Koboltti-60

Koboltti-60:n γ-säteilyspektri

Koboltti-60 (⁶⁰Co) on koboltin keinotekoinen radio­aktiivinen isotooppi, jonka massaluku on 60. Sen atomin ytimessä on 27 protonia ja 33 neutronia, ja sen puoliintumisaika on 5,27 vuotta. Sitä valmistetaan neutroni­aktivoinnilla luonnon koboltista, joka on kokonaan isotooppia koboltti-59 (⁵⁹Co). Koboltti-60 hajoaa beeta­hajoamisella nikkelin stabiiliksi isotoopiksi ⁶⁰Ni, joka kuitenkin lähettää vielä kaksi gamma­fotonia, joiden energiat ovat 1,17 ja 1,33 MeV; niinpä siihen liittyvät ydin­reaktiot voidaan esittää reaktioyhtälöllä

⁵⁹₂₇Co + ¹₀n → ⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₈Ni + e^- + ν + γ.

Aktiivisuus

Kun koboltti-60:n puoliintumi­saika tunnetaan, voidaan laskea, että yhden koboltti-60-gramman aktiivisuus on 44 TBq tai noin 1 100 curieta. Siitä saatu absorboitunut annos on verrannollinen hajoamisessa vapautuvaan energiaan ja aikaan. Yhdestä giga­becquerelistä puhdasta koboltti-60:tä saatu annos on noin 0,35 mSv tunnissa metrin etäisyydellä säteily­lähteestä. Tämän perusteella voidaan laskea myös ekvivalenttiannos, joka riippuu etäisyydestä ja aktiivisuudesta.

Esimerkki: Oletetaan, että koboltti-60:stä on valmistettu näyte, jonka aktiivisuus on 2,8 GBq, mikä vastaa 60 mikro­grammaa puhdasta koboltti-60:tä. Sellainen näyte aikaansaa metrin etäisyydellä 1 mSv:n säteily­annoksen tunnissa. Jos koboltti-60:tä tulee niellyksi, etäisyys pienenee muutamaan milli­metriin, ja sama annos saadaan muutamassa sekunnissa.

Opetustarkoituksiin käytetyissä näytteissä koboltti-60:n aktiivisuus on pienempi kuin 100 kBq. Materiaalien testaukseen käytetään näytteitä, joiden aktiivisuus on 1 TBq tai enemmän.

Koboltti-60:stä lähtee varsin suurienergiaista gammasäteilyä, ja näin ollen sen ja nikkeli-60:n atomi­massojen erotus on noin 0,003 atomimassayksikköä. Yhden koboltti-60-gramman tuottama säteily­teho on tämän vuoksi noin 20 wattia, lähes 30 kertaa suurempi kuin plutonium-238:n.

Hajoaminen

Koboltti-60:n ja sen metastabiilin muunnoksen Co-60m hajoamiskaaviot

Oheinen kaavio osoittaa yksin­kertaistetusti koboltti-60:n ja sen metastabiilin muodon Co-60m hajoamis­tavat. Kaavio osoittaa Co-60:n pää­asialliset β-hajoamis­tavat. Noin 0,0022 %:ssa tapauksista syntyvä Ni-60-atomi päätyy 2,1 MeV:n energia­tasolle, jolloin syntyvän β-säteilyn maksimi­energia on 665,26 keV. Kolmen energia­tason väliset siirtymät saavat aikaan kuutta gamma­säteilyn taajuutta.. Kaavioon on merkitty niistä kaksi tärkeintä. Sisäisen konversion energiat ovat selvästi pienempi kuin pää­energia­tasot.

Koboltti-60:stä on olemassa myös metastabiili isomeeri Co-60m, joka puoliintumi­saika on 10,467 minuuttia. Se hajoaa sisäisellä siirtymällä tavalliseksi koboltti-60:ksi lähettäen 58,6 keV:n gammasäteilyä, tai 0,22 %:n toden­näköisyydellä beeta­hajoamisella suoraan nikkeli-60:ksi.

Käyttö

Kuorma-auton sisällön tarkastus koboltti-60:tä sisältävän gammasäteilylähteen avulla

Varoitusmerkinnät kontissa, joka sisältää pienen määrän koboltti-60:ta.

Koboltti-60:n lähettämän beetasäteilyn energia on pieni ja siltä on helppo suojautua; sitä vastoin sen gammasäteilyn kvanttien energiat ovat noin 1,3 MeV, ja ne ovat hyvin läpi­tunkevia. Koboltti-60:tä käytetään pääasiassa seuraavien tarkoituksiin:

• koboltin kemiallisten reaktioiden jäljittämiseen
• lääkinnällisiin tarkoituksiin käytettyjen välineiden sterilointiin
• säteilylähteenä lääketieteellisessä radioterapiassa (kobolttikanuuna)
• säteilylähteenä teollisessa radiografiassa
• säteilylähteenä suuntauslaitteessa ja paksuuden mittaus­laitteissa
• säteilylähtenä lisääntymis­kyvyttömien hyönteis­kantojen tuottamiseen
• säteilylähteenä elin­tarvikkeiden säteilytyksessä ja veri­pankeissa
• mutageenisena säteilylähteenä laboratorioissa.

Koboltti-60:tä on myös suunniteltu käytettävän ydinaseissa, jolloin sen avulla voitaisiin saada aikaan kobolttipommi, äärimmäisen "likainen pommi" eli paljon radio­aktiivista laskeumaa levittävä atomipommi, joka tekisi laajat alueet tai mahdollisesti jopa koko maa­pallon asuin­kelvottomaksi. On oletettu, että sellainen voitaisiin tehdä valmistamalla pommin kuori tavallisesta koboltista (Co-59). Pommin räjähtäessä fissiossa vapautuvat neutronit muuttaisivat kuoren suurelta osin koboltti-60:ksi. Minkään valtion ei kuitenkaan tiedetä vakavissaan kehitelleen sellaista asetta.

Esiintyminen

Koboltti-60:ta ei esiinny luonnossa. Keino­tekoisesti sitä valmistamaan pommittamalla luonnon kobolttia eli koboltti-59:tä hitailla neutroneilla. Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää kalifornium-252:ta, jonka lähettämiä neutroneja hidastetaan veden avulla, tai myös ydinreaktorista saatavaa neutroni­vuota. CANDU-reaktoreilla voidaan koboltti-59 aktivoida korvaamalla ruostumattomasta teräksestä valmistetut säätösauvat kobolttisilla. Yhdysvalloissa sitä valmistetaan nykyisin BWR:ssä Hope Creek Nuclear Generating Stationilla. Kobolttiset kohtiot on siitä korvattu pienellä määrällä ydinpolttoainetta.

Turvallisuus

Jos koboltti-60 joutuu nisäkkääseen, esimerkiksi ihmiseen, osa siitä poistuu ulosteiden mukana. Muu osa siitä päätyy kudoksiin, varsinkin maksaan, munuaisiin ja luihin, joissa pitkä­aikainen altistuminen sille voi aiheuttaa syöpää. Ajan mittaan imeytynyt koboltti poistuu elimistöstä virtsan mukana.

Kobolttia käytetään seosaineena useissa teräslaaduissa. Koboltti-60:tä sisältäviä jätteitä on silloin tällöin joutunut metalliromun sekaan, minkä vuoksi kierrätys­materiaaleista valmistetuissa rauta- ja teräs­tuotteissa on joskus esiintynyt radio­aktiivisuutta.

Vuonna 2000 Bangkokissa, Thaimaassa, eräs käyttämätön radio­terapiaan tarkoitettu väline, joka sisälsi koboltti-60:tä, tuli epä­huomiossa myydyksi romuliikkeeseen. Sen vaarallisuutta aavistamatta eräs työn­tekijä avasi sen suojuksen, jolloin sen sisällä ollut radio­aktiivinen aine pysyi suojaamattomana useita päiviä. Kymmenen henkilöä, mukaan luettuna romun­kerääjät ja yrityksen henkilö­kunta, altistui suurille säteily­annoksille ja sairastui. Kolme heistä kuoli pian suureen säteily­annokseen, jonka on arvioitu olleen yli 6 Gy. Lopulta Thai­maan viran­omaiset saivat kuitenkin suljetuksi säteily­lähteen turvallisesti.

Elokuussa 2012 Petco palautti muutamia teräksisiä lemmikkieläinten ruoka-astioita sen jälkeen kun Yhdysvaltain tulli- ja raja­vartio­viran­omaiset olivat todenneet ne heikosti radio­aktiivisiksi. Säteily­lähteeksi todettiin koboltti-60, jota oli päätynyt niiden valmistukseen käytettyyn teräkseen.

Toukokuussa 2013 Yhdys­valloissa taka­varikoitiin erä metalli­päällysteitä vöitä, joiden todettiin sisältävän koboltti-60:tä.

Pariteetti

Vuonna 1957 Chien-Shiung Wu:n johtama työryhmä totesi, että koboltti-60:n beeta­hajoaminen ei noudattanut pariteetin säilymislakia, mikä osoitti, että luonnon­lait tekevät eron oikean ja vasemman välille.

Wun johtama työryhmä oli asettanut koboltti-60-ytimiä saman­suuntaisesti jäähdyttämällä näytettä alhaiseen lämpötilaan magneetti­kentässä. Havaittiin, että β-säteitä lähti enemmän ydinspinin suuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan. Tämä asymmetria oli vastoin siihen saakka oletettua pariteetin säilymis­lakia.

Aiheesta muualla

• Cobalt-60 (Arkistoitu – Internet Archive), Centers for Disease Control and Prevention.
• NLM Hazardous Substances Databank – Cobalt, Radioactive
• Beta decay of Cobalt-60, HyperPhysics, Georgia State University.
• Dr. Henry Kelly. Cobalt-60 as a Dirty Bomb (Arkistoitu – Internet Archive), Federation of American Scientists, 6.3.2002.