Química nuclear

La desintegración alfa es un tipo de desintegración radiactiva, en la que un núcleo atómico emite una partícula alfa, y por lo tanto transforma (o "decayos") en un átomo con un número de masa reducido en 4 y el número atómico disminuyó en 2.

Química nuclear es el subcampo de la química que se ocupa de la radiactividad, los procesos nucleares y las transformaciones en los núcleos de los átomos, como la transmutación nuclear y las propiedades nucleares.

Es la química de los elementos radiactivos como los actínidos, el radio y el radón junto con la química asociada con los equipos (como los reactores nucleares) que están diseñados para realizar procesos nucleares. Esto incluye la corrosión de las superficies y el comportamiento en condiciones de operación normal y anormal (como durante un accidente). Un área importante es el comportamiento de los objetos y materiales después de ser colocados en un sitio de almacenamiento o eliminación de desechos nucleares.

Incluye el estudio de los efectos químicos resultantes de la absorción de radiación en animales, plantas y otros materiales vivos. La química de la radiación controla gran parte de la biología de la radiación, ya que la radiación tiene un efecto sobre los seres vivos a escala molecular. Para explicarlo de otra manera, la radiación altera los bioquímicos dentro de un organismo, la alteración de las biomoléculas luego cambia la química que ocurre dentro del organismo; este cambio en la química puede conducir a un resultado biológico. Como resultado, la química nuclear ayuda en gran medida a la comprensión de los tratamientos médicos (como la radioterapia del cáncer) y ha permitido mejorar estos tratamientos.

Incluye el estudio de la producción y el uso de fuentes radiactivas para una variedad de procesos. Estos incluyen la radioterapia en aplicaciones médicas; el uso de trazadores radiactivos en la industria, la ciencia y el medio ambiente, y el uso de la radiación para modificar materiales como los polímeros.

También incluye el estudio y uso de procesos nucleares en áreas no radiactivas de la actividad humana. Por ejemplo, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) se usa comúnmente en química orgánica sintética y química física y para análisis estructural en química macromolecular.

Historia

Después de que Wilhelm Röntgen descubriera los rayos X en 1882, muchos científicos comenzaron a trabajar en la radiación ionizante. Uno de ellos fue Henri Becquerel, que investigó la relación entre la fosforescencia y el ennegrecimiento de las placas fotográficas. Cuando Becquerel (trabajando en Francia) descubrió que, sin una fuente externa de energía, el uranio generaba rayos que podían ennegrecer (o empañar) la placa fotográfica, se descubrió la radiactividad. Marie Skłodowska-Curie (trabajando en París) y su esposo Pierre Curie aislaron dos nuevos elementos radiactivos del mineral de uranio. Usaron métodos radiométricos para identificar en qué flujo estaba la radiactividad después de cada separación química; separaron el mineral de uranio en cada uno de los diferentes elementos químicos que se conocían en ese momento y midieron la radiactividad de cada fracción. Luego intentaron separar aún más estas fracciones radiactivas, para aislar una fracción más pequeña con una actividad específica más alta (radiactividad dividida por la masa). De esta forma, aislaron el polonio y el radio. Se notó alrededor de 1901 que altas dosis de radiación podrían causar lesiones en humanos. Henri Becquerel llevaba una muestra de radio en el bolsillo y, como resultado, sufrió una dosis muy localizada que le provocó una quemadura por radiación. Esta lesión resultó en la investigación de las propiedades biológicas de la radiación, lo que con el tiempo resultó en el desarrollo de un tratamiento médico.

Ernest Rutherford, trabajando en Canadá e Inglaterra, demostró que la desintegración radiactiva se puede describir mediante una ecuación simple (una ecuación derivada lineal de primer grado, ahora llamada cinética de primer orden), lo que implica que una sustancia radiactiva dada tiene una característica "vida media" (el tiempo que tarda la cantidad de radiactividad presente en una fuente en disminuir a la mitad). También acuñó los términos rayos alfa, beta y gamma, convirtió el nitrógeno en oxígeno y, lo que es más importante, supervisó a los estudiantes que realizaron el experimento Geiger-Marsden (experimento de lámina de oro) que demostró que el 'modelo de pudín de ciruelas'; del átomo estaba mal. En el modelo del pudín de ciruelas, propuesto por J. J. Thomson en 1904, el átomo está compuesto de electrones rodeados por una 'nube'; de carga positiva para equilibrar los electrones' carga negativa. Para Rutherford, el experimento de la hoja de oro implicaba que la carga positiva estaba confinada a un núcleo muy pequeño que condujo primero al modelo de Rutherford y, finalmente, al modelo de Bohr del átomo, donde el núcleo positivo está rodeado por los electrones negativos.

En 1934, la hija de Marie Curie (Irène Joliot-Curie) y su yerno (Frédéric Joliot-Curie) fueron los primeros en crear radiactividad artificial: bombardearon boro con partículas alfa para hacer el neutron- pobre isótopo nitrógeno-13; este isótopo emitía positrones. Además, bombardearon aluminio y magnesio con neutrones para crear nuevos radioisótopos.

A principios de la década de 1920, Otto Hahn creó una nueva línea de investigación. Usando el "método de emanación", que había desarrollado recientemente, y la "capacidad de emanación", fundó lo que se conoció como "radioquímica aplicada" para la investigación de cuestiones químicas y físico-químicas generales. En 1936 Cornell University Press publicó un libro en inglés (y más tarde en ruso) titulado Radioquímica aplicada, que contenía las conferencias impartidas por Hahn cuando era profesor invitado en la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, en 1933. Esta importante publicación tuvo una gran influencia en casi todos los químicos y físicos nucleares de los Estados Unidos, el Reino Unido, Francia y la Unión Soviética durante las décadas de 1930 y 1940, sentando las bases de la química nuclear moderna. Hahn y Lise Meitner descubrieron isótopos radiactivos de radio, torio, protactinio y uranio. También descubrió los fenómenos del retroceso radiactivo y la isomería nuclear, y fue pionero en la datación con rubidio-estroncio. En 1938, Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear, por lo que Hahn recibió el Premio Nobel de Química de 1944. La fisión nuclear fue la base para los reactores nucleares y las armas nucleares. Se hace referencia a Hahn como el padre de la química nuclear y el padrino de la fisión nuclear.

Áreas principales

La radioquímica es la química de los materiales radiactivos, en la que los isótopos radiactivos de los elementos se utilizan para estudiar las propiedades y las reacciones químicas de los isótopos no radiactivos (a menudo, dentro de la radioquímica, la ausencia de radiactividad hace que una sustancia se describa como inactivo ya que los isótopos son estables).

Para obtener más detalles, consulte la página sobre radioquímica.

Química de la radiación

La química de la radiación es el estudio de los efectos químicos de la radiación sobre la materia; esto es muy diferente de la radioquímica, ya que no es necesario que haya radiactividad presente en el material que está siendo modificado químicamente por la radiación. Un ejemplo es la conversión de agua en gas hidrógeno y peróxido de hidrógeno. Antes de la química de la radiación, se creía comúnmente que el agua pura no podía destruirse.

Los experimentos iniciales se centraron en comprender los efectos de la radiación en la materia. Utilizando un generador de rayos X, Hugo Fricke estudió los efectos biológicos de la radiación a medida que se convertía en una opción de tratamiento y método de diagnóstico común. Fricke propuso y posteriormente demostró que la energía de los rayos X podía convertir el agua en agua activada, lo que le permitía reaccionar con las especies disueltas.

Química para la energía nuclear

La radioquímica, la química de la radiación y la ingeniería química nuclear juegan un papel muy importante para la síntesis de precursores de combustibles de uranio y torio, a partir de minerales de estos elementos, fabricación de combustibles, química de refrigerantes, reprocesamiento de combustibles, tratamiento y almacenamiento de desechos radiactivos, monitoreo de elementos radiactivos liberación durante la operación del reactor y el almacenamiento geológico radiactivo, etc.

Estudio de reacciones nucleares

Se utiliza una combinación de radioquímica y química de la radiación para estudiar reacciones nucleares como la fisión y la fusión. Algunas pruebas tempranas de la fisión nuclear fueron la formación de un radioisótopo de bario de vida corta que se aisló del uranio irradiado con neutrones (¹³⁹Ba, con una vida media de 83 minutos y ¹⁴⁰Ba, con una vida media de 12,8 días, son los principales productos de fisión del uranio). En ese momento, se pensó que se trataba de un nuevo isótopo de radio, ya que entonces era una práctica radioquímica estándar usar un precipitado portador de sulfato de bario para ayudar en el aislamiento del radio. Más recientemente, se ha utilizado una combinación de métodos radioquímicos y física nuclear para tratar de fabricar nuevos materiales 'superpesados' elementos; se cree que existen islas de relativa estabilidad donde los nucleidos tienen vidas medias de años, lo que permite aislar cantidades considerables de los nuevos elementos. Para obtener más detalles sobre el descubrimiento original de la fisión nuclear, consulte el trabajo de Otto Hahn.

El ciclo del combustible nuclear

Esta es la química asociada con cualquier parte del ciclo del combustible nuclear, incluido el reprocesamiento nuclear. El ciclo del combustible incluye todas las operaciones involucradas en la producción de combustible, desde la extracción, el procesamiento y el enriquecimiento del mineral hasta la producción de combustible (Frontal del ciclo). También incluye el 'en pila' comportamiento (uso del combustible en un reactor) antes del back end del ciclo. El back-end incluye la gestión del combustible nuclear usado en una piscina de combustible gastado o almacenamiento en seco, antes de que se elimine en un depósito subterráneo de desechos o se reprocese.

Condiciones normales y anormales

La química nuclear asociada con el ciclo del combustible nuclear se puede dividir en dos áreas principales, un área se ocupa de la operación en las condiciones previstas, mientras que la otra área se ocupa de las condiciones de mala operación donde se ha producido alguna alteración de las condiciones normales de operación o (más raramente) está ocurriendo un accidente. Sin este proceso, nada de esto sería cierto.

Reprocesamiento

Ley

En los Estados Unidos, es normal usar combustible una vez en un reactor de potencia antes de colocarlo en un depósito de desechos. El plan a largo plazo actualmente es colocar el combustible del reactor civil usado en un almacén profundo. Esta política de no reprocesamiento se inició en marzo de 1977 debido a preocupaciones sobre la proliferación de armas nucleares. El presidente Jimmy Carter emitió una directiva presidencial que suspendía indefinidamente el reprocesamiento y el reciclaje comercial de plutonio en los Estados Unidos. Esta directiva probablemente fue un intento de los Estados Unidos de liderar a otros países con el ejemplo, pero muchas otras naciones continúan reprocesando combustibles nucleares gastados. El gobierno ruso del presidente Vladimir Putin derogó una ley que prohibía la importación de combustible nuclear usado, lo que hace posible que los rusos ofrezcan un servicio de reprocesamiento para clientes fuera de Rusia (similar al que ofrece BNFL).

Química PUREX

El método elegido actualmente es utilizar el proceso de extracción líquido-líquido PUREX, que utiliza una mezcla de fosfato de tributilo/hidrocarburo para extraer uranio y plutonio del ácido nítrico. Esta extracción es de las sales de nitrato y se clasifica como un mecanismo de solvatación. Por ejemplo, la extracción de plutonio por un agente de extracción (S) en un medio de nitrato se produce mediante la siguiente reacción.

Pu⁴⁺_aq + 4NO₃⁻_aq + 2S_orgánico [Pu(NO)₃)₄S₂]_orgánico

Se forma un enlace complejo entre el catión metálico, los nitratos y el fosfato de tributilo, y un compuesto modelo de un complejo de dioxouranio (VI) con dos aniones de nitrato y dos ligandos de fosfato de trietilo se ha caracterizado mediante cristalografía de rayos X.

Cuando la concentración de ácido nítrico es alta se favorece la extracción a la fase orgánica, y cuando la concentración de ácido nítrico es baja se invierte la extracción (la fase orgánica se despoja del metal). Lo normal es disolver el combustible usado en ácido nítrico, luego de la remoción de la materia insoluble se extrae el uranio y el plutonio del licor altamente activo. Es normal volver a extraer la fase orgánica cargada para crear un licor medio activo que contiene principalmente uranio y plutonio con solo pequeñas trazas de productos de fisión. Esta mezcla acuosa medianamente activa se extrae luego de nuevo con fosfato de tributilo/hidrocarburo para formar una nueva fase orgánica, la fase orgánica portadora de metales se separa luego de los metales para formar una mezcla acuosa de solo uranio y plutonio. Las dos etapas de extracción se utilizan para mejorar la pureza del producto actínido, la fase orgánica utilizada para la primera extracción sufrirá una dosis de radiación mucho mayor. La radiación puede degradar el fosfato de tributilo en fosfato de hidrógeno de dibutilo. El hidrogenofosfato de dibutilo puede actuar como agente de extracción tanto para los actínidos como para otros metales como el rutenio. El hidrogenofosfato de dibutilo puede hacer que el sistema se comporte de manera más compleja ya que tiende a extraer metales por un mecanismo de intercambio iónico (extracción favorecida por baja concentración de ácido), para reducir el efecto del hidrogenofosfato de dibutilo es común para los orgánicos usados fase a lavar con solución de carbonato de sodio para eliminar los productos ácidos de degradación del tributyl phosphatioloporus.

Se están considerando nuevos métodos para uso futuro

El proceso PUREX se puede modificar para hacer un proceso UREX (URanium EXtraction) que podría usarse para ahorrar espacio dentro de los sitios de eliminación de desechos nucleares de alto nivel, como como depósito de residuos nucleares de Yucca Mountain, eliminando el uranio que constituye la gran mayoría de la masa y el volumen del combustible usado y reciclándolo como uranio reprocesado.

El proceso UREX es un proceso PUREX que ha sido modificado para evitar que se extraiga el plutonio. Esto se puede hacer agregando un reductor de plutonio antes del primer paso de extracción del metal. En el proceso UREX, ~99,9% del uranio y >95% del tecnecio se separan entre sí y de los demás productos de fisión y actínidos. La clave es la adición de ácido acetohidroxámico (AHA) a las secciones de extracción y lavado del proceso. La adición de AHA disminuye en gran medida la capacidad de extracción de plutonio y neptunio, proporcionando una mayor resistencia a la proliferación que con la etapa de extracción de plutonio del proceso PUREX.

Al agregar un segundo agente de extracción, óxido de octil(fenil)-N,N-dibutil carbamoilmetil fosfina (CMPO) en combinación con fosfato de tributilo (TBP), el PUREX El proceso se puede convertir en el proceso TRUEX (TRansUranic EXtraction) este es un proceso que fue inventado en los EE. UU. por Argonne National Laboratorio, y está diseñado para eliminar los metales transuránicos (Am/Cm) de los residuos. La idea es que al reducir la actividad alfa de los desechos, la mayoría de los desechos se pueden eliminar con mayor facilidad. Al igual que PUREX, este proceso opera mediante un mecanismo de solvatación.

Como alternativa a TRUEX, se ha ideado un proceso de extracción que utiliza una malondiamida. El proceso de tracción DIAMEX (DIAMideEX) tiene la ventaja de evitar la formación de residuos orgánicos que contienen elementos distintos al carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. Tales residuos orgánicos pueden quemarse sin la formación de gases ácidos que podrían contribuir a la lluvia ácida. El proceso DIAMEX está siendo trabajado en Europa por la CEA francesa. El proceso está lo suficientemente maduro como para que se pueda construir una planta industrial con el conocimiento existente del proceso. Al igual que PUREX, este proceso opera mediante un mecanismo de solvatación.

Extracción Selectiva de Actínidos (SANEX). Como parte de la gestión de los actínidos menores, se ha propuesto que los lantánidos y los actínidos menores trivalentes se eliminen del refinado PUREX mediante un proceso como DIAMEX o TRUEX. Para permitir que los actínidos, como el americio, se reutilicen en fuentes industriales o se utilicen como combustible, se deben eliminar los lantánidos. Los lantánidos tienen grandes secciones transversales de neutrones y, por lo tanto, envenenarían una reacción nuclear impulsada por neutrones. Hasta la fecha, no se ha definido el sistema de extracción para el proceso SANEX, pero actualmente, varios grupos de investigación diferentes están trabajando en un proceso. Por ejemplo, el CEA francés está trabajando en un proceso basado en bis-triazinil piridina (BTP).

Otros trabajadores están trabajando en otros sistemas, como los ácidos ditiofosfínicos.

Este es el proceso de tracción UNIversal EX que se desarrolló en Rusia y la República Checa, es un proceso diseñado para eliminar todos los más problemáticos (Sr, Cs y actínidos menores) radioisótopos de los refinados que quedan después de la extracción de uranio y plutonio del combustible nuclear usado. La química se basa en la interacción del cesio y el estroncio con el óxido de polietileno (polietilenglicol) y un anión carborano de cobalto (conocido como dicarboluro de cobalto clorado). Los actínidos se extraen con CMPO y el diluyente es un aromático polar como el nitrobenceno. También se han sugerido otros diluyentes tales como meta-nitrobenzotrifluoruro y feniltrifluorometilsulfona.

Absorción de productos de fisión en superficies

Otra área importante de la química nuclear es el estudio de cómo los productos de fisión interactúan con las superficies; se cree que esto controla la velocidad de liberación y migración de los productos de fisión tanto de los contenedores de desechos en condiciones normales como de los reactores de potencia en condiciones de accidente. Al igual que el cromato y el molibdato, el anión ⁹⁹TcO₄ puede reaccionar con superficies de acero para formar una capa resistente a la corrosión. De esta forma, estos aniones metaloxo actúan como inhibidores anódicos de la corrosión. La formación de ⁹⁹TcO₂ en las superficies de acero es un efecto que retrasará la liberación de ⁹⁹Tc de los bidones de desechos nucleares y equipos nucleares que perdido antes de la descontaminación (por ejemplo, reactores submarinos perdidos en el mar). Esta capa de ⁹⁹TcO₂ vuelve pasiva la superficie del acero, inhibiendo la reacción de corrosión anódica. La naturaleza radiactiva del tecnecio hace que esta protección contra la corrosión sea poco práctica en casi todas las situaciones. También se ha demostrado que los aniones ⁹⁹TcO₄ reaccionan para formar una capa en la superficie del carbón activado (carbón vegetal) o aluminio. Se puede leer en línea una breve revisión de las propiedades bioquímicas de una serie de radioisótopos clave de vida prolongada.

⁹⁹Tc en los residuos nucleares puede existir en formas químicas distintas del anión ⁹⁹TcO₄, estas otras formas tienen diferentes propiedades químicas. De manera similar, la liberación de yodo-131 en un accidente grave de un reactor de potencia podría retardarse mediante la absorción en superficies metálicas dentro de la planta nuclear.

Educación

A pesar del creciente uso de la medicina nuclear, la potencial expansión de las centrales nucleares y las preocupaciones sobre la protección contra las amenazas nucleares y la gestión de los residuos nucleares generados en las últimas décadas, el número de estudiantes que optan por especializarse en nuclear y radioquímica ha aumentado. disminuido significativamente en las últimas décadas. Ahora, con muchos expertos en estos campos acercándose a la edad de jubilación, es necesario tomar medidas para evitar una brecha de fuerza laboral en estos campos críticos, por ejemplo, fomentando el interés de los estudiantes en estas carreras, ampliando la capacidad educativa de las universidades y colegios, y brindando información más específica. el entrenamiento para el trabajo.

La nuclear y la radioquímica (NRC) se enseñan principalmente a nivel universitario, generalmente primero a nivel de maestría y doctorado. En Europa, se está haciendo un esfuerzo sustancial para armonizar y preparar la educación NRC para las necesidades futuras de la industria y la sociedad. Este esfuerzo está siendo coordinado en un proyecto financiado por la Acción Coordinada apoyada por el 7º Programa Marco de la Comunidad Europea de Energía Atómica. Aunque NucWik está dirigido principalmente a profesores, cualquier persona interesada en radioquímica y nuclear es bienvenida y puede encontrar mucha información y material que explique temas relacionados con NRC.

Áreas de giro

Algunos métodos desarrollados por primera vez dentro de la química y la física nucleares se han vuelto tan ampliamente utilizados dentro de la química y otras ciencias físicas que es mejor considerarlos como algo separado de la química nuclear normal. Por ejemplo, el efecto isotópico se usa tan extensamente para investigar los mecanismos químicos y el uso de isótopos cosmogénicos e isótopos inestables de vida larga en geología que es mejor considerar gran parte de la química isotópica como separada de la química nuclear.

Cinética (uso dentro de la química mecanicista)

Los mecanismos de las reacciones químicas se pueden investigar observando cómo cambia la cinética de una reacción al realizar una modificación isotópica de un sustrato, lo que se conoce como efecto isotópico cinético. Este es ahora un método estándar en química orgánica. Brevemente, reemplazar el hidrógeno normal (protones) por deuterio dentro de una molécula hace que la frecuencia de vibración molecular de los enlaces X-H (por ejemplo, C-H, N-H y O-H) disminuya, lo que conduce a una disminución en la energía vibratoria del punto cero. Esto puede conducir a una disminución de la velocidad de reacción si el paso que determina la velocidad implica la ruptura de un enlace entre el hidrógeno y otro átomo. Por lo tanto, si la velocidad de la reacción cambia cuando los protones son reemplazados por deuterio, es razonable suponer que la ruptura del enlace con el hidrógeno es parte del paso que determina la velocidad.

Usos dentro de la geología, la biología y la ciencia forense

Los isótopos cosmogénicos se forman por la interacción de los rayos cósmicos con el núcleo de un átomo. Estos se pueden utilizar con fines de datación y como trazadores naturales. Además, mediante la medición cuidadosa de algunas proporciones de isótopos estables, es posible obtener nuevos conocimientos sobre el origen de las balas, las edades de las muestras de hielo, las edades de las rocas y la dieta de una persona puede identificarse a partir de una muestra de cabello u otro tejido.. (Consulte Geoquímica isotópica y Firma isotópica para obtener más detalles).

Biología

Dentro de los seres vivos, las etiquetas isotópicas (tanto radiactivas como no radiactivas) se pueden utilizar para investigar cómo la compleja red de reacciones que constituye el metabolismo de un organismo convierte una sustancia en otra. Por ejemplo, una planta verde utiliza la energía de la luz para convertir el agua y el dióxido de carbono en glucosa mediante la fotosíntesis. Si el oxígeno en el agua está etiquetado, entonces la etiqueta aparece en el oxígeno gaseoso formado por la planta y no en la glucosa formada en los cloroplastos dentro de las células vegetales.

Para experimentos bioquímicos y fisiológicos y métodos médicos, varios isótopos específicos tienen aplicaciones importantes.

• Los isótopos estables tienen la ventaja de no proporcionar una dosis de radiación al sistema que se está estudiando; sin embargo, un exceso significativo de ellos en el órgano o organismo podría todavía interferir con su funcionalidad, y la disponibilidad de cantidades suficientes para los estudios entero-animales es limitada para muchos isótopos. La medición también es difícil, y generalmente requiere la espectrometría de masas para determinar cuánto del isótopo está presente en compuestos particulares, y no hay medios para localizar mediciones dentro de la célula.
• ²H (deuterium), el isótopo estable de hidrógeno, es un rastreador estable, cuya concentración puede medirse por espectrometría de masas o NMR. Se incorpora en todas las estructuras celulares. También se pueden producir compuestos deuterizados específicos.
• ¹⁵N, un isótopo estable de nitrógeno, también se ha utilizado. Se incorpora principalmente en proteínas.
• Los isótopos radiactivos tienen las ventajas de ser detectables en cantidades muy bajas, de ser fácilmente medidos por el conteo de la cintillación u otros métodos radioquímicos, y de ser localizable a determinadas regiones de una célula, y cuantificable por la autordiografía. Se pueden preparar muchos compuestos con los átomos radiactivos en posiciones específicas y están ampliamente disponibles comercialmente. En cantidades elevadas requieren precauciones para proteger a los trabajadores de los efectos de la radiación, y pueden contaminar fácilmente el cristal de laboratorio y otros equipos. Para algunos isótopos la vida media es tan corta que la preparación y la medición es difícil.

Mediante la síntesis orgánica es posible crear una molécula compleja con un marcador radiactivo que puede limitarse a una pequeña área de la molécula. Para los isótopos de vida corta como el ¹¹C, se han desarrollado métodos de síntesis muy rápidos que permiten la rápida adición del isótopo radiactivo a la molécula. Por ejemplo, se ha utilizado una reacción de carbonilación catalizada por paladio en un dispositivo de microfluidos para formar rápidamente amidas y podría ser posible utilizar este método para formar agentes radiactivos de formación de imágenes para imágenes de PET.

• ³H (tritio), el radioisotopo de hidrógeno, está disponible en actividades específicas muy altas, y los compuestos con este isótopo en posiciones particulares son fácilmente preparados por reacciones químicas estándar como la hidrógenoación de precursores insaturados. El isótopo emite radiación beta muy suave, y puede ser detectado por recuento de la scintillación.
• ¹¹C, el carbono-11 se produce generalmente por bombardeo de ciclotron ¹⁴N con protones. La reacción nuclear resultante es ¹⁴N(p,α)¹¹C. Además, el carbono-11 también se puede hacer utilizando un ciclotrón; el hierro en forma de óxido borico se reacciona con protones en una reacción (p,n). Otra ruta alternativa es reaccionar ¹⁰B con deuteronos. Por síntesis orgánica rápida, la ¹¹El compuesto C formado en el ciclotrón se convierte en el agente de imagen que se utiliza para PET.
• ¹⁴C, carbono-14 se puede hacer (como arriba), y es posible convertir el material objetivo en compuestos simples inorgánicos y orgánicos. En la mayoría de los trabajos de síntesis orgánica es normal tratar de crear un producto de dos fragmentos de tamaño aproximado y utilizar una ruta convergente, pero cuando se agrega una etiqueta radiactiva, es normal tratar de agregar la etiqueta tarde en la síntesis en forma de un fragmento muy pequeño a la molécula para permitir que la radioactividad se localice en un solo grupo. La adición tardía de la etiqueta también reduce el número de etapas sintéticas donde se utiliza material radiactivo.
• ¹⁸F, flúor-18 se puede hacer por la reacción de neón con deuteronos, ²⁰Ne reacciona en un (d,⁴Reacción. Es normal utilizar gas de neón con un rastro de fluorina estable (¹⁹F₂). El ¹⁹F₂ actúa como portador que aumenta el rendimiento de la radioactividad del objetivo del ciclotrón reduciendo la cantidad de radioactividad perdida por absorción en superficies. Sin embargo, esta reducción de la pérdida es el costo de la actividad específica del producto final.

Espectroscopia nuclear

La espectroscopia nuclear son métodos que utilizan el núcleo para obtener información de la estructura local de la materia. Los métodos importantes son la RMN (ver más abajo), la espectroscopia de Mössbauer y la correlación angular perturbada. Estos métodos utilizan la interacción del campo hiperfino con el núcleo' girar. El campo puede ser magnético y/o eléctrico y lo crean los electrones del átomo y sus vecinos circundantes. Por lo tanto, estos métodos investigan la estructura local de la materia, principalmente la materia condensada en la física de la materia condensada y la química del estado sólido.

Resonancia magnética nuclear (RMN)

La espectroscopia de RMN utiliza el espín neto de los núcleos de una sustancia tras la absorción de energía para identificar moléculas. Ahora se ha convertido en una herramienta espectroscópica estándar dentro de la química sintética. Uno de los principales usos de la RMN es determinar la conectividad de los enlaces dentro de una molécula orgánica.

Las imágenes de RMN también utilizan el espín neto de los núcleos (comúnmente protones) para obtener imágenes. Esto se usa ampliamente con fines de diagnóstico en medicina y puede proporcionar imágenes detalladas del interior de una persona sin infligir ninguna radiación sobre ellos. En un entorno médico, la RMN a menudo se conoce simplemente como "resonancia magnética" imágenes, ya que la palabra 'nuclear' tiene connotaciones negativas para muchas personas.