Редкие изотопы элементов, отсутствующие или крайне малораспространённые в природе, получают преимущественно ядерными методами. Основные подходы включают нейтронное облучение, реакции с заряженными частицами, фотоядерные реакции и деление тяжёлых ядер. Выбор метода определяется жизненным циклом изотопа, необходимой чистотой и объёмом производства.
Нейтронное облучение Наиболее широко используется в ядерных реакторах. Изотопы получают путем захвата нейтронов ядрами исходного вещества: [ ^A_ZX + n ^{A+1}_ZX^*] В случае короткоживущих продуктов применяется быстрая химическая сепарация, что позволяет изолировать необходимый изотоп до его распада. Например, редкоземельные элементы, такие как самарий или евровий, синтезируются этим способом с использованием облучённых мишеней из соответствующих стабильно существующих элементов.
Реакции с заряженными частицами Целевые ядра облучают протонами, дейтронами или альфа-частицами в ускорителях (циклотронах, линейных ускорителях). Реакции типа ((p,n)), ((d,n)), ((,n)) позволяют получить неестественные изотопы, недоступные через нейтронное облучение. Пример: получение радиоизотопов иттрия-90 и стронция-82 для медицинских целей.
Фотоядерные реакции Используются интенсивные γ-лучи (обычно от линейных ускорителей электронов) для возбуждения ядер, приводящего к выбиванию нуклонов: [ + ^A_ZX ^{A-1}_Z X + n] Эффективны для производства редких изотопов лёгких и средних элементов, таких как технеций-99 или рений-186, когда традиционные методы менее продуктивны.
Деление тяжёлых ядер Спонтанное или индуцированное деление урана-235, плутония-239 и других тяжёлых актинид позволяет получать широкий спектр слабо встречающихся изотопов среднего и тяжёлого диапазона масс. Продукты деления подвергаются химической обработке для выделения конкретных изотопов, например иттрий-90 или стронций-89.
Полученные радиоизотопы требуют выделения из матрицы мишени и отделения от сопутствующих элементов. Применяются:
Выбор метода определяется химической природой элемента и требуемой радиохимической чистотой. Например, редкоземельные элементы часто выделяют через ионно-обменные смолы, что позволяет селективно разделять соседние изотопы.
Трансурановые элементы Получение трансуранов (Np, Pu, Am, Cm) осуществляется нейтронным захватом и β-распадом в реакторах, либо синтезом в циклотроне из лёгких актинид через реакции с тяжёлыми ионами. Основной сложностью является крайне малая продуктивность и радиотоксичность, что требует работы в высокорадиоактивных условиях с дистанционным управлением.
Редкоземельные элементы Производство изотопов редкоземов часто связано с нейтронным облучением стабильно существующих изотопов в реакторах. Для получения отдельных изотопов (например, ^153Sm или ^177Lu) применяются химически селективные методы выделения, учитывающие близкую химическую схожесть соседних элементов.
Лёгкие редкие элементы Изотопы лёгких элементов (Li, Be, B) получают преимущественно реакциями с заряженными частицами. Например, получение ^10Be осуществляется через облучение ^10B протонами или нейтронами с последующей химической очисткой.
Производство редких изотопов сопровождается строгим контролем:
Развитие ускорительной техники и фотоядерных методов открывает возможности для производства экзотических изотопов с коротким периодом полураспада, востребованных в ядерной медицине, физике высоких энергий и материаловедении. Повышение селективности химических методов позволяет минимизировать потери и отходы радиоактивных материалов, а также получать изотопы с максимально высокой чистотой.
Процесс получения изотопов редких элементов объединяет ядерную физику, радиохимию и современные технологии обработки материалов, представляя собой уникальную область пересечения фундаментальной науки и прикладной химии.