రేడియోధార్మిక రసాయన శాస్త్రం

This article is about రేడియోధార్మిక పదార్థాల రసాయన అధ్యయనం. For సాధారణంగా రేడియోధార్మిక పదార్థాల రసాయన శాస్త్రం, see Nuclear chemistry.

ఒక శాస్త్రవేత్త glovebox (గ్లోవ్‌బాక్స్) లోపల రేడియోధార్మిక పదార్థాలతో పనిచేస్తున్నారు. ఇది ఆ వ్యక్తిని రేడియోధార్మికత (radiation) నుండి రక్షిస్తుంది.

రేడియోకెమిస్ట్రీ (Radiochemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రంలో ఒక ప్రత్యేకమైన విభాగం. దీనిని తెలుగులో 'రేడియోధార్మిక రసాయన శాస్త్రం' అని పిలవవచ్చు. ఇది రేడియోధార్మిక పదార్థాల గురించి చేసే అధ్యయనం. ఈ రంగంలో పనిచేసే శాస్త్రవేత్తలు మూలకాలకు చెందిన రేడియోధార్మిక ఐసోటోపులను ఉపయోగిస్తారు. రసాయన మూలకాలు, రసాయన చర్యలు ఎలా జరుగుతాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ఈ ఐసోటోపులు వారికి ఎంతో సహాయపడతాయి.

ఒక పదార్థం రేడియోధార్మికతను కలిగి లేనప్పుడు, రేడియోకెమిస్టులు ఆ పదార్థాన్ని "ఇన్-యాక్టివ్" (inactive) లేదా నిష్క్రియ పదార్థం అని పిలుస్తారు. అంటే ఆ పదార్థంలోని పరమాణువులు స్థిరంగా ఉన్నాయని అర్థం. సాధారణ రసాయన చర్యలను గమనించడానికి రేడియోధార్మికతను ఒక సాధనంగా ఉపయోగించడమే రేడియోకెమిస్ట్రీలో ప్రధాన భాగం. ఇది రేడియేషన్ కెమిస్ట్రీ కంటే భిన్నంగా ఉంటుంది. రేడియేషన్ కెమిస్ట్రీలో రేడియేషన్ స్థాయిలు చాలా తక్కువగా ఉంటాయి, తద్వారా ఆ పదార్థం యొక్క అసలు రసాయన స్వభావం మారకుండా జాగ్రత్త వహిస్తారు.

ప్రకృతిలో సహజంగా లభించే రేడియో ఐసోటోపులు, ప్రయోగశాలలలో మనుషులు తయారు చేసే రేడియో ఐసోటోపులు రెండింటినీ రేడియోకెమిస్ట్రీ పరిశీలిస్తుంది. వైద్య రంగం, పర్యావరణ శాస్త్రం, ఇంధన ఉత్పత్తి వంటి విషయాల్లో ఈ శాస్త్రం చాలా కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది.

ప్రధాన క్షయ పద్ధతులు

అన్ని రేడియో ఐసోటోపులు అస్థిరంగా ఉంటాయి. అంటే వాటిలో ఉన్న అదనపు శక్తి వల్ల అవి "సంతృప్తిగా" ఉండవు. తమలో ఉన్న అధిక శక్తిని వదిలించుకుని స్థిరంగా మారడానికి, అవి కేంద్రక క్షయం (న్యూక్లియర్ డికే) చెందుతాయి. ఈ ప్రక్రియ జరిగినప్పుడు, ఆ పరమాణువుల నుండి వికిరణం (రేడియేషన్) బయటకు వస్తుంది. ఒక పరమాణువు క్షీణించడానికి రకరకాల మార్గాలు ఉన్నాయి. వీటిని "క్షయ పద్ధతులు" (decay modes) అని పిలుస్తారు.

సాధారణ వికిరణ రకాలు

రకం	గుర్తు	అది ఏమిటి?	చొచ్చుకుపోయే శక్తి
ఆల్ఫా	α	ఒక హీలియం కేంద్రకం (2 ప్రోటాన్లు, 2 న్యూట్రాన్లు)	తక్కువ (ఒక కాగితం ముక్కతో ఆపవచ్చు)
బీటా	β	ఒక ఎలక్ట్రాన్ లేదా పాజిట్రాన్	మధ్యస్థం (అల్యూమినియం రేకుతో ఆపవచ్చు)
గామా	γ	అధిక శక్తి కలిగిన కాంతి (ఫోటాన్లు)	ఎక్కువ (సీసం లేదా కాంక్రీటు గోడలు అవసరం)

ఆల్ఫా వికిరణం

ఒక పరమాణు కేంద్రకం తన నుండి ఒక ఆల్ఫా కణాన్ని బయటకు పంపినప్పుడు ఆల్ఫా వికిరణం జరుగుతుంది. ఈ కణంలో రెండు ప్రోటాన్లు, రెండు న్యూట్రాన్లు ఉంటాయి. ఇలా జరగడం వల్ల ఆ పరమాణువు పూర్తిగా మారిపోతుంది. దాని పరమాణు ద్రవ్యరాశి 4 యూనిట్లు తగ్గుతుంది, అలాగే దాని పరమాణు సంఖ్య 2 యూనిట్లు తగ్గుతుంది. దీని ఫలితంగా ఒక కొత్త మూలకం ఏర్పడుతుంది.

బీటా వికిరణం

బీటా వికిరణం కొంచెం సంక్లిష్టంగా ఉంటుంది. కేంద్రకం లోపల ఉన్న ఒక న్యూట్రాన్, ఒక ప్రోటాన్ మరియు ఒక ఎలక్ట్రాన్ గా మారినప్పుడు ఇది జరుగుతుంది. ఈ ప్రక్రియలో ప్రోటాన్ కేంద్రకం లోపలే ఉండిపోతుంది, కానీ ఎలక్ట్రాన్ మాత్రం వేగంగా బయటకు దూసుకుపోతుంది. ఇలా బయటకు వచ్చే ఎలక్ట్రాన్నే బీటా కణం అని పిలుస్తారు.

గామా వికిరణం

గామా వికిరణం అనేది కేవలం శక్తి మాత్రమే. ఇది మనం చూసే కాంతి లాంటిదే కానీ, దానికంటే చాలా రెట్లు ఎక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటుంది. సాధారణంగా ఆల్ఫా లేదా బీటా క్షయం జరిగిన వెంటనే గామా వికిరణం కూడా జరుగుతుంది. కేంద్రకం వద్ద ఉన్న అదనపు శక్తిని వదిలించుకోవడానికి ఇది ఒక మార్గం. గామా కిరణాలను ఆపడం చాలా కష్టం. ఇవి చాలా వస్తువుల గుండా సులభంగా చొచ్చుకుపోగలవు. వీటిని అడ్డుకోవడానికి మందపాటి సీసం (లెడ్) లేదా బేరియం గోడలను ఉపయోగిస్తారు.

యాక్టివేషన్ అనాలిసిస్

శాస్త్రవేత్తలు కొన్ని పదార్థాలను కావాలనే రేడియోధార్మికత కలిగినవిగా మార్చగలరు. దీనిని "యాక్టివేషన్" అని అంటారు. సాధారణంగా ఒక వస్తువుపైకి న్యూట్రాన్లను ప్రయోగించడం ద్వారా ఇది జరుగుతుంది. దీనివల్ల స్థిరంగా ఉన్న ఐసోటోపులు రేడియో ఐసోటోపులుగా మారిపోతాయి. ఈ పద్ధతిని neutron activation analysis (NAA) అని పిలుస్తారు.

ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించిన ఒక ప్రసిద్ధ ఉదాహరణ నెపోలియన్ బోనపార్టే జుట్టును పరీక్షించడం. శాస్త్రవేత్తలు NAA పద్ధతి ద్వారా ఆయన జుట్టులో ఆర్సెనిక్ (ఒక రకమైన విషం) ఉందో లేదో పరీక్షించారు. ఆయన మరణానికి గల కారణాలను తెలుసుకోవడానికి ఈ పరిశోధన ఎంతో సహాయపడింది.

NAA అనేది చాలా అద్భుతమైన సాధనం ఎందుకంటే:

ఇది ఒక మూలకం యొక్క అతి తక్కువ పరిమాణాన్ని కూడా గుర్తించగలదు.

ఈ పరీక్ష కోసం మనం తీసుకున్న నమూనాను నాశనం చేయాల్సిన అవసరం ఉండదు.

బయటి నుండి వచ్చే ధూళి లేదా ఇతర కలుషితాల వల్ల ఈ పరీక్ష ఫలితాలు తప్పుగా వచ్చే అవకాశం చాలా తక్కువ.

కొన్నిసార్లు శాస్త్రవేత్తలు రేడియోధార్మికత తగ్గే వరకు వేచి ఉండాల్సి ఉంటుంది. దీనిని "కూలింగ్ టైమ్" (cooling time) అని పిలుస్తారు. వేర్వేరు మూలకాలు వేర్వేరు సమయాల పాటు రేడియోధార్మికతను కలిగి ఉంటాయి. ఒక మూలకం యొక్క రేడియోధార్మికత సగానికి తగ్గడానికి పట్టే సమయాన్ని అర్థ జీవిత కాలం (హాఫ్-లైఫ్) అంటారు.

ఉదాహరణకు, సోడియం, యురేనియం, కోబాల్ట్ ఉన్న ఒక నమూనాను ఊహించుకోండి.

మొదట్లో సోడియం (²⁴Na) ఎక్కువ రేడియేషన్‌ను ఇస్తుంది, ఎందుకంటే దాని హాఫ్-లైఫ్ కేవలం 15 గంటలు మాత్రమే.

కొన్ని రోజుల తర్వాత, యురేనియం ఉత్పత్తుల (²³⁹Np) ప్రభావం ఎక్కువగా ఉంటుంది.

కొన్ని సంవత్సరాల తర్వాత చూస్తే, కేవలం కోబాల్ట్ (⁶⁰Co) మాత్రమే రేడియోధార్మికతను కలిగి ఉంటుంది. దీని హాఫ్-లైఫ్ సుమారు 5.3 సంవత్సరాలు.

జీవశాస్త్రం - వైద్య రంగంలో ఉపయోగాలు

జీవశాస్త్రం, వైద్య రంగంలో రేడియోకెమిస్ట్రీ చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటుంది. రేడియో ఐసోటోపులు కూడా సాధారణ పరమాణువుల లాగే ప్రవర్తిస్తాయి కాబట్టి, శాస్త్రవేత్తలు కొన్ని అణువులకు ఈ ఐసోటోపులను జోడించి (టాగింగ్), అవి శరీరంలో ఎక్కడికి వెళ్తున్నాయో గమనించవచ్చు.

DNA మరియు బ్యాక్టీరియా అధ్యయనం

DNA గురించి అధ్యయనం చేయడం దీని ప్రధాన ఉపయోగాలలో ఒకటి. శాస్త్రవేత్తలు సాధారణ ఫాస్పరస్ స్థానంలో రేడియోధార్మిక ఫాస్పరస్-32 (P-32) ను ఉపయోగిస్తారు. DNA లో ఫాస్పరస్ ఎక్కువగా ఉంటుంది కాబట్టి, ఆ DNA ఎలా కదులుతుందో లేదా తనను తాను ఎలా కాపీ చేసుకుంటుందో వారు గుర్తించగలరు.

బ్యాక్టీరియా కూడా రేడియోధార్మిక మూలకాలతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. కొన్ని బ్యాక్టీరియాలు గంధకం (సల్ఫర్), సెలీనియం లేదా పొలోనియం వంటి మూలకాలను వాయువులుగా మార్చగలవు. దీనిని "మిథైలేషన్" (methylation) అని అంటారు. ఈ పనిలో బ్యాక్టీరియాకు విటమిన్ బి12 సహాయపడుతుందని శాస్త్రవేత్తలు కనుగొన్నారు. ప్రయోగశాలలో శుద్ధి చేసిన నీటిలో, ఒక ప్రత్యేకమైన కోబాల్ట్ సమ్మేళనాన్ని కలిపితే తప్ప ఈ వాయువు ఏర్పడదు.

న్యూక్లియర్ మెడిసిన్ (Nuclear Medicine)

ఆసుపత్రులలో వైద్యులు శరీరంలోని అంతర్గత భాగాలను చూడటానికి న్యూక్లియర్ మెడిసిన్ ఉపయోగిస్తారు. ఇందులో ప్రసిద్ధమైనది పెట్ స్కాన్ (పాజిట్రాన్ ఎమిషన్ టోమోగ్రఫీ).

ట్రేసర్ (The Tracer): వైద్యులు రోగి శరీరంలోకి ఒక రేడియోధార్మిక "ట్రేసర్"ను ఎక్కిస్తారు. సాధారణంగా FDG అనే పదార్థాన్ని వాడతారు. ఇది ఒక రకమైన చక్కెర, దీనికి ఒక రేడియోధార్మిక పరమాణువు అతుక్కుని ఉంటుంది.

స్కాన్ (The Scan): క్యాన్సర్ కణాలు చక్కెరను ఎక్కువగా తీసుకుంటాయి, కాబట్టి అవి ఈ FDG ని కూడా ఎక్కువగా పీల్చుకుంటాయి. ఈ ట్రేసర్ శరీరం లోపల నుండి రేడియేషన్‌ను విడుదల చేస్తుంది.

గుర్తించడం (The Detection): పెట్ మెషీన్‌లో ప్రత్యేకమైన స్పటికాలు ఉంటాయి, వీటిని సింటిలేటర్లు అని పిలుస్తారు. ఇవి శరీరంలో వచ్చే రేడియేషన్‌ను పట్టుకుని, దానిని కాంతిగా, ఆపై విద్యుత్ సంకేతంగా మారుస్తాయి. కంప్యూటర్ ఈ సంకేతాలను ఉపయోగించి శరీరానికి సంబంధించిన 3D చిత్రాన్ని తయారు చేస్తుంది.

పర్యావరణ రేడియోకెమిస్ట్రీ

ప్రకృతిలో రేడియోధార్మికత ఎలా కదులుతుందో అర్థం చేసుకోవడానికి కూడా రేడియోకెమిస్ట్రీ సహాయపడుతుంది. మన భద్రత కోసం ఇది చాలా ముఖ్యం.

సహజ రేడియోధార్మికత

భూమి పుట్టినప్పటి నుండి రేడియోధార్మికత ఇక్కడే ఉంది. ఇది గాలిలో, నీటిలో మరియు నేలలో కూడా ఉంటుంది. అంతర్జాతీయ అణుశక్తి సంస్థ (IAEA) ప్రకారం, ఒక కిలోగ్రాము సాధారణ మట్టిలో ఈ క్రింది రేడియో ఐసోటోపులు ఉండవచ్చు:

1 కిలోగ్రాము మట్టిలో ఉండే సాధారణ రేడియోధార్మికత

ఐసోటోపు	సగటు పరిమాణం (Bq)	సాధారణ పరిధి (Bq)
పొటాషియం-40	370	100–700
రేడియం-226	25	10–50
యురేనియం-238	25	10–50
థోరియం-232	25	7–50

మానవ ప్రభావం - విపత్తులు

మానవ చర్యల వల్ల కూడా ప్రపంచంలోకి రేడియేషన్ వచ్చి చేరింది. అణు ఆయుధాల పరీక్షలు, చెర్నోబిల్ వంటి అణు ప్రమాదాలు మరియు పరిశ్రమల నుండి వచ్చే వ్యర్థాలు దీనికి కారణం.

రేడియోధార్మికత ఉన్న ప్రాంతాల్లో అడవి మంటలు సంభవించినప్పుడు, ఆ పొగ ద్వారా రేడియేషన్ కొత్త ప్రాంతాలకు వ్యాపిస్తుంది. అలాగే, భూమి లోపల నుండి రాడాన్ వంటి వాయువులు బయటకు రావచ్చు. ఈ రాడాన్ ఇళ్లలోకి లేదా త్రాగునీటిలోకి చేరే అవకాశం ఉంది. రాడాన్ వాయువును ఎక్కువగా పీల్చడం ఆరోగ్యానికి చాలా ప్రమాదకరం.

ఆక్టినైడ్ల రసాయన రూపాలు (Chemical forms of Actinides)

ప్లూటోనియం మరియు యురేనియం వంటి మూలకాలను ఆక్టినైడ్లు అని పిలుస్తారు. పర్యావరణంలో వీటి రసాయన స్వభావాన్ని అధ్యయనం చేయడం చాలా కష్టం. ప్లూటోనియం ఒకే సమయంలో వేర్వేరు రూపాల్లో ఉండగలదు. దీనిని డిస్ప్రొపోర్షనేషన్ అంటారు. ఇవి మట్టికి లేదా కాంక్రీటుకు ఎలా అతుక్కుంటాయో చూడటానికి శాస్త్రవేత్తలు ప్రత్యేకమైన ఎక్స్-రే పరికరాలను వాడతారు.

కొన్నిసార్లు, రేడియోధార్మిక లోహాలు కొల్లాయిడ్లు అని పిలువబడే చిన్న చిన్న మట్టి కణాలకు అతుక్కుంటాయి. ఈ కణాలు భూగర్భ జలాల్లో సులభంగా కలిసిపోయి ప్రవహిస్తాయి. అంటే, మనం అనుకున్నదానికంటే వేగంగా రేడియోధార్మికత ఒక చోట నుండి మరో చోటికి ప్రయాణించగలదని దీని అర్థం.

భవిష్యత్తు

నేటి కాలంలో రేడియోకెమిస్ట్రీ అనేది చాలా ముఖ్యమైన వృత్తి. మనకు ఈ శాస్త్రం ఎందుకు అవసరమంటే:

అణుశక్తి ద్వారా స్వచ్ఛమైన ఇంధనాన్ని తయారు చేయడానికి.

ఆసుపత్రులలో క్యాన్సర్ వంటి వ్యాధులకు చికిత్స అందించడానికి.

పాత అణు వ్యర్థాలను సురక్షితంగా శుభ్రం చేయడానికి.

దేశాలను అణు ముప్పుల నుండి రక్షించడానికి.

అయితే, చాలా తక్కువ మంది విద్యార్థులు రేడియోకెమిస్ట్రీ చదవడానికి ఆసక్తి చూపిస్తున్నారు. ప్రస్తుతం ఈ రంగంలో ఉన్న నిపుణులు చాలామంది వయసు పైబడి పదవీ విరమణకు దగ్గరగా ఉన్నారు. దీనివల్ల భవిష్యత్తులో నైపుణ్యం కలిగిన వారి కొరత ఏర్పడే అవకాశం ఉంది. అందుకే ప్రభుత్వాలు విద్యార్థులను సైన్స్ మరియు గణితం వైపు ప్రోత్సహిస్తున్నాయి.

ఐరోపాలో, రేడియోకెమిస్ట్రీని మెరుగ్గా బోధించడానికి కొన్ని సంస్థలు కలిసి పనిచేస్తున్నాయి. అందులో ఒక పెద్ద ప్రాజెక్ట్ పేరు CINCH-II. ఇది వివిధ దేశాల్లోని విశ్వవిద్యాలయాలు నాణ్యమైన విద్యను అందించడంలో సహాయపడుతుంది.

ముఖ్యమైన అంశాల సారాంశం

రేడియోకెమిస్ట్రీ అనేది సూక్ష్మ పరమాణువుల ప్రపంచానికి మరియు రసాయన చర్యల ప్రపంచానికి మధ్య ఒక వారధి లాంటిది. రేడియోధార్మికత యొక్క శక్తిని ఉపయోగించడం ద్వారా, మనం సాధారణంగా కంటికి కనిపించని విషయాలను కూడా చూడవచ్చు. నెపోలియన్ మరణం వెనుక ఉన్న రహస్యాన్ని ఛేదించడం నుండి, రోగి శరీరంలో ఉన్న గడ్డను (tumor) గుర్తించడం వరకు, రేడియోకెమిస్ట్రీ మానవాళికి ఎన్నో రకాలుగా సహాయపడుతుంది.

బయటి లింకులు

అమెరికన్ కెమికల్ సొసైటీ - రేడియో ఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీ

అంతర్జాతీయ అణుశక్తి సంస్థ (IAEA)