Zastosowanie izotopów promieniotwórczych

Co to jest izotop?



Izotopy – są odmianami tego samego
pierwiastka różniącymi się liczbą
neutronów w jądrze, a tym samym
liczbą masową A. Nuklidy te
posiadają natomiast taką samą
liczbę atomową Z. Z tego względu w
niewielkim stopniu różnią się od
siebie właściwościami fizycznymi i
chemicznymi oraz reaktywnością.

Podział izotopów



Izotopy możemy podzielić na:

TRWAŁE: czyli nieulegające

samorzutnej przemianie

NIETRWAŁE zwane również

IZOTOPAMI

PROMIENIOTWÓRCZYMI

: które

ulegają samorzutnej przemianie w
inne izotopy lub inne pierwiastki

Kilka definicji związanych z izotopami
promieniotwórczymi



Rozpad promieniotwórczy – jest to samorzutny
proces, w którym niestabilne jądra atomowe
tracą część swojej energii emitując cząstki (alfa,
beta) lub kwanty (gamma) promieniowania
jonizującego.



Prawo rozpadu promieniotwórczego – określa
zmianę liczby jąder substancji promieniotwórczej
w czasie, na skutek rozpadu
promieniotwórczego.



Czas połowicznego zaniku T

1/2

- to czas, po

upływie którego liczba pierwotnych jąder
promieniotwórczych zmniejszy się o połowę.

Proces samorzutny – co to znaczy?



Z punktu widzenia termodynamiki proces samorzutny to taki,
który można zrealizować

bez konieczności wykonywania

pracy nad układem



Porównując zaś energię wiązania przypadającą na jeden
nukleon w funkcji A (liczby masowej) zauważamy wyraźny
spadek krzywej dla dużych wartości A. Spowodowane jest to

kulombowskim odpychaniem protonów

, które zwiększa się jak

i zmniejsza tym samym energię wiązania na jeden

nukleon. W rezultacie dla dużych wartości A odpychanie
kulombowskie staje się tak duże, że jądra są niestabilne i
ulegają spontanicznemu rozszczepieniu.

Innymi słowy: jeśli w jądrze siły odpychania elektrostatycznego

pomiędzy protonami są większe niż przyciągające siły jądrowe
pomiędzy nukleonami to jądro to ulegnie rozpadowi.



Inne źródła mówią jeszcze o

niekorzystnej dla jądra

konfiguracji

protonów i neutronów, która jest bodźcem do

rozpadu promieniotwórczego.

Zastosowanie izotopów
promieniotwórczych



Pomimo pierwotnego zagrożenia dla
organizmów żywych, jakie niesie ze
sobą promieniowanie jonizujące,
izotopy promieniotwórcze znalazły
zastosowanie w bardzo szerokim
zakresie, m.in. w medycynie,
archeologii, rolnictwie, przemyśle
zbrojeniowym, nauce i wielu innych.

MEDYCYNA



Zastosowanie izotopów promieniotwórczych w
medycynie doczekało się odrębnej nazwy i jest
traktowane jako jedna z jej wielu gałęzi – mowa
oczywiście o

medycynie nuklearnej

, która zajmuje się

diagnozą oraz leczeniem chorób przy użyciu izotopów
promieniotwórczych.

Dzieli się ona na dwa podstawowe działy:
- diagnostyczna medycyna nuklearna (związana z

wykorzystaniem substancji radioaktywnych do uzyskania
czystego i pełnego obrazu kości czy innych tkanek)

- interwencyjna medycyna nuklearna (wystawianie

nowotworu na działanie radioaktywnych substancji w
celu zniszczenia zarażonej komórki)

MEDYCYNA -
RADIOFARMACEUTYKI



W medycynie nuklearnej izotopy
promieniotwórcze łączone są z istniejącymi związkami
farmaceutycznymi tworząc

radiofarmaceutyki

. Jest to

substancja, która bierze udział w drogach metabolicznych
człowieka i jednocześnie zawiera znacznik
promieniotwórczy, dzięki czemu można precyzyjnie śledzić
jego działanie w organizmie. Odpowiednio dobierając
część aktywną biologicznie radiofarmaceutyków można
sprawić, aby badały one konkretne procesy życiowe -
docierały w badane miejsce.

Substancja chemiczna może

być zmodyfikowana tak, aby nie ulegała procesom
metabolicznym i mogła się gromadzić w tkankach.

Medycyna nuklearna wykorzystuje tę właściwość,
polegając na mechanizmach przebiegu czynności
życiowych organizmów do obrazowania rozmiarów i
postępów choroby w ciele pacjenta.

MEDYCYNA - SCYNTYGRAFIA



Metodą obrazowania zmienionych chorobowo tkanek w medycynie
nuklearnej (a tym samym diagnozy) jest

scyntygrafia

. Polega ona

na wprowadzeniu do organizmu chorego farmaceutyków
znakowanych radioizotopami, cyfrowej rejestracji ich rozpadu oraz
graficznym przedstawieniu ich rozmieszczenia.

Znakowany farmaceutyk dobierany jest tak, aby gromadził się

w narządzie, który ma zostać zbadany. Radioizotop
emituje promieniowanie gamma, które dzięki wysokiej energii
przenika z organizmu pacjenta na zewnątrz jego ciała, gdzie
zostaje rejestrowane przez gammakamerę.

Komputer połączony z gammakamerą rejestruje informację w

postaci cyfrowej i generuje obraz przedstawiający rozkład
kumulacji izotopu w organizmie. Scyntygrafia umożliwia
ocenę morfologiczną (położenie, wielkość, kształt, strukturę) i
funkcjonalną (przepływ, zdolność gromadzenia – np. w
przypadku jodu w tarczycy) narządu.

MEDYCYNA – INTERWENCYJNA
MEDYCYNA NUKLEARNA



Terapia radionuklidowa może być wykorzystana do
zwalczania takich przypadłości jak nadczynność
tarczycy, rak tarczycy, zaburzenia krwi, choroby
kostne i stawowe.



Tak jak w diagnostyce medycyny nuklearnej,
radioizotop aplikuje się pacjentowi doustnie lub
dożylnie. Dawki te są jednak większe niż w
przypadku diagnostyki. Promieniowanie jonizujące
jest emitowane na mniejsze odległości niż w
diagnostyce, aby zminimalizować szansę efektów
ubocznych czy też zniszczenia zdrowych komórek
lub organów znajdujących się w pobliżu obiektu
leczenia.

MEDYCYNA – INTERWENCYJNA
MEDYCYNA NUKLEARNA



Przykładowe zabiegi medycyny
nuklearnej:

Podawana

substancja

Przypadłość

Jod-131 (

131

nadczynność tarczycy i rak

tarczycy

Itr-90 (

Y) i Jod-131 (

131

chłoniaki

131

I-MIBG

guzy neuroendokrynne

Samar-153 (

153

Sm) lub

Stront-89 (

Sr)

paliatywne leczenie bólów

kostnych

ARCHEOLOGIA – DATOWANIE
RADIOWĘGLOWE



Promieniotwórczy izotop węgla

C stosowany jest przy

oznaczaniu wieku próbek geologicznych oraz
wykopalisk archeologicznych i paleontologicznych.
Metoda ta zwana jest

datowaniem radiowęglowym

i wykorzystuje zachodzącą w czasie zmianę ilości
izotopów promieniotwórczych lub produktów przemian
izotopowych w badanym materiale.



Pod wpływem promieniowania kosmicznego w
atmosferze Ziemi powstaje izotop węgla

C, który

może być wbudowywany w ciało organizmów tylko w
czasie ich życia. Po śmierci ilość węgla
promieniotwórczego może już tylko spadać. Na
podstawie ilości zachowanego izotopu określa się wiek
znaleziska.

ARCHEOLOGIA – DATOWANIE
RADIOWĘGLOWE



By określić kiedy nastąpiło pobranie węgla z atmosfery do
fotosyntezy i budowy danego organizmu, należy zmierzyć
proporcję izotopu węgla

C do całej zawartości węgla w

badanych pozostałościach organizmu lub materiałów
pochodzących z tego organizmu (np. drewna lub skóry).
Następnie trzeba obliczyć, jak dawno temu próbka miała
proporcje izotopów równe wówczas proporcji atmosferycznej.



Udział radiowęgla w ogóle węgla występującego w atmosferze
można wyrazić wzorem:

proporcja=ilość

/całkowita ilość



Licznik zależy od ilości wytworzonego przez promieniowanie
kosmiczne radiowęgla i nie zmienia się znacznie w badanym
okresie. Znacznie gorzej jest z mianownikiem – ilość CO

atmosferze podlega częstym wahaniom, zwłaszcza w związku z
procesami zlodowacenia. Z tego powodu na czysty wynik
pomiarów radiowęglowych konieczne jest naniesienie poprawek.

ARCHEOLOGIA – DATOWANIE
RADIOWĘGLOWE



Spadek ilości izotopu

C z czasem:

czas (lata)

względna ilość

izotopu

100%

99,88%

99,40%

200

97,61%

500

94,14%

1000

88,62%

5000

54,67%

10 000

29,89%

20 000

8,94%

50 000

0,24%

ARCHEOLOGIA – DATOWANIE METODĄ
URANOWO-TOROWĄ



Jest to metoda datowania bezwzględnego,

opiera się na rozpadzie

promieniotwórczym izotopów uranu

, optymalna dla przedziału

chronologicznego od 500 do 50 000 lat temu.

Metodę tę można stosować w datowaniu:

- skał bogatych w węglan wapnia
- nacieków jaskiniowych i raf koralowych
- zębów
- dzięki nowym technikom badawczym służy do datowania kości kopalnych
- próbuje się także datować nią torf



Rozpad promieniotwórczy polega na rozpadzie dwóch izotopów uranu na
pierwiastki pochodne:

tor (

230

Th) i protaktyn

, które w efekcie końcowym

rozpadają się w izotopy ołowiu (Pb). W przeciwieństwie do związków
uranu, związki toru i protaktynu nie rozpuszczają się w wodzie. Tak więc
uran wraz z wodą pobierany jest przez żyjące organizmy, a następnie
gromadzi się w skorupkach i rafach koralowych i od tego momentu
zaczyna się rozpad promieniotwórczy. Datowanie oblicza się mierząc
stosunek ilości toru do uranu. Czas połowicznego rozpadu toru wynosi ok.
75 tys. lat.

ROLNICTWO I OCHRONA
ŚRODOWISKA



Utrwalanie - ograniczanie strat przechowalniczych przez
zapobieganie niekorzystnym zmianom, jakie zachodzą w żywności od
chwili jej wyprodukowania lub zbioru.

Higienizacja - podniesienie bezpieczeństwa spożycia przez
unieszkodliwienie pasożytów oraz drobnoustrojów chorobotwórczych
powodujących zatrucie pokarmowe.

Zastosowanie atomów znaczonych - dokładne śledzenie dróg i
sposobów przyswajania substancji pokarmowych przez rośliny



Ponadto dzięki znacznikom promieniotwórczym można badać m.in.
kinetykę nawozów sztucznych oraz środków ochrony roślin. Pozwalają
także na monitorowanie skutków ubocznych działania takich
substancji na żywe organizmy.



Znaczniki promieniotwórcze odgrywają bardzo dużą rolę również
w ochronie środowiska. Dzięki nim można wykrywać rozmaite
przecieki szkodliwych substancji ze zbiorników i rurociągów. Można
także śledzić rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w wodach
podziemnych i naziemnych a także w atmosferze.

PRZEMYSŁ ZBROJENIOWY – BOMBA
JĄDROWA



Bomba atomowa czerpie swoją energię z

reakcji rozszczepienia

ciężkich jąder atomowych

(np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem

bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne
neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową.



Zasada działania bomby atomowej polega na wytworzeniu/przekroczeniu
w jak najkrótszym czasie masy krytycznej ładunku jądrowego.
Przekroczenie masy krytycznej zazwyczaj uzyskuje się na jeden z dwóch
sposobów: poprzez połączenie kilku porcji materiału rozszczepialnego
(tzw. metoda działa) lub zapadnięcie materiału uformowanego w powłokę
(tzw. metoda implozyjna). Połączenie to musi odbyć się szybko by reakcja
nie została przerwana już w początkowej fazie w wyniku rozproszenia
energii powstającej podczas rozszczepiania jąder, dlatego do połączenia
materiałów rozszczepialnych używa się konwencjonalnego materiału
wybuchowego. Reakcja łańcuchowa wydziela ogromną ilość energii.
Wysoka temperatura i energia produktów rozpadu powodują błyskawiczne
rozproszenie materiału rozszczepialnego i przerwanie reakcji łańcuchowej.
Jako ładunku nuklearnego przy metodzie działa używa się uranu-235, zaś
przy metodzie implozyjnej – plutonu-239.

BOMBA KOBALTOWA



Jest to

urządzenie do teleterapii

lub napromieniowywania

przedmiotów promieniami gamma (γ) o energiach 1,17 i
1,33 MeV, emitowanymi przez izotop kobaltu

Co o

aktywności rzędu 10

–10

Bq. Ze względu na dużą

przenikliwość promieniowania gamma aktywny kobalt jest
otoczony grubą osłoną z ołowiu, w której znajdują się kanały
wyprowadzające na zewnątrz wiązkę promieniowania.
Bomba kobaltowa może też być wyposażona w mechanizm
umożliwiający zdalną manipulację próbkami bez narażania
operatora na promieniowanie. Bomba kobaltowa jest
stosowana w lecznictwie do zwalczania
chorób nowotworowych, w defektoskopii, do
sterylizacji żywności oraz w chemii radiacyjnej, do badań
procesów fizykochemicznych zachodzących podczas
napromieniowywania
wysokoenergetycznymi kwantami gamma prostych i
złożonych układów chemicznych.

PRZEMYSŁ I FIZYKA



Stosowane są w wielu dziedzinach badań technicznych. Za ich
pomocą można z zewnątrz śledzić przemieszczanie się płynów w
układzie. Implementując izotopy w elementy konstrukcyjne, np.
silnika można badać stopień zużycia poszczególnych elementów
poprzez rejestrowanie zmiany aktywności tego izotopu w oleju
silnikowym. W przemyśle zastosowanie znalazły izotopowe czujniki
poziomu oraz wagi izotopowe. Badania dyfuzji oraz badania struktury
materiałów z użyciem izotopów są wykonywane rutynowo.



W oparciu o właściwości promieniotwórcze
powstała

defektoskopia

zajmująca się wykrywaniem ukrytych wad

wyrobów (do tego celu używa się głównie kobaltu

Co) oraz

szczelności urządzeń i grubości spawów (głównie
izotop kryptonu

Kr). Górnictwo wykorzystuje radionuklidy do

badania położenia i koncentracji rozległych złóż rud metali i paliw
kopalnych. Radioizotopy są stosowane w różnego rodzaju czujnikach,
detektorach substancji. Ameryk

241

Am produkowany w reaktorach

jądrowych ma zastosowanie - od będących w powszechnym użyciu
przeciwpożarowych czujników dymu po specjalistyczne

czujniki

chemiczne

wykrywające śladowe ilości metali ciężkich w wodzie.

NAUKA - CHEMIA



Izotopy promieniotwórcze stosuje się do modyfikacji cech
przedmiotów naświetlanych: np. do wywoływania zmian w
strukturze polimerów. W przemyśle chemicznym niektóre reakcje
są możliwe tylko pod wpływem promieniowania. Do
najważniejszych należą produkcja różnych żeli, folii oraz synteza
niektórych związków organicznych. Znaczniki promieniotwórcze
pozwalają śledzić etapy pośrednie zachodzących reakcji.
Radiochemia - zajmuje się metodami badań z zastosowaniem
promieniotwórczych nuklidów do znakowania różnych związków,
badaniem właściwości chemicznych i fizykochemicznych izotopów
promieniotwórczych, syntezami radiochemicznymi.

Chemia radiacyjna - zajmuje się procesami zachodzącymi w
materii pod wpływem promieniowania jonizującego i ich efektami
chemicznymi.

Chemia jądrowa - zajmuje się zagadnieniami radiochemii i chemii
radiacyjnej oraz właściwościami trwałych izotopów, tzw. efekty
izotopowe i ich zastosowanie.

NAUKA - BIOLOGIA



W biochemii stosuje się często izotopy jako znaczniki.
Wprowadza się je celowo do cząsteczek chemicznych, a
następnie tak "oznakowane" cząsteczki wprowadza się do
organizmu po czym dzięki detekcji emitowanego przez nie
promieniowania gamma śledzi się ich rozmieszczenie oraz
obecność w różnych związkach pośrednich. Umożliwia to
badanie mechanizmów reakcji chemicznych oraz
szlaków metabolicznych w organizmie. Najczęściej stosowanymi
do tych celów izotopami są: węgla

C i

N. Ta sama metoda

pozwala śledzić rolę i obieg mikroelementów w organizmach.



W badaniach środowiska naturalnego wykorzystują izotopy
promieniotwórcze poprzez dodawanie ich śladowych ilości do
emitowanych zanieczyszczeń. Dzięki temu można określić
zasięg, rozprzestrzenianie i koncentrację odpadów od danego
punktu emisyjnego. Jest możliwe także określanie kierunków
przepływu powierzchniowych prądów wodnych, pomiary wód
pochodzących z opadów deszczu i śniegu oraz prędkości i szlaki
przepływ np. podziemnych rzek i innych ciągów wodnych.
Izotopy znajdują także zastosowanie w badaniu
wpływu pestycydów i nawozów na organizmy żywe. Poddając
eksperymentalne zwierzęta napromieniowaniu można znacznie
zwiększyć ilość mutacji tym samym przyspieszając
powstawanie nowych odmian o bardziej korzystnych cechach
uprawnych i hodowlanych.

ENERGIA JĄDROWA



Jest to energia wydzielana podczas przemian jądrowych.

Uwalnianie się

energii podczas tych przemian związane jest z różnicami w energii
wiązania poszczególnych jąder atomowych.

WYJAŚNIENIE:
Jądra żelaza (

Fe) są najbardziej stabilnymi ze wszystkich jąder, co

oznacza największą energię wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon.
Jądra masywniejsze od jąder żelaza mają stopniowo coraz mniejszą
energię wiązania na nukleon. Dlatego rozszczepiając ciężkie jądro na
mniejsze fragmenty, uzyskuje się energię. Podobnie dzieje się podczas
łączenia jąder lżejszych od jądra żelaza. Różnice w energiach wiązania i,
co za tym idzie, wydzielane energie są tak duże, że następuje mierzalny
spadek masy produktów takich reakcji jądrowych (część masy zamienia
się na energię). Zmiana masy ma miejsce również podczas
endotermicznych reakcji chemicznych gwałtownego utleniania
(spalania) tradycyjnych paliw, ale jest ona w tym przypadku
nieporównanie mniejsza.

Reakcje jądrowe w przeliczeniu na

jednostkę masy - są około milion razy bardziej efektywne od reakcji
chemicznych (!)

Reakcja rozszczepienia ciężkich jąder może być kontrolowana i jest
wykorzystywana w energetyce w elektrowniach jądrowych. Najczęściej
stosowanym surowcem jest

uran-235

Document Outline