는 매우 적은 양으로 검출할 수 있고, 섬광 계수 또는 기타 방사화학적 방법으로 쉽게 측정할 수 있으며, 세포의 특정 영역에 국한될 수 있고, 자가방사선 촬영으로 정량화할 수 있다는 장점이 있습니다. 특정 위치에 있는 방사성 원자를 가진 많은 화합물을 제조할 수 있으며 상업적으로 널리 이용 가능합니다. 대량의 경우 작업자를 방사선의 영향으로부터 보호하기 위한 예방 조치가 필요하며, 실험실용 유리 제품 및 기타 장비를 쉽게 오염시킬 수 있습니다. 일부 동위원소의 경우 반감기가 너무 짧아서 준비와 측정이 어렵습니다.

유기 합성을 통해 분자의 작은 영역에 국한될 수 있는 방사성 표지를 가진 복잡한 분자를 생성할 수 있습니다. 11°C와 같이 수명이 짧은 동위원소의 경우, 방사성 동위원소를 분자에 빠르게 첨가할 수 있도록 매우 빠른 합성 방법이 개발되었습니다. 예를 들어, 미세유체 장치에서 팔라듐 촉매 카르보닐화 반응은 아미드를 빠르게 형성하는 데 사용되었으며[34] 이 방법을 사용하여 PET 이미징을 위한 방사성 이미징 에이전트를 형성하는 것이 가능할 수 있습니다. [35]

• 3수소의 방사성 동위원소인 H(삼중수소)는 매우 높은 특이적 활성에서 사용할 수 있으며, 특정 위치에 있는 이 동위원소를 가진 화합물은 불포화 전구체의 수소화와 같은 표준 화학 반응에 의해 쉽게 제조됩니다. 동위원소는 매우 부드러운 베타 방사선을 방출하며 섬광 계수로 검출할 수 있습니다.
• 11세C, C, C-11은 일반적으로 14N의 사이클로트론 충돌에 의해 양성자와 함께 생성됩니다. 결과 핵 반응은 14N (p, α) 11C입니다. [36] 또한 탄소 -11은 사이클로트론을 사용하여 만들 수도 있습니다. 붕소 산화물 형태의 붕소는 (P, N) 반응에서 양성자와 반응합니다. 또 다른 대안 경로는 10B를 중수소와 반응시키는 것입니다. 빠른 유기 합성에 의해 사이클로트론에서 형성된 11C 화합물은 이미징 에이전트로 변환된 다음 PET에 사용됩니다.
• 14분C, C, (위와 같이) 탄소-14를 만들 수 있으며, 대상 물질을 단순 무기 및 유기 화합물로 전환할 수 있습니다. 대부분의 유기 합성 작업에서는 거의 동일한 크기의 두 개의 단편으로 제품을 만들고 수렴 경로를 사용하는 것이 정상이지만, 방사성 표지가 추가될 때 방사능이 단일 그룹에 국한될 수 있도록 분자에 매우 작은 단편 형태로 합성 후반에 표지를 추가하려고 시도하는 것이 정상입니다. 라벨을 늦게 추가하면 방사성 물질이 사용되는 합성 단계의 수도 줄어듭니다.
• 18분F, 불소-18은 네온과 중수소의 반응에 의해 만들어질 수 있고, 20Ne는 (d,4He) 반응으로 반응합니다. 미량의 안정적인 불소(19F2)가 있는 네온 가스를 사용하는 것은 정상입니다. 19F2 는 표면의 흡수로 인해 손실되는 방사능의 양을 줄여 사이클로트론 표적의 방사능 수율을 증가시키는 캐리어 역할을 합니다. 그러나 이러한 손실 감소는 최종 제품의 특정 활성을 희생시키는 것입니다.

핵 분광법[편집]

핵 분광법은 핵을 사용하여 물질의 국소 구조에 대한 정보를 얻는 방법입니다. 중요한 방법은 NMR(아래 참조), Mössbauer 분광법 및 Perturbed 각도 상관관계입니다. 이러한 방법은 초미세장과 핵의 스핀의 상호 작용을 사용합니다. 자기장은 자기 또는 전기일 수 있으며 원자와 주변 이웃의 전자에 의해 생성됩니다. 따라서 이러한 방법은 물질의 국소 구조, 주로 응집 물질 물리학 및 고체 화학에서 응집 물질을 조사합니다.

핵자기공명(NMR)[편집]

NMR 분광법은 에너지 흡수 시 물질에 있는 핵의 순 스핀을 사용하여 분자를 식별합니다. 이것은 이제 합성 화학의 표준 분광 도구가 되었습니다. NMR의 주요 용도 중 하나는 유기 분자 내의 결합 연결성을 결정하는 것입니다.

NMR 이미징은 또한 이미징을 위해 핵(일반적으로 양성자)의 순 스핀을 사용합니다. 이것은 의학에서 진단 목적으로 널리 사용되며 방사선을 가하지 않고 사람 내부의 상세한 이미지를 제공할 수 있습니다. 의료 환경에서 NMR은 '핵'이라는 단어가 많은 사람들에게 부정적인 의미를 내포하기 때문에 종종 단순히 "자기 공명" 영상으로 알려져 있습니다.

같이 보기[편집]

• 핵 화학의 중요한 간행물
• 핵물리학
• 핵 분광법

참고문헌[편집]

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추가 자료[편집]

Handbook of Nuclear Chemistry(핵화학 핸드북)130명의 국제 전문가가 작성한 6권의 포괄적인 핸드북. Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezső G. Lovas, Frank Rösch 편집. ISBN 978-1-4419-0721-9, 스프링거, 2011.방사능 방사성 핵종 방사선Magill, Galy의 교과서. ISBN 3-540-21116-0, 스프링거, 2005.방사화학 및 핵화학, 3판Choppin, Liljenzin 및 Rydberg의 종합 교과서. ISBN 0-7506-7463-6, 버터워스-하이네만, 2001 [1].방사화학 및 핵화학, 4판Choppin, Liljenzin, Rydberg 및 Ekberg의 종합 교과서. ISBN 978-0-12-405897-2, 엘스비어, 2013년방사능, 이온화 방사선 및 원자력 에너지학부생을 위한 기본 교과서, 지리 할라(Jiri Hála)와 제임스 D 나브라틸(James D Navratil). ISBN 80-7302-053-X, 콘보이, 브르노 2003 [2]방사성 화학 매뉴얼개방형 및 밀봉 소스의 생산 및 사용에 대한 개요. BJ Wilson이 편집하고 RJ Bayly, JR Catch, JC Charlton, CC Evans, TT Gorsuch, JC Maynard, LC Myerscough, GR Newbery, H Sheard, CBG Taylor 및 BJ Wilson이 작성했습니다. 방사성 화학 센터 (Amersham)는 1966 년 HMSO를 통해 매각되었습니다 (제 2 판).

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