Definicja izotopów promieniotwórczych i ich wykorzystanie.
Izotopy – są to te same odmiany pierwiastka chemicznego, które różnią się od siebie liczbą masową (A). Mają one tę samą liczbę atomową (Z- liczba protonów), ale różnią się od siebie liczbą neutronów (N) w jądrze.
Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy, cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.
Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje czas połowicznego rozpadu, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka (izotopu) ulegać przemianie. Czas połowicznego rozpadu nie zależy od otoczenia chemicznego atomu izotopu.
Jedna z pierwszych dziedzin, w której znalazły zastosowanie pierwiastki promieniotwórcze jest medycyna. Okazało się, iż niektóre z radioizotopów można wykorzystać w medycynie do niszczenia komórek nowotworowych. Na początku wykorzystywany w tym celu był rad, odkryty przez Piotra i Marię Curie w Paryżu w roku 1898. W Polsce rad stosowano do niszczenia nowotworów od roku 1932. Terapia z wykorzystaniem radu polega na umieszczeniu związków tego pierwiastka (głównie soli Ra2+) w postaci tzw. igieł radowych w tkankach zaatakowanych przez nowotwór. Rad, pozostawiony na pewien czas, ulega promieniotwórczemu rozpadowi, w wyniku którego wydziela się promieniowanie niszczące komórki nowotworowe. Obecnie rad wycofywany jest z użycia i zastępowany bezpieczniejszymi izotopami otrzymanymi syntetycznie.
Naturalne radioizotopy wykorzystuje się również w geologii. W oparciu o izotopy zawarte w skałach można określić w przybliżeniu ich wiek. Wykorzystuje się tu naturalne substancje promieniotwórcze o bardzo długim okresie półtrwania. Ogólna zasada określania wieku skał polega na wykonaniu pomiaru ilości produktu przemian jądrowych zachodzących minerale w stosunku do ilości naturalnego radioizotopu zawartego w próbce. Zasadę tę wykorzystują między innymi: metoda ołowiowa, metoda helowa (tzw. zegar helowy), metoda strontowa, metoda argonowa, metoda renowo - osmowa, metoda samarowo - neodymowa.
W archeologii również stosuje się metody datowania promieniotwórczego. Podstawową z nich jest tzw. metoda (czyli radiowęglową). Wykorzystuje ona fakt, iż we wszystkich organizmach żywych obecny jest w określonej ilości promieniotwórczy izotop węgla . W momencie gdy organizm obumiera dopływ tego izotopu zostaje przerwany i zaczyna on ulegać powolnemu rozpadowi. Okres półtrwania izotopu to 5568 lat. Dokonując pomiaru zawartości tego izotopu w próbce materii organicznej, można określić, kiedy nastąpił koniec życia danego organizmu (tj, od kiedy trwa proces zmniejszania się ilości węgla ) z dokładnością do około 50 - 100 lat).
Naturalne izotopy promieniotwórcze (w szczególności tryt (3H)) mogą być również wykorzystane do określenia wieku wody, która znajduje się w zamkniętym zbiorniku. Zwykła woda zawiera w sobie pewien określony procent trytu (izotopu wodoru o liczbie masowej A=3). W momencie, gdy brak jest możliwości dopływu "świeżej" wody z otoczenia dopływ trytu również zostaje zahamowany. W konsekwencji ilość tego radioizotopu zaczyna się zmniejszać w skutek rozpadu promieniotwórczego. Ilość trytu zawartego w wodzie pozostającej w zamkniętym zbiorniku świadczy o czasie przechowywania wody w tym zbiorniku. Ze względu na niewielki czas półtrwania trytu (około 12lat) metoda ta może być stosowana do określania czasu przechowywania wody maksymalnie do około 30 lat. Ze względu na fakt, iż próby nuklearne oraz reaktory jądrowe przyczyniają się do wzrostu ilości trytu w atmosferze, metoda trytowa prawdopodobnie niedługo stanie się nieskuteczna.
Zastosowanie izotopów sztucznych.
Najważniejszą dziedziną, w której podstawowe znaczenie i bardzo szerokie zastosowanie mają izotopy promieniotwórcze otrzymane sztucznie jest medycyna nuklearna. W samej medycynie nuklearnej można wyodrębnić radiodiagnostykę, zajmującą się diagnozą różnych schorzeń z wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych, oraz radioterapię, wykorzystującą radioizotopy do celów terapeutycznych. Zarówno w radiodiagnostyce jak i w radioterapii stosuje się radionuklidy otrzymane syntetycznie w specjalnych reaktorach lub w akceleratorach. Bardzo często w metodach diagnostycznych i leczniczych wprowadza się bezpośrednio do organizmu człowieka substancję promieniotwórczą
Radiodiagnostyka
Jednym z podstawowych badań wykorzystujących izotopy promieniotwórcze (głównie technet-99 (99Tc)) jest scyntygrafia. Badanie to wykorzystuje się w diagnostyce mózgu, wątroby, nerek, tarczycy. Polega ono na wprowadzeniu do organizmu pacjenta odpowiedniego związku chemicznego znakowanego technetem (czasami też innym promieniotwórczym izotopem), i rejestrowaniu sygnałów pochodzących z emitującego promieniowanie izotopu. Przy pomocy tej metody można uzyskać obraz badanego narządu, ocenić jego czynności (np. przepływ krwi, filtracja moczu pierwotnego, przepływ żółci w przewodach wątrobowych itp.)
Do badań serca oraz dużych naczyń krwionośnych wykorzystuje się głównie Potas-42 i 43 (42K, 43K) oraz cez-129 (129Cs). Wykorzystywany jest tu fakt, iż ilość pierwiastka promieniotwórczego gromadzona w mięśniu sercowym jest proporcjonalna do ilości przepływającej krwi. Przy pomocy promieniotwórczych izotopów potasu można również diagnozować między innymi przepływ krwi przez mięśnie lub nowotwory mózgu.
Nowotwory układu szkieletowego, jak i dokładne miejsca złamania kości mogą zostać uwidocznione z wykorzystaniem izotopu wapnia-47 (47Ca).
Chrom-51 (51Cr), fosfor-32 (32P) i żelazo-59 (39Fe) wykorzystywane są przy badaniach krwi. Radioizotop wstrzykuje się dożylnie, jest on rozprowadzany wraz z krwią po całym ciele a po kilku minutach bada się jego rozkład w organizmie. Żelazo-52 (52Fe) wykorzystywane jest do badań hematologicznych (między innymi do badań szpiku kostnego).
Izotopy jodu (125I, 131I, 132I) wykorzystywane są często do diagnostyki tarczycy. Wykorzystuje się tu fakt, iż to właśnie tarczyca produkuje duże ilości hormonów zawierających jod. Niektóre izotopy jodu wykorzystuje się również w badaniach czynnościowych nerek i układu moczowego.
Spośród izotopów mających szczególne znaczenie w radiodiagnostyce należy wymienić jeszcze Ind-111 (111In), który znalazł zastosowanie w badaniach układu krążenia, płuc, płynu mózgowo - rdzeniowego, oraz układu limfatycznego, a także fluor-18 () używany do badań scyntygraficznych szkieletu oraz w celu lokalizacji nowotworów układu szkieletowego.
Radioterapia
Dużą część izotopów promieniotwórczych stosuje się w leczeniu (głównie nowotworów). Dla przykładu jod-131 (131I) stosowany jest często przy leczeniu schorzeń tarczycy. W przypadku nadczynności tego gruczołu (produkowaniu hormonów w zbyt dużej ilości) podaje się choremu izotop 131I w ściśle określonej dawce. Jod wówczas wbudowuje się w tkanki tarczycy i niszczy część gruczołu, przywracając tym samym prawidłową produkcję hormonów. Analogiczne postępowanie wykorzystuje się przy leczeniu nowotworów tarczycy. Zmienione chorobowo tkanki pochłaniają jod znacznie intensywniej, co powoduje, iż są one niszczone znacznie bardziej intensywnie i szybciej, niż tkanki zdrowe.
Izotop kobaltu-60 (60Co) wykorzystywany jest do naświetlania komórek nowotworowych. Duża wrażliwość komórek nowotworowych na promieniowanie jonizujące sprawia, iż metoda ta jest bardzo skuteczna. Urządzenia wykorzystywane do tego typu terapii nazywają się bombami kobaltowymi. Sam proces polega na naświetlaniu chorej tkanki wiązką promieni, która pochodzi ze źródła umieszczonego w pewnej odległości od naświetlanej, chorej tkanki. W tego typu terapii stosowany jest również izotop cezu-137 (137Cs).
Zastosowanie izotopów w technice i przemyśle.
Bardzo duża ilość izotopów promieniotwórczych znalazło zastosowanie w przemyśle i w technice. Są one wykorzystywane między innymi w urządzeniach służących do pomiaru grubości warstwy papieru, folii aluminiowej, blachy itp., (tal-204 (204Tl) i stront-90 (90Sr). Radioizotopy wykorzystywane są również w defektoskopach służących do wykrywania wad materiałowych głównie w wyrobach metalowych. W badaniach tego typu wykorzystuje się między innymi cez-137 (137Cs), kobalt-60 (60Co) i iryd-192 (192Ir).
Napromieniowanie żywności stosowane jest w celach dezynfekcyjnych, przedłużających jej trwałość. Na podstawie przeprowadzonych badań okazało się, że żywność utrwalana radiacyjnie nie jest toksyczna ani też radioaktywna, jednak podobnie jak inne procesy konserwujące radiacja powoduje pewne zmiany chemiczne w konserwowanej żywności. Pod wpływem promieniowania tworzą się miedzy innymi wolne rodniki i zmniejsza się o 20–60% zawartość witamin A, B1, C i E. Radionuklidy zabezpieczają świeże zbiory przed kiełkowaniem, a także umożliwiają kontrolę procesu dojrzewania przechowywanych warzyw i owoców.
Nie można oczywiście zapominać o tym, iż izotopy promieniotwórcze znajdują bardzo szerokie zastosowanie w reaktorach jądrowych Energia jądrowa odgrywa ogromną funkcje w bilansie energetycznym świata. Pod koniec 1992 r. działały 424 bloki jądrowe , produkujące 17% całej światowej energii elektrycznej. Uran w naturalnej formie posiada 99,3% U-238 i 0,7% U-235. W elektrowniach atomowych stosuje się uran wzbogacony - w przybliżeniu 20% U-235 i 80% U-238. W czasie rozszczepiania uranu wyzwala się tyle energii, ile wyzwala się podczas spalenia 2800 t węgla kamiennego.
Broń jądrowa:
Broń masowego rażenia, gdzie stosuje się reakcję rozszczepienia jąder albo reakcję jądrową do uwalniania w bardzo krótkim czasie ogromnych zasobów energii (wybuch jądrowy).