Современные области применения изотопной продукции

Разнообразие изотопов и нуклидов
23 Квази-стабильные изотопы
4040 разновидностей атомов (включая 754 изомера) для 118 элементов указаны в 10-м издании “Karlsruhe Nuclide Chart”, февраль 2018
276(=90+163+23)
Стабильные иотопы
Природные радиоизотопы
90 Теоретически стабильные изотопы (Z=1…40)
163 Практически стабильные изотопы (Z=41…83)
44 изотопа трех радиоактивных
семейств Th-232, U-235 и U-238
> 20 космогенных радионуклидов
☢
23
Z
Около 3700 радионуклидов, (в т.ч. ≈750 изомеров)
35-23=12 Первозданные (primordial) радиоизотопы,
(включая Th-230, U-234)
Низкоактивные
изотопы с очень длинным Т1/2.
не представляют
радиационной опасности!
N

Распределение химических элементов
по количеству природных изотопов

- два или более
природных
изотопа
– только один
природный изотоп
– только искус-
ственные изотопы
IUPAC Periodic Table of the Isotopes - 2013

Производство стабильных изотопов

Общие принципы и основные области
применения стабильных изотопов
Ядерная энергетика и
промышленность
Изотопные метки
(трассеры,
индикаторы)
Мишени для получения нуклидов в реакторах и ускорителях
Медицина
Индивидуальные свойства и характеристики ядер
Наука
Применение стабильных
изотопов
с
Области применения
основные принципы
с

Стерилизация
инструментов
и препаратов
Диагностика
Терапия
Получение радионуклидов в реакторах и ускорителях.
Производство радиофармацевтических препаратов.
Производство стабильных изотопов
в разделительных установках
Компьютерные технологии
Природное
сырье
Мишени,
обогащенные
изотопами
Стабильные изотопы в ядерной медицине

(Te) Tellurium
130
36
Сarbon (С)
Silicon (Si)
30
29
28
Sulfur (S)
Iron (Fe)
58
57 56
55
54
Nickel (Ni)
64
62
61
(Cd) Cadmium
116
114
113
112
111
110
108
106
Argon (Ar)
40
38
36
Germanium(Ge)
76
74
73
72
70
Selenium (Se)
82
80
78
77
76
74
86
85
Krypton (Kr)
84
83
82
80
(Mo) Molibdenum
100
(Xe) Xenon
136
134
132
131
130
129
128
126
124
(W) Tungsten
186
184
183
182
180
(Ir) Iridium
193
191
(Pb) Lead
208
207
206
204
128
126
125
124
123
122
120
70
68
67
Zinc (Zn)
66
64
-64
(Sn) Tin
124
122
120
119
118
117
116
115
114
112
(Os) Osmium
192
190
189
188
187
186
184
14
12
13
Sulfur (S)
34
33
32
78
60
58
ECP ISOTOPE PRODUCTS
Now it produces 95 stable isotopes of 19 following chemical elements:
for MEDICINE
98
96
95
94
92

Примеры непосредственного использования стабильных изотопов в медицине и биологии

Примеры непосредственного использования стабильных изотопов в медицине и биологии (продолжение)
Из S. Adelstein and F. Manning (Editors), Isotopes for Medicine and the Life Sciences, Committee on Biomedical Isotopes, INSTITUTE OF MEDICINE, 1995

Магнитно-резонансная томография (МРТ)
МРТ - метод исследования внутренних органов и тканей на основе явления ядерного магнитного резонанса в основном ядер атомов водорода.
Для улучшения качества изображения иногда используются для контраста вещества, меченые изотопами He-3, С-13, O-17 или Xe-129.
МРТ-изображение позвоночника,
полученное осенью 2011 года в Российском радиологическом центре (Москва).

Стабильные изотопы – прекурсоры радионуклидов в реакторах
Адаптировано из https://www.isotopes.gov/outreach/med_isotopes.html

Стабильные изотопы – прекурсоры радионуклидов в ускорителях

Примеры применения стабильных изотопов
в ядерной энергетике и промышленности

Международные научные проекты с использованием стабильных изотопов

Основные направления использования стабильных изотопов в науке
Исследования процессов методом изотопных меток
Метрология
Фундаментальные исследования
материи
СТАБИЛЬНЫЕ ИЗОТОПЫ
Аналитика
Ядерные данные,
Свойства нейтрино и других частиц,
Синтез сверхтяжелых,
Поиск темной материи,
Поиск безнейтринного
двойного
бета -распада
Международные
эталоны единиц измерения:
а.е.м. (O-16,C-12),
секунда (Rb-87,Cs-133),
метр (Kr-86), килограмм (Si-28 ?);
физика,
химия,
биология,
медицина,
геохимия,
археология,
агрономия,
экология
и т. д . . .
Масс-спектрометрия, Спектральный анализ,
Изотопное разбавление,
Активационный анализ,
Мессбауэровская
спектроскопия

Крупные международные научные проекты с использованием стабильных изотопов

16 ноября 26-я Генеральная конференция весов и мер в Версале единогласно проголосовала за пересмотр четырех из семи базовых единиц Международной системы единиц (СИ): килограмма, ампера, кельвина и моля!
С 20 мая 2019 года все единицы СИ будут определены в терминах фундаментальных констант, значения которых теперь определены точно:
Революция в Международной системе единиц (СИ)
- постоянная Планка h = 6,626 070 15 x 10-34 кг٠ м2٠с-1;
- элементарный заряд e = 1,602 176 634 x 10-19 Кл;
- постоянная Больцмана k = 1,380 649 × 10-23 кг٠ м2٠с-1;
- константа Авогадро NA = 6,022 140 76 x 1023 моль-1.
Ранее были определены константы:
- скорость света в вакууме c = 299 792 458 м/с;
- Δv = 9 192 631 770 Гц невозмущенная частота сверхтонкого перехода из основного состояния атома цезия-133;
- световая эффективность Kcd = 683 лм / Вт (для моно- хроматического излучения с частотой 540 x 1012 Гц).

Для уточнения числа Авогадро метрологи из физико-технического института Германии изготовили идеальный шар из монокристалла изотопа кремния-28 диаметром около 93,5 мм миллиметра. Изотоп Si-28 c обогащением
> 99,999 % произведен ЭХЗ. Для уточнения числа Авогадро изготовлено 5 кремниевых сфер. На основе числа Авогадро дано новое определение моля. Надежда ученых, что такой шар будет выбран эталоном килограмма, не оправдалась.
Генеральная конференция выбрала альтернативный вариант эталона килограмма на основе постоянной Планка, значение которой уточнили в Национальном институте стандартов и технологий США с помощью электромагнитных «Ватт-весов».
Уточнение числа Авогадро с помощью изотопно чистого кремния-28
С 20 мая 2019 года вместо платиново-иридиевой «гири» в качестве эталона килограмма будет использоваться формула, как и для других базовых единиц Международной системы СИ

Зарождение теории безнейтринного двойного β-распада
Wendell Furry
(1907-1984)
Maria Göppert-Mayer
(1906-1972)
Paul Dirac
(1902-1984)
Ettore Majorana
(1906-1938)
1935 - Мария Гепперт-Майер года выдвинула идею и рассчитала вероятность двух нейтринного двойного β -распада.
1937-Этторе Майорана построил теорию нейтрино, по которой они являются их собственными античастицами;
1930- Волфган Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино
1933- Энрико Ферми создал теорию β-распада
1939 -Уэнделл Фарри обсудил возможность безнейтринного двойного β -распада для проверки теории Майораны. Регистрация ββ(0v)-распада будет однозначно свидетельствовать
о майорановской природе нейтрино.
Wolfgang Pauli
(1900-1958)
Enrico Fermi
(1901-1954)

Ранние эксперименты по исследованию двойного β-распада
(Ca-48, Ge-76,
Se-82, Zr-96,
Mo-100, Cd-116,
Te-128, Te-130,
Xe-136, Nd-150,
U-238).
Его регистрация будет одно-значно свидетельствовать о майорановской природе нейтрино. В этом случае
потребуется корректировка стандартной модели физики!

A. S. Barabash, Brief review of double beta decay experiments, 21 Feb 2017

Текущие и перспективные потребности в стабильных изотопах
для экспериментов по поиску безнейтринного двойного β-распада
A. S. Barabash, Brief review of double beta decay experiments, 21 Feb 2017

■ Наименее изученными остаются изотопные эффекты в кристаллах и других конденсированных средах. Изотопическая инженерия - новое перспективное направление развития современной микро-электроники, оптоволоконной и лазерной техники, создания принципов хранения и обработки информации в квантовых компьютерах.
■ Фундаментальные исследования подтверждают различия в теплопроводности у различных изотопов кремния, германия и углерода.
■ Применение изотопа С-13 уменьшает поглощение и рассеивание луча мощного С02–лазера при прохождении через атмосферу, изотопы Сd-114, Сd-112 улучшают характеристики гелий-кадмиевых лазеров.
■ Серия зарубежных патентов с одинаковым названием «Isotopically altered optical fiber» (Allan Douglas, James Bell и др.) свидетельствует о растущем интересе к изотопно-модифицированным материалам оптоволокон.
■ Исследования в области изотопической инженерии, проводимые как за рубежом (А. Березин, Канада, В.Г. Плеханов, Эстония и др.), так и в России ( В.И. Ожогин, А.В. Тихомиров с сотрудниками Курчатовского института, В.Ф. Мышкин, В.А. Хан с сотрудниками ТПУ, и др.), пока не вышли из «академической» стадии.
■ Для улучшения характеристик конечных продуктов путем применения изотопно-модифицированных материалов потребуется проведение обширных прикладных исследований и разработок.
Состояние и перспективы развития изотопической инженерии