Amerisium-241

Amerisium-241, ²⁴¹Am

Tombol kecil yang berisi 241AmO2 dari alarm asap
Umum
Simbol	241Am
Nama	amerisium-241, Am-241
Proton (Z)	95
Neutron (N)	146
Data nuklida
Kelimpahan alam	0 (sintetis)
Waktu paruh (t1/2)	432,2 tahun
Isotop induk	241Pu (β−) 241Cm (EC) 245Bk (α)
Produk peluruhan	237Np
Massa isotop	241,056829144 u
Spin	5/2−
Surplus energi	52.936,008 keV
Energi pengikatan	7.543,272 keV
Mode peluruhan
Mode peluruhan	Energi peluruhan (MeV)
Peluruhan-α (alfa)	5,486
Emisi-γ (gama)	0,0595409
CD (peluruhan gugus)	93,923
Isotop amerisium Tabel nuklida lengkap

Amerisium-241 (²⁴¹Am atau Am-241) adalah sebuah isotop amerisium. Seperti semua isotop amerisium, ia bersifat radioaktif, dengan waktu paruh 432,2 tahun. ²⁴¹Am adalah isotop amerisium yang paling umum serta isotop amerisium yang paling umum dalam limbah nuklir. Ia umumnya ditemukan dalam detektor asap tipe ionisasi dan merupakan bahan bakar potensial untuk generator termoelektrik radioisotop (radioisotope thermoelectric generators, RTG). Nuklida induknya yang paling umum adalah ²⁴¹Pu dari β⁻, ²⁴¹Cm dari EC, dan ²⁴⁵Bk dari α. ²⁴¹Am bersifat fisil^[1] dan massa kritis bola telanjang adalah 57,6–75,6 kilogram dan diameter bola 19–21 sentimeter.^[2] Amerisium-241 memiliki aktivitas spesifik sebesar 3,43 Ci/g (curie per gram atau 126,8 gigabecquerel (GBq) per gram).^[3] Ia umumnya ditemukan dalam bentuk amerisium-241 dioksida (²⁴¹AmO₂). Isotop ini juga memiliki satu keadaan meta, ^241mAm, dengan energi eksitasi 2,2 MeV dan waktu paruh 1,23 μdtk. Kehadiran amerisium-241 dalam plutonium ditentukan oleh konsentrasi asli plutonium-241 dan umur sampelnya. Karena penetrasi radiasi alfa yang rendah, amerisium-241 hanya menimbulkan risiko kesehatan saat tertelan atau terhirup. Sampel plutonium yang lebih tua yang mengandung ²⁴¹Pu mengandung penumpukan ²⁴¹Am. Penghapusan kimia amerisium-241 dari plutonium yang dikerjakan ulang (misalnya selama pengerjaan ulang biji plutonium) mungkin diperlukan dalam beberapa kasus.

Amerisium-241 telah diproduksi dalam jumlah kecil di beberapa reaktor nuklir selama beberapa dekade, dan banyak kilogram ²⁴¹Am telah terakumulasi sekarang.^[4] Namun demikian, sejak pertama kali ditawarkan untuk dijual pada tahun 1962, harganya sekitar AS$1.500 per gram ²⁴¹Am, hampir tidak berubah karena prosedur pemisahannya yang sangat rumit.^[5]

Amerisium-241 tidak disintesis langsung dari uranium – bahan reaktor yang paling umum – tetapi dari isotop plutonium ²³⁹Pu. Yang terakhir perlu diproduksi terlebih dahulu, sesuai dengan proses nuklir berikut:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ \xrightarrow {(n,\gamma )} \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,5\ mnt}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ hri}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Penangkapan dua neutron oleh ²³⁹Pu (yang disebut reaksi (n,γ)), diikuti oleh peluruhan-β, menghasilkan ²⁴¹Am:

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow {2~(n,\gamma )} \ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14,35\ thn}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }$

Plutonium yang ada dalam bahan bakar nuklir bekas mengandung sekitar 12% ²⁴¹Pu. Karena diubah menjadi ²⁴¹Am, ²⁴¹Pu dapat diekstraksi dan dapat digunakan untuk membangkitkan ²⁴¹Am lebih lanjut.^[5] Namun, proses ini agak lambat: setengah dari jumlah asli ²⁴¹Pu meluruh menjadi ²⁴¹Am setelah sekitar 14 tahun, dan jumlah ²⁴¹Am mencapai maksimum setelah 70 tahun.^[6]

²⁴¹Am yang diperoleh dapat digunakan untuk menghasilkan isotop amerisium yang lebih berat dengan penangkapan neutron lebih lanjut di dalam reaktor nuklir. Dalam reaktor air ringan (light water reactor, LWR), 79% penangkapan neutron pada ²⁴¹Am diubah menjadi ²⁴²Am dan 10% menjadi isomer nuklir ^242mAm:^[7]

79%:   ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$

Amerisium-241 meluruh terutama melalui peluruhan alfa, dengan produk sampingan sinar gama yang lemah. Peluruhan-α ditunjukkan sebagai berikut:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432,2thn}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np~+~_{2}^{4}\alpha ^{2+}+\gamma ~59,5409~keV} }$

Energi peluruhan-α adalah sebesar 5,486 MeV untuk 85% total waktu (yang diterima secara luas untuk energi peluruhan standar), 5,443 MeV untuk 13% total waktu, dan 5,388 MeV untuk 2% sisanya.^[8] Energi sinar-γ untuk sejumlah besar bagian adalah 59,5409 keV, dengan sejumlah kecil energi lain seperti 13,9 keV, 17,8 keV dan 26,4 keV.^[9]

Jenis peluruhan kedua yang paling umum yang dialami amerisium-241 adalah fisi spontan, dengan rasio percabangan 3.6×10^−12[10] dan terjadi 1,2 kali per detik per gram ²⁴¹Am. Hal ini ditulis sebagai berikut (tanda bintang menunjukkan inti yang tereksitasi):

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\longrightarrow ~_{\ 95}^{241}Am^{*}\longrightarrow 3_{0}^{1}n~+~produk~fisi~+energi~(\gamma )} }$

Jenis peluruhan amerisium-241 yang paling jarang adalah peluruhan gugus ³⁴Si, dengan rasio percabangan kurang dari 7.4×10⁻¹⁶.^[10] Hal ini ditulis sebagai berikut:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\longrightarrow _{\ 81}^{207}Tl+_{14}^{34}Si} }$

Amerisium-241 adalah satu-satunya isotop sintetis yang ditemukan di rumah tangga, di mana jenis detektor asap yang paling umum (tipe ionisasi) menggunakan ²⁴¹AmO₂ (amerisium-241 dioksida) sebagai sumber radiasi pengionnya.^[11] Isotop ini lebih disukai daripada ²²⁶Ra karena memancarkan partikel alfa 5 kali lebih banyak dan radiasi gama berbahaya yang relatif sedikit. Dengan waktu paruh 432,2 tahun, amerisium dalam detektor asap berkurang dan mencakup sekitar 3% neptunium setelah 19 tahun, dan sekitar 5% setelah 32 tahun. Jumlah amerisium dalam detektor asap baru yang khas adalah 0,29 mikrogram (sekitar sepertiga berat sebutir pasir) dengan aktivitas 1 microcurie (37 kBq). Beberapa detektor asap industri lama (terutama dari Pyrotronics Corporation) dapat berisi hingga 80 μCi. Jumlah ²⁴¹Am menurun perlahan karena ia meluruh menjadi neptunium-237, unsur transuranik yang berbeda dengan waktu paruh yang jauh lebih lama (sekitar 2,14 juta tahun). Partikel alfa yang terpancar melewati bilik pengionan, ruang yang berisi udara di antara dua elektrode, yang memungkinkan arus listrik kecil dan konstan mengalir di antara pelat kapasitor karena radiasi yang mengionisasi ruang udara di antaranya. Setiap asap yang masuk ke bilik akan menghalangi/menyerap beberapa partikel alfa agar tidak melewatinya secara bebas dan mengurangi ionisasi dan oleh karena itu menyebabkan penurunan arus. Sirkuit alarm mendeteksi penurunan arus ini dan sebagai hasilnya, memicu bel piezoelektrik berbunyi. Dibandingkan dengan detektor asap optik alternatif, detektor asap ionisasi lebih murah dan dapat mendeteksi partikel yang terlalu kecil untuk menghasilkan hamburan cahaya yang signifikan. Namun, ia lebih rentan terhadap alarm palsu.^{[12][13][14][15]}

Proses pembuatan amerisium yang digunakan pada tombol-tombol pada detektor asap tipe ionisasi dimulai dengan amerisium dioksida. AmO₂ dicampur secara menyeluruh dengan emas, dibentuk menjadi briket, dan dilebur dengan tekanan dan panas pada suhu lebih dari 1.470 °F (800 °C). Bagian belakang dari perak dan lapisan depan dari emas (atau paduan dari emas atau paladium) diaplikasikan pada briket dan disegel dengan penempaan panas. Briket kemudian diproses melalui beberapa tahapan cold rolling untuk mencapai ketebalan dan tingkat emisi radiasi yang diinginkan. Ketebalan akhir adalah sekitar 0.008 inci (200 mm), dengan penutup emas mewakili sekitar satu persen dari ketebalan. Strip foil yang dihasilkan, yang lebarnya sekitar 08 inci (200 mm) dipotong menjadi beberapa bagian dengan panjang 39 inci (1 m). Sumbernya dilubangi dari strip foil. Setiap cakram, berdiameter sekitar 02 inci (51 mm), dipasang pada dudukan logam, biasanya terbuat dari aluminium. Dudukannya adalah rumah, yang merupakan mayoritas dari apa yang terlihat pada tombol. Pelek tipis pada dudukan digulung untuk menutup sepenuhnya tepi yang dipotong di sekitar cakram,.^[16]

Karena ²⁴¹Am memiliki waktu paruh yang hampir sama dengan ²³⁸Pu (432,2 tahun vs. 87 tahun), ia telah diusulkan sebagai isotop aktif generator termoelektrik radioisotop, untuk digunakan dalam pesawat ruang angkasa.^[17][18] Meskipun amerisium-241 menghasilkan lebih sedikit panas dan listrik daripada plutonium-238 (daya yang dihasilkan adalah 114,7 mW/g untuk ²⁴¹Am vs. 570 mW/g untuk ²³⁸Pu)^[17] dan radiasinya menimbulkan ancaman yang lebih besar bagi manusia karena emisi gama dan neutron, ia memiliki keuntungan untuk misi durasi panjang dengan waktu paruh yang jauh lebih lama. European Space Agency sedang mengerjakan RTG berdasarkan amerisium-241 untuk wahana antariksanya^[19] sebagai akibat dari kekurangan global plutonium-238 dan akses mudah ke amerisium-241 di Eropa dari pemrosesan ulang limbah nuklir.^[20][21]

Persyaratan perisainya dalam RTG adalah yang terendah kedua dari semua isotop yang mungkin: hanya ²³⁸Pu yang membutuhkan lebih sedikit. Keuntungan dari ²³⁸Pu adalah bahwa ia diproduksi sebagai limbah nuklir dan hampir murni secara isotop. Desain prototipe RTG ²⁴¹Am memperkirakan 2–2,2 W_e/kg untuk desain RTG 5–50 W_e, menempatkan RTG ²⁴¹Am setara dengan RTG ²³⁸Pu dalam rentang daya tersebut, karena sebagian besar massa RTG bukanlah isotop, tetapi termoelektrik, radiator, dan massa penahanan isotop.^[22]

Oksida ²⁴¹Am yang ditekan dengan berilium dapat menjadi sumber neutron yang sangat efisien, karena mereka memancarkan partikel alfa selama peluruhan radioaktif:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ {\overset {432,2thn}{\longrightarrow }}\ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}+\ \gamma ~59,5~keV} }$

Di sini amerisium bertindak sebagai sumber alfa, dan berilium menghasilkan neutron karena penampangnya yang besar untuk reaksi nuklir (α,n):

${\textstyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}\alpha ^{2+}\longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } }$

Penggunaan paling luas dari sumber neutron ²⁴¹AmBe adalah probe neutron – sebuah perangkat yang digunakan untuk mengukur kuantitas air yang ada di tanah, serta kelembapan/kepadatan untuk kontrol kualitas dalam konstruksi jalan raya. Sumber neutron ²⁴¹Am juga digunakan dalam aplikasi loging sumur, serta dalam radiografi neutron, tomografi, dan investigasi radiokimia lainnya. ^[23]

Amerisium-241 kadang-kadang digunakan sebagai bahan awal untuk memproduksi unsur transuranik dan transaktinida lainnya – misalnya, pengeboman neutron ²⁴¹Am akan menghasilkan ²⁴²Am: ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$

Dari sana, 82,7% dari ²⁴²Am meluruh menjadi ²⁴²Cm dan 17,3% menjadi ²⁴²Pu:

82,7% → ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma )} \ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16,02\ jam}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm} }$

17,3%→ ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma )} \ _{\ 95}^{242}Am\ {\xrightarrow[{16,02\ jam}]{\beta ^{+}}}\ _{\ 94}^{242}Pu} }$

Dalam reaktor nuklir, ²⁴²Am juga diubah oleh penangkapan neutron menjadi ²⁴³Am dan ²⁴⁴Am, yang diubah oleh peluruhan-β menjadi ²⁴⁴Cm:

${\displaystyle \mathrm {^{242}_{\ 95}Am\xrightarrow {(n,\gamma )} ~_{\ 95}^{243}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma )} \ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10,1\ jam}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }$

Iradiasi ²⁴¹Am oleh ion ¹²C atau ²²Ne menghasilkan isotop ²⁵³Es (einsteinium) atau ²⁶³Db (dubnium), berturut-turut.^[24] Lebih lanjut, unsur berkelium (isotop ²⁴³Bk) pertama kali diproduksi dan diidentifikasi dengan membombardir ²⁴¹Am dengan partikel alfa, pada tahun 1949, oleh kelompok Berkeley yang sama, menggunakan siklotron 60 inci yang sama yang telah digunakan untuk banyak eksperimen sebelumnya. Demikian pula, nobelium diproduksi di Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Uni Soviet, pada tahun 1965 dalam beberapa reaksi, salah satunya termasuk iradiasi ²⁴³Am dengan ion ¹⁵N. Selain itu, salah satu reaksi sintesis untuk lawrensium, yang ditemukan oleh para ilmuwan di Berkeley dan Dubna, termasuk pemboman ²⁴³Am dengan ¹⁸O.^[25]

Amerisium-241 telah digunakan sebagai sumber sinar gama dan partikel alfa portabel untuk sejumlah keperluan medis dan industri. Emisi sinar gama sebesar 59,5409 keV dari ²⁴¹Am dalam sumber tersebut dapat digunakan untuk analisis tidak langsung bahan dalam radiografi dan spektroskopi fluoresensi sinar-X, serta untuk kontrol kualitas dalam pengukur kepadatan nuklir tetap dan densometer nuklir. Misalnya, isotop ini telah digunakan untuk mengukur ketebalan kaca untuk membantu membuat kaca datar.^[4] Amerisium-241 juga cocok untuk kalibrasi spektrometer sinar gama dalam rentang energi yang rendah, karena spektrumnya terdiri dari hampir satu puncak dan kontinum Compton yang dapat diabaikan (setidaknya tiga kali lipat intensitas lebih rendah).^[26]

Sinar gama dari amerisium-241 telah digunakan untuk memberikan diagnosis pasif fungsi tiroid. Aplikasi medis ini sekarang sudah usang. Sinar gama amerisium-241 telah digunakan untuk memberikan diagnosis pasif fungsi tiroid. Aplikasi medis ini sekarang sudah usang. Sinar gama amerisium-241 dapat memberikan kualitas radiografi yang wajar, dengan waktu pemaparan 10 menit. Radiografi ²⁴¹Am hanya diambil secara eksperimental karena waktu pemaparan yang lama yang meningkatkan dosis efektif untuk jaringan hidup. Mengurangi durasi paparan akan mengurangi kemungkinan peristiwa ionisasi yang menyebabkan kerusakan sel dan DNA, dan merupakan komponen penting dalam pepatah "waktu, jarak, perisai" yang digunakan dalam perlindungan radiasi.^[27]

Amerisium-241 memiliki bahaya umum yang sama seperti isotop amerisium lainnya: sangat beracun dan radioaktif. Meskipun partikel-α dapat dihentikan dengan selembar kertas, ada masalah kesehatan yang serius untuk pengonsumsian pemancar-α. Amerisium dan isotopnya juga sangat beracun secara kimiawi, dalam bentuk keracunan logam berat. Sedikitnya 0,03 μCi (1.110 Bq) adalah beban tubuh maksimum yang diizinkan untuk ²⁴¹Am.^[28]

Amerisium-241 adalah pemancar-α dengan produk sampingan sinar-γ yang lemah. Menangani amerisium-241 dengan aman membutuhkan pengetahuan dan mengikuti tindakan pencegahan keselamatan yang tepat, karena tanpa mereka maka penanganannya akan sangat berbahaya. Konstanta dosis gama spesifiknya adalah 3,14×10⁻¹ mR/jam/mCi atau 8,48×10⁻⁵ mSv/jam/MBq pada jarak 1 meter.^[29]

Jika terkonsumsi, amerisium-241 diekskresikan dalam beberapa hari dan hanya 0,05% yang diserap dalam darah. Dari sana, kira-kira 45% masuk ke hati dan 45% ke tulang, dan 10% sisanya dikeluarkan. Penyerapan ke hati tergantung pada individu dan meningkat seiring bertambahnya usia. Di tulang, amerisium pertama kali disimpan di atas permukaan kortikal dan trabekula dan perlahan-lahan didistribusikan kembali ke tulang seiring waktu. Waktu paruh biologis ²⁴¹Am adalah 50 tahun di tulang dan 20 tahun di hati, sedangkan di gonad (testis dan ovarium) tetap permanen; di semua organ ini, amerisium mendorong pembentukan sel kanker sebagai akibat dari radioaktivitasnya.^[30]

Americium-241 sering memasuki tempat pembuangan sampah dari detektor asap yang dibuang. Aturan yang terkait dengan pembuangan detektor asap dilonggarkan di sebagian besar yurisdiksi. Di A.S., "Radioactive Boy Scout" David Hahn mampu mengkonsentrasikan amerisium-241 dari detektor asap setelah berhasil membeli seratus dengan harga sisa dan juga mencuri beberapa.^{[31][32][33][34]} Ada beberapa kasus paparan amerisium-241, dengan Kaskus terburuk adalah kasus Harold McCluskey, yang pada usia 64 tahun terpapar 500 kali batas standar pekerjaan untuk amerisium-241 sebagai akibat dari ledakan di labnya. McCluskey meninggal pada usia 75 tahun, bukan karena paparannya, tetapi karena penyakit jantung yang dia alami sebelum kecelakaan.^[35][36]

• Isotop amerisium