Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
D-3 
APPENDIX D 
The activity of a radionuclide at time t may be calculated by: 
-0.693t/Trad 
A = A
o
e
where A is the activity in dps or curies or becquerels, A
o 
is the activity at time zero, t is the time at which 
measured, and T
rad 
is the radiological half-life of the radionuclide (T
rad
 and t must be in the same units of 
time).  The time when the activity of a sample of radioactivity becomes one-half its original value is the 
radioactive half-life and is expressed in any suitable unit of time. 
Table D-1.  Characteristics of Nuclear Radiations 
Typical 
Path length
b 
Radiation 
Rest mass
a 
Charge 
energy range 
Air 
Solid 
Comments 
Alpha (α) 
4.00 amu 
+2 
4–10 MeV 
5–10 cm  25–80 μm  Identical to ionized 
He nucleus 
Negatron (β
–
) 
5.48x10
-4 
amu; 
–1 
0–4 MeV 
0–10 m 
0–1 cm  Identical to electron 
0.51 MeV 
Positron (β
+
) 
5.48x10
-4 
amu; 
+1 
0-4 MeV 
0–10 m 
0–1 cm  Identical to electron 
0.51 MeV 
except for sign of 
charge 
Neutron 
1.0086 amu; 
0 
0–15 MeV 
b 
b 
Free half-life:  16 min 
939.55 MeV 
X ray 
(e.m.  photon) 
– 
0 
5 keV–100 keV 
b 
b 
Photon from 
transition of an 
electron between 
atomic orbits 
Gamma () 
(e.m.  photon) 
– 
0 
10 keV–3 MeV 
b 
b 
Photon from nuclear 
transformation 
a 
The rest mass (in amu) has an energy equivalent in MeV that is obtained using the equation E=mc
2
, where 1 amu = 932 MeV. 
b 
Path lengths are not applicable to x- and gamma rays since their intensities decrease exponentially; path lengths in solid tissue 
are variable, depending on particle energy, electron density of material, and other factors. 
amu = atomic mass unit; e.m.  = electromagnetic; MeV = MegaElectron Volts 
The specific activity is a measure of activity, and is defined as the activity per unit mass or per unit 
volume. This activity is usually expressed in curies per gram and may be calculated by 
curies/gram  =  1.3x10
8 
/ (T
rad
) (atomic weight)
 or 
[3.577 x 10
5
 x  mass(g)] / [T
rad
 x  atomic weight] 
where T
rad 
is the radiological half-life in days. 
In the case of radioactive materials contained in living organisms, an additional consideration is made for 
the reduction in observed activity due to regular processes of elimination of the respective chemical or 
biochemical substance from the organism.  This introduces a rate constant called the biological half-life 
(T
biol
) which is the time required for biological processes to eliminate one-half of the activity.  This time 
is virtually the same for both stable and radioactive isotopes of any given element. 

---

PLUTONIUM 
D-4 
APPENDIX D 
Under such conditions the time required for a radioactive element to be halved as a result of the combined 
action of radioactive decay and biological elimination is the effective clearance half-time: 
T
eff 
= (T
biol
 x T
rad
) / (T
biol 
+ T
rad
). 
Table D-2 presents representative effective half-lives of particular interest. 
Table D-2.  Half-Lives of Some Radionuclides in Adult Body Organs 
Half-life
a 
Radionuclide 
Critical organ 
Physical 
Biological 
Effective 
Uranium 238 
Kidney 
4,460,000,000 y 
4 d 
4 d 
Hydrogen 3
b 
Whole body 
12.3 y 
10 d 
10 d 
(Tritium) 
Iodine 131 
Thyroid 
8 d 
80 d 
7.3 d 
Strontium 90 
Bone 
28 y 
50 y 
18 y 
Plutonium 239 
Bone surface 
24,400 y 
50 y 
50 y 
Lung 
24,400 y 
500 d 
500 d 
Cobalt 60 
Whole body 
5.3 y 
99.5 d 
95 d 
Iron 55 
Spleen 
2.7 y 
600 d 
388 d 
Iron 59 
Spleen 
45.1 d 
600 d 
42 d 
Manganese 54 
Liver 
303 d 
25 d 
23 d 
Cesium 137 
Whole body 
30 y 
70 d 
70 d 
a
d = days, y = years
b
Mixed in body water as tritiated water  
D.2.3  Interaction of Radiation with Matter 
Both ionizing and nonionizing radiation will interact with materials; that is, radiation will lose kinetic 
energy to any solid, liquid or gas through which it passes by a variety of mechanisms.  The transfer of 
energy to a medium by either electromagnetic or particulate radiation may be sufficient to cause 
formation of ions.  This process is called ionization.  Compared to other types of radiation that may be 
absorbed, such as ultraviolet radiation, ionizing radiation deposits a relatively large amount of energy into 
a small volume. 
The method by which incident radiation interacts with the medium to cause ionization may be direct or 
indirect.  Electromagnetic radiations (x rays and gamma photons) are indirectly ionizing; that is, they give 
up their energy in various interactions with cellular molecules, and the energy is then utilized to produce a 
fast-moving charged particle such as an electron.  It is the electron that then may react with a target 
molecule.  This particle is called a “primary ionizing particle.  Charged particles, in contrast, strike the 
tissue or medium and directly react with target molecules, such as oxygen or water.  These particulate 
radiations are directly ionizing radiations.  Examples of directly ionizing particles include alpha and beta 
particles.  Indirectly ionizing radiations are always more penetrating than directly ionizing particulate 
radiations. 

---