Radioactivity - radionuclides - radiation : including the universal nuclide chart on CD-ROM; with 43 tables

Contents
rad i oactivity 1. Origins and Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 The Greek Elements and the Indivisible Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Twentieth Century Science and the Multi-Corpuscular Atom . . . . . . . . . . . . 4 Discovery of Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Structure of the Atom: Kelvin-Thomson “Plum Pudding” Atom . . . . . . . . . . 6 Bohr-Sommerfeld Model of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 The Neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Wave/Particle Duality: The de Broglie Relation andWave Mechanics . . . . . 12 Classification of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Synthesis of the Elements in Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2. Nuclear Energetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Nuclear Units – Atomic Mass Unit and the Electron Volt . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Nuclear and Atomic Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Atomic and MolecularWeights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Avogadro’s Number. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Mass of an Atom and Atomic Number Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Relativistic Mechanics and Einstein’s Mass/Energy Equivalence . . . . . . . . . 23 Binding Energy of the Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Nucleon Separation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Q-Value for a Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Energy Level Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Nuclear Spin and Parity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Nuclear Isomerism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Nuclide Charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3. Radioactivity and Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Simple Radioactive Decay: Half-life and Decay Constant . . . . . . . . . . . . . . . 44 Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Average (Mean) Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Branching Ratios and Number of Decay Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Decay Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Radioactive Equilibria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 VI Contents Decay Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Cross-sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Neutron Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Burnout Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4. Types of Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Decay Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Alpha (α) Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Beta-minus (β −) Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Gamma Emission and Isomeric Transition (IT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Internal Conversion (IC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Beta-plus (β +) Decay (Positron Emission) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Electron Capture (ε or ec) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Spontaneous Fission (SF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Proton Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Special Beta-Decay Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Heavy-Ion or Cluster Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Magic Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Decay of Bare Nuclei – Bound Beta Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Halo Nuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
rad i onuclides 5. Transmutation Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 How Constant is the Decay Constant? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Natural Transmutation by Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Synthesis of Superheavy Elements by Transmutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Laser Transmutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6. Archaeology and Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Radioactive Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 An Astrophysical Clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Age of the Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Prehistoric Cave Art at Altamira, Northern Spain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 The Age of Groundwater – The Oasis Ballad Seet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Nuclear Forensic Science – Age of Plutonium Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7. Radioisotopes in Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 External Beam Radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Immunotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Ion Beam Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Boron Neutron Capture Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Radioactive “Bullets” – Alpha-Immunotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Contents VII 8. Scientific and Industrial Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Radioisotope Tracers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Radiography and Gauging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Radiation Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Nuclear Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
rad i ation 9. Radiation and the Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Biological Effects of Ionising Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Radiotoxicity and Annual Limits of Intake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Radiation Hormesis and the Linear Non-Threshold (LNT) Model . . . . . . . . 144 High Background Radiation Areas Around theWorld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Radon: A Test for the LNT Hypothesis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Radiation Exposure in High-Flying Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Conan the Bacterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Packaging and Transport of Radioactive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 NuclearWaste Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Nuclear Tests in the South Pacific . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 The Chernobyl Accident . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 The Goiˆania Radiation Incident – a Benchmark for Radiological Dispersion Devices (RDDs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Recommended Reading andWeblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Weblinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Appendix A: Physical Constants, Conversion Factors, Prefixes, Greek Alphabet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Appendix B: Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Appendix C: Properties of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Appendix D: Table of Atomic Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Appendix E: Universal Nuclide Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Computer System Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Radioactive Decay Chain Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Neutron Reaction Path Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Appendix F: Periodic Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Appendix G: Karlsruhe Chart of the Nuclides – Karlsruher Nuklidkarte . . . 243 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249