Sposoby wykorzystania izotopów promieniotwórczych

Reaktory jądrowe są w stanie wytworzyć duże ilości izotopów radioaktywnych. Izotopy to jądra atomowe pierwiastka, które różnią się tylko masą atomową. Występują zarówno trwałe izotopy jak i radioaktywne (radioizotopy). Część z nich możemy spotkać w środowisku naturalnym. Przeważająca część jednak jest otrzymywana sztucznie w reakcjach jądrowych. Izotopy radioaktywne są na szeroką skalę stosowane. Są wykorzystywane w: medycynie, technice, biologii, chemii oraz fizyce. Dzięki nim możliwa jest walka z nowotworami. Znalazły także zastosowanie w wykrywaniu wadliwych materiałów, pomiarach grubości, archeologii (datowanie izotopowe), metodzie wskaźników izotopowych.

W tabelce przedstawiono wykorzystanie izotopów promieniotwórczych.

Izotop promieniotwórczy	Czas połowicznego rozpadu	Rodzaj promieniowania	Zastosowanie
3H	12,3 lat	beta	Błyszczące farby
238Pu	87,7 lat	alfa	Stymulatory mięśnia sercowego,
204 Tl	3,8 lat	beta	Aparatura pomiaru grubości
241Am	432 lata	alfa	Czujniki przeciwpożarowe
226Ra	1600 lat	gamma	Aplikatury radowe
60Co	5, 3 lat	gamma	Radiografia, sprzęt radiacyjny, bomba kobaltowa, aparatura pomiarowa (grubość, poziom cieczy, waga)
239Pu	24000	alfa	Czujniki przeciwpożarowe
131I	8 dni	gamma	Badanie tarczycy
182Ir	73,8 lat	gamma	Radiografia
Cs137	30 lat	gamma	Radiografia, pomiary grubości, bomba cezowa

Zdecydowana większość pierwiastków występuje w dwóch lub większej ilości izotopów. Występują trzy rodzaje atomów wodoru, pięć rodzajów atomów węgla oraz szesnaście rodzajów atomów ołowiu. Nazwa izotop pochodzi od słów: isos = równy oraz topos = miejsce. Izotopy zajmują takie samo miejsce w Tablicy Mendelejewa .

Izotopy tego samego pierwiastka charakteryzują się takimi samymi właściwościami chemicznymi. Jesteśmy w stanie rozróżnić przy pomocy właściwości fizycznych. Pewna część izotopów charakteryzuje się promieniotwórczością, dlatego przy pomocy ich intensywności jesteśmy w stanie je odkryć i scharakteryzować ilościowo. Innym sposobem jest porównanie masy atomowej. Izotopy mogą się różnic liczbą neutronów w jądrze. W przypadku azotu możemy mieć do czynienia z ¹⁵N (azot ciężki) oraz zwykły azot- ¹⁴N. W przypadku wodoru mamy do czynienia z ²H (deuter, wodór ciężki) oraz ze zwykłym wodorem-¹H. Różnice te możemy wykryć stosując spektrometr masowy.

W medycynie, biologii, farmaceutyce stosowane są w celach badawczych znakowane izotopami substancje. W miejsce węgla ¹²C wprowadzany jest węgiel promieniotwórczy ¹¹C, ewentualnie ¹⁴C lub węgiel ciężki ¹³C. W taki sposób oznaczona substancja jest wstrzykiwana poddawanej badaniu roślinie lub zwierzęciu. Jesteśmy w stanie wyhodować w tym celu odpowiednie komórki. Dzięki temu jesteśmy w stanie dokładnie monitorować krok po kroku kolejne procesy, którym ulega oznakowana substancja.

Promieniotwórczy izotop wapnia ⁴⁵Ca jest w stanie określić szybkość kształtowania się substancji kostnej i wpływ witaminy D na ten proces oraz hormony wydzielane z gruczołów przytarczycznych. Dzięki zastosowaniu tej metody jesteśmy w stanie rozwikłać wiele tajemnic, które kryje biologia.

Bomba kobaltowa

Bomba kobaltowa to urządzenie stosowane podczas napromieniowywania przedmiotów, organizmów żywych promieniowaniem emitowanym przez izotop 60Co o aktywności wynoszącej 1013-1014 Bq. Biorąc pod uwagę znaczna przenikliwość tego promieniowania, aktywny kobalt musi być otoczony warstwą ołowiu, w której występują kanały wyprowadzające wiązkę promieniowania. Bomba kobaltowa czasami jest wyposażona w specjalny mechanizm umożliwiający manipulację badanymi próbkami bez narażania nikogo na promieniowanie. Bomba kobaltowa może być wykorzystywana w lecznictwie w zwalczaniu chorób nowotworowych, w sterylizacji żywności, w defektoskopii oraz w metodach radiacyjnych, czyli w badaniach procesów fizykochemicznych, które zachodzą w czasie napromieniowywania prostych oraz złożonych różnorodnych układów chemicznych.

Broń jądrowa

Rozpad jąder pierwiastków radioaktywnych jest wykorzystywany do produkcji broni masowego rażenia. Podczas wybuchu uwalniana bardzo duża ilość energii. W czasie II wojny światowej nas Nagasaki oraz Hiroszimę została zrzucona bomba atomowa. Wiele osób poniosło śmierć, wiele miało objawy choroby popromiennej. Procesy produkcyjne nad bombami atomowymi oraz otrzymywanie izotopów muszą być kontrolowane przez organizacje międzynarodowe.

Możemy wyróżnić następujące typy broni jądrowej:

A) Bomba atomowa (jądrowa), która złożona jest z urządzenia detonującego, materiału wybuchowego, czyli trotylu oraz materiału rozszczepialnego, może to być uran 235U oraz pluton 239Pu), który jest podzielony na 2 części, każda część ma masę mniejszą niż wynosi masa krytyczna. Wybuch tego rodzaju bomby następuje w wyniku odpalenia ładunku prochowego oraz szybkim skupieniu części wchodzących w skład materiału rozszczepialnego. Zainicjowana jest wówczas niekontrolowana reakcja rozszczepienia, która trwa aż materiał rozszczepialny ulegnie rozproszeniu. Całkowita moc bomby jądrowej może wynieść nawet około kilkaset kt TNT.

B) Bomba termojądrowa to bomba wodorowa, która zbudowana jest z czynnej substancji (mieszanina deuteru oraz trytu, ewentualnie deuterku litu). Substancja ta jest połączona z bombą jądrową oraz pełni funkcje zapalnika. W momencie wybuchu bomby jądrowej temperatura ma wartość około 107 K. Taka temperatura jest niezbędna do rozpoczęcia niekontrolowanej termojądrowe reakcji. Całkowita moc bomby termojądrowej wynosi 100 milionów ton TNT.

C) Bomba kobaltowa to bomba termojądrowa lub jądrowa, która umieszczona jest w płaszczu zbudowanego z metalicznego Co. Podczas wybuchu tego rodzaju bomby powstaje izotop 60Co, który jest w stanie emitować promieniowanie gamma. Powoduje to znaczne skażenie promieniotwórcze terenu. Na szczęście tego rodzaju bomba nie została jeszcze wypróbowana.

D) Bomba neutronowa, czyli bomba termojądrowa. Podstawowa i najważniejszą część energii wybuchu unoszona jest przez strumień szybkich neutronów. Wykorzystywana jest przede wszystkim w likwidowaniu organizmów żywych.

Metody radiacyjne są wykorzystywane w przemyśle (analiza jądrowa składu substancji). Stosując te technikę jesteśmy w stanie określić zanieczyszczenie ilościowe metalami ciężkimi w odpadach oraz azotu w nawozach sztucznych. Możliwa jest analiza jakościowa w tym samym czasie kilku pierwiastków. Metody analizy radiograficznej polegają na zbadaniu wewnętrznych struktur materiałów przy pomocy promieniowania rentgenowskiego oraz gamma. W powstałych odlewach powstają dosyć często niechciane pęcherze, luki oraz pęknięcia, które pochłaniają promieniowanie jonizujące inaczej niż pierwotny materiał. W konsekwencji na radiogramie jesteśmy w stanie zobaczyć szczegóły badanego materiału. W fabrykach stosowane są często prześwietlania aparatami rentgenowskimi. Jest to tzw. defektoskopia rentgenowska. Stosowana jest także metoda izotopowej defektoskopii, która polega na wykorzystaniu Ir, Tm Co, Cs jako dobre źródło promieniowania gamma. Jest to tzw. defektoskopia gamma, która jest na szeroką skalę stosowana w przemyśle: metalurgicznym, maszynowym, stoczniowym oraz w lotnictwie i branży chemicznej.

Wykorzystanie izotopów w technice i nauce

Obok 300 stabilnych izotopów znanych jest około 1000 izotopów radioaktywnych (radioizotopów), charakteryzujących się różnym czasem oraz rodzajem połowicznego rozpadu. Część z nich możemy spotkać w środowisku naturalnym. Przeważająca część jednak jest otrzymywana sztucznie w reakcjach jądrowych. Izotopy radioaktywne są na szeroką skalę stosowane.

Radioizotopy są wykorzystywane do śledzenia różnych procesów. Za przykład może posłużyć radiofosfor 15P, który emituje promieniowanie beta. Czas połowicznego rozpadu tego radioizotopu wynosi 14 dni. Radiofosfor, który jest izotopem fosforu wykazuje chemiczne właściwości jak fosfor, dlatego też może tworzyć identyczne związki chemiczne, jak zwykły fosfor. Radioizotop ten jest promieniotwórczy, a jego promieniowanie jest łatwe do wykrycia. Za pomocą specjalnego urządzenia (licznika Geigera - Mullera) jesteśmy w stanie śledzić wędrówkę fosforu w wewnątrz organizmu.

Radioizotop 16S, który emituje promieniowanie beta może badać ścieralność opon, które są używane w samochodach. W czasie wyrabiania opon dodawana jest pewna ilość radiosiarki, aby później można było zmierzyć promieniotwórczość śladu opon na drogach (podczas hamowania).

Radiografia, która polega na badaniu wewnętrznych struktur przedmiotów oraz materiałów. Metoda ta wykorzystuje prześwietlenia promieniowaniem jonizującym. Powstały obraz jest nazywany radiogramem.

Aby uzyskać izotop promieniotwórczy określony atom umieszczany jest w reaktorze atomowym, między dwoma izotopami promieniotwórczymi (np. uranu). Następnie należy kontrolować strumień promieniotwórczy przepływający przez badany atom za pomocą odpowiedniej aparatury. Radiochemia zajmuje się wyodrębnieniem, rozdzieleniem oraz badaniem chemicznym pierwiastków promieniotwórczych. Ze względu na łatwość wykrywania izotopów promieniotwórczych.

Branża metalurgiczna oraz chemiczna wykorzystuje promieniotwórczość w grubościomierzach, gęstościomierzach, miernikach odczytujących poziom materiałów sypkich oraz ciekłych.

Promieniotwórczość jest wykorzystywana w chemii w doświadczeniach mających na celu ustalenie mechanizmu reakcji chemicznych. Oznakowane atomy są monitorowane od stanu substratu do stanu produktu (reakcja H₂O₂, estryfikacji). W przypadku estryfikacji alkohol znaczony jest izotopem 18O. Jesteśmy w stanie przewidzieć mechanizm zachodzących reakcji:

* *

1. RCOOH + HOCH3→RCOOCH3 ? H2O

* *

2. RCOOH + HOCH3→RCOOCH3 + H2O

Prawidłowy jest mechanizm pierwszy.

Zastosowanie izotopów promieniotwórczych w lecznictwie

Obok szkodliwych skutków, jakie wywołuje, przy odpowiednim dawkowaniu, promieniowanie jonizujące może być wykorzystywane do różnych celów. Promieniowanie ma bardzo duże zastosowanie w medycynie, przy m.in. prześwietleniach rentgenowskich

Jak przebiega, i na czym polega prześwietlenie rentgenowskie? Otóż strumień promieniowania X ulega osłabieniu podczas przenikania przez określony narząd, gdyż promieniowanie to zostaje pochłaniane przez tkanki. Ilość promieniowania pochłonięta przez tkanki jest uzależniona od ich gęstości. Następnie osłabiony strumień promieni X pada na kawałek kliszy fotograficznej powodując jej zaczernienie, które jest proporcjonalne do osłabienia promieni rentgenowskich. W taki właśnie sposób otrzymujemy zdjęcie rentgenowskie badanej części ciała.

Tomografia komputerowa, ostatnio bardzo popularna, wywodzi się z technologii rentgenowskiej. Polega ona na tym, że wykonywane SA zdjęcia badanej części ciała pod różnymi kątami i płaszczyznami. Wszystko jest zrobione komputerowo. Wynikiem tych działań jest warstwowy obraz, który jest w stanie zobrazować niewielkie, początkowe zmiany chorobowe.

Dzięki wprowadzeniu w miejsce węgla ¹²C węgla promieniotwórczego ¹¹C, ewentualnie ¹⁴C wyjaśnieniami metaboliczną aktywność komórki. W taki sposób oznaczona substancja jest wstrzykiwana poddawanej badaniu roślinie lub zwierzęciu. Jesteśmy w stanie wyhodować w tym celu odpowiednie komórki. Dzięki temu jesteśmy w stanie dokładnie monitorować krok po kroku kolejne procesy, którym ulega oznakowana substancja.

Dużą popularność zyskuje od niedawna medycyna nuklearna, która wykorzystuje radioaktywne izotopy, wprowadzane do organizmu ludzkiego. Pozwalają one śledzić procesy zachodzące w środku, wykrywać schorzenia oraz znajdować odpowiednie metody leczenia.

Promieniowanie jest wykorzystywane w medycynie także w radioterapii. Szczególne zastosowanie ma w przypadku raka skóry (czerniaka).

Literatura:

1. Lech Pajdowski, "Chemia ogólna"1985 rok.