Izotop, z greckiego isos - równy oraz topos-miejsce, zwany inaczej nuklidem jest odmianą tego samego atomu pierwiastka różniącym się od pozostałych liczbą neutronów, ale mający taką samą liczbę protonów. A więc poszczególne izotopy danego pierwiastka różnią się liczbą masową, z czego wynikają różnice we właściwościach fizycznych takich jak gęstość, temperatura wrzenia czy topnienia. Ich właściwości chemiczne są podobne do siebie ze względu na to, że posiadają taką samą ilość elektronów (równa ilości protonów) a więc mają taką samą strukturę powłok elektronowych a więc znajdują się w tym samym miejscu w układzie okresowym.

Przykładem jest wodór mający trzy izotopy:

  • prot (najwięcej jest go w przyrodzie) - posiada jądro złożone z jednego protonu
  • deuter (jest około setnych części procenta) - posiadający jądro zbudowane z jednego protonu i jednego neutronu;
  • tryt (w przyrodzie występuje znacznie rzadziej niż deuter) - jego jądro składa się z jednego protonu i dwóch neutronów;

Wśród izotopów wyróżniamy:

  • Izotopy trwałe (stabilne) - jest ich około 272 wszystkich pierwiastków, jądra ich nie samorzutnemu rozpadowi na inne atomy;
  • Izotopy promieniotwórcze (radioizotopy) w przybliżeniu jest to 2000, jądra ulegają rozpadom samorzutnym

Liczba neutronów w poszczególnych izotopach nie powinna się zbytnio różnić od liczby protonów. Jeśli jest zachowana odpowiednia proporcja między nimi to jądro będzie stabilizowane przez silne oddziaływania jądrowe a więc ani jedna cząstka nie będzie w stanie się oderwać. Jeśli jednak ta proporcja będzie zbyt duża, jądro atomowe będzie usiłowało usunąć zbędne cząstki z jednoczesnym wypromieniowaniem energii. A więc tylko izotopy mające za dużo neutronów w jądrze w porównaniu z liczbą protonów są pierwiastkami promieniotwórczymi.

Odkrycie izotopów ma zarówno pozytywne jak i negatywne skutki.

Zastosowanie izotopów

Izotopy znalazły zastosowanie w wielu różnych gałęzi życia. Na przykład:

  1. czujniki dymu - w ich budowie znajdują się promieniotwórcze izotopy 238Pu albo 241Am; emitują one wiązkę promieni, która pod wpływem dymu zostaje zaburzona, co wywołuje włączenie systemu przeciwpożarowego; promieniotwórczość radioizotopów trwa wiele lat, co jest dobrym zabezpieczeniem przez długie lata;
  2. poprzez promieniowanie gamma, czy też strumień elektronów można utrwalić żywność radiacyjnie, w wyniku, czego pożywienie jest napromieniowane, ale nie jest to toksyczne dla zdrowia ani groźne dla życia człowieka; taki pokarm nie traci walorów odżywczych a więc ma dłuższy okres ważności;
  1. od początku odkrycia izotopów stosowano je w medycynie; używa się ich w onkologii, neurologii czy też endokrynologii; pokazując każde patologiczne zmiany w organach. W kardiologii ułatwiają wykrycie zakrzepów albo stan niedokrwienia serca czy też określenie objętości krążącej krwi; jest to metoda dokładna i powtarzalna, dzięki czemu można sprawdzić wyniki operacji.; izotopy głównie potasu 41K i technetu 99Tc oraz gaz szlachetny ksenon 133 Xe; są wstrzykiwane do organizmu a następnie poprzez detektory promieniowania można obserwować ich przebieg i ewentualne patologiczne zmiany. Część radioizotopów mające zdolność do przechodzenia do zakończeń nerwowych mogą powodować uśmierzenie bólu, np. w przypadku przerzutów nowotworu do kości;

Tzw. izotopy cyklotronowe, które mogą się rozpadać po bardzo krótkim czasie, znalazły zastosowanie w medycynie nuklearnej;

  1. W geologii wykorzystuje się tzw. połowiczny czas rozpadu poszczególnych izotopów (charakterystyczny dal danego pierwiastka czas rozpadu połowy jąder) do datowania a więc określenia m. in. wieku skał, minerałów, poszczególnych warstw skorupy ziemskiej; metoda ta oparta jest na tym ze część jąder pierwiastków rozpada się długo a część bardzo szybko (kilka minut - kilka tysięcy lat);

Najczęściej wykorzystuje się izotop węgla 14 charakteryzujący się bardzo długim okresem rozpadu do określenia materiałów pochodzenia organicznego.; gdy po śmierci stworzenia zostaje przerwany przepływ węgla z otoczenia a więc w organizmie pula węgla promieniotwórczego zmniejsza się a więc jego aktywność maleje, co można zarejestrować; znając pierwotną zawartość izotopu i jego połowiczny czas trwania t1/2 można określić wiek badanej próbki; jest to tzw. metoda radiowęgla i wykorzystywana także do badań archeologicznych;

  1. w analizach budowy planet i meteorytów dużą rolę odgrywają radioizotopy, Dzięki zawartości i ich czasowi rozpadu połowicznego, można uzyskać ważne informacje o powstawaniu skorupy ziemskiej i innych planet. Np. jądro hefnu 182 rozpada się w jądro wolframu 182, ale jego okres połowicznego rozpadu wynosi około 9 milionów lat. Podczas porównania stężeń tych izotopów ze stężeniem ich w meteorycie - najprawdopodobniej jego skład jest zbliżony do składu macierzystej mgławicy Układu Słonecznego, stwierdzono, iż jądro ziemi powstało 29 mln lat po zaistnieniu słońca a więc dwa razy szybciej niż przypuszczano wcześniej.
PROMIENIOWANIE IZOTOPÓW

Historia promieniowania

Ojcem promieniotwórczości uznaje się Francuza Henri Becquerel w 1989 roku. Za to odkrycie dostał nagrodę Nobla w 1903 roku, wraz z jego współpracownicą Marią Curii-Skłodowską i jej mężem Piotrem. W tym czasie inni uczeni zajmowali się zjawiskiem wysyłania promieni przez różne związki. I tak Thomson i Rutheford badali wywołane przez naświetlanie promieniami zjawisko tzw. jonizacji gazów. Podczas doświadczenia uczony Rutheford stwierdził istnienie dwóch typów promieniowania:

  • alfa - które nie przechodzi nawet przez kartkę papieru
  • beta - które może przechodzić przez dość grube blachy metalowe, np. aluminium o grubości 25 milimetrów.

W niedługim czasie odkryto trzeci rodzaj promieniowania, tzw. promieniowanie gamma, który ma o wiele większe zdolności do przenikania materii od beta, przechodzi nawet przez warstwy ołowiu o grubości nawet kilku centymetrów.

Charakterystyka promieniowania

Promieniowanie alfa, absorbowane prze kartkę papieru, jest strumieniem trwałych cząstek, o składzie takim samym jak ma jądro pierwiastka helu, a więc posiada dwa neutrony oraz dwa protony;

Promieniowanie beta jest to pewna przemiana jądrowa i w zależności, jaka to jest przemiana możemy wyróżnić:

 promieniowanie β- (beta minus), charakteryzuje się tym, iż do otoczenia są emitowane elektrony pochodzące z przeobrażenia neutronu w proton; odchylamy w polu magnetycznym i elektrycznym

 promieniowanie β+ (beta plus), podczas przemiany protonu w neutron dochodzi do emisji tzw. pozytonu - antyelektronu; promieniowanie to jest cechą charakterystyczną dla sztucznych pierwiastkach promieniotwórczych, powstałych w wyniku reakcji jądrowych;

Promieniowanie gamma w przeciwieństwie do wymienionych już typów promieniowania, nie zależy ono od przeobrażenia się jąder (transmutacja) w nowe; promieniowanie γ powstaje poprzez emisję promieniowania elektromagnetycznego, podobnego do promieniowania rentgenowskiego (X) czy też światła widzialnego, ale charakteryzującego się znacznie większą energią; może ono występować oddzielnie, ale także równocześnie z emisją promieniowania alfa i beta;

Pierwiastki promieniotwórcze mają zdolność do wysyłania w różnych proporcjach wszystkich trzech typów promieniowania.

Zastosowanie w znaczeniu pozytywnym i negatywnym

Najsłynniejszym zastosowaniem promieniotwórczości niosącym zarówno skutki pozytywne jak i negatywne jest elektrownia jądrowa. W takiej elektrowni zwanej inaczej atomową, przetwarza się na energię elektryczną właśnie promieniowanie izotopów niosące ze sobą energię jądrową, poprzez zintegrowanie reaktora jądrowego z typową elektrownią cieplną. Elektrownie jądrowe, dobrze zbudowane, produkują czystą i tanią energię, nie korzystając z zasobów naturalnych złóż kopalnianych paliw, typu węgiel kamienny, brunatny oraz ropy naftowej. I tak np. 1 gram izotopu uranu 235 daje tyle samo energii, co 2,7 tony węgla kamiennego Do środowiska są emitowane niewielkie ilości radioizotopów, jest to bardzo duży plus biorąc pod uwagę, że elektrownie węglowe wydalają do atmosfery rzędu kilku milionów ton tlenków azotu, tlenków siarki, a także pierwiastków ciężkich (arsen, kadm, ołów). Przed szerokim zastosowaniem elektrownii atomowych powstrzymuje problem magazynowania odpadami oraz strach przed ogromnym skażeniem środowiska radioaktywnymi opadami, które może powstać w wyniku awarii takiej elektrowni. Najsłynniejszą taka awarią była w Czarnobylu w 1986 roku. Była ona spowodowana błędną decyzją człowieka i przyczyniła się do powstania olbrzymiej chmury radioaktywnej unoszonej przez wiatr.

Innym przykładem zastosowania izotopów radioaktywnych, niestety złym, jest broń masowej zagłady. Zrobiona w głównej mierze z trotylu została użyta po raz pierwszą podczas II wojny światowej, gdy zrzucono ją na Hiroszimę a następnie na Nagasaki. Podczas wybuchu powstaje promieniowanie mające temp. 1000000 ºC rozchodzące się z prędkością 300 tys. km/s a więc uzyskując prędkość świata. Promieniowanie to niszczy wszystko, co spotyka na drodze.

Podsumowując

Odkrycie izotopów oraz promieniotwórczości niesie za sobą wiele pozytywnych skutków ale także negatywnych. Dzięki im

 można poznawać dzieje prehistoryczne i starożytne,

 można uśmierzać ból;

 niszczyć i zabijać wszelkie stworzenia;

 można poznawać mechanizmy działania różnych leków i ich metabolizm w organizmie,

 i najważniejsze zaczęto wytwarzać czystą i tanią energię, oczywiście pod warunkiem zachowania wszelkich środka ostrożności;

Jesteśmy otoczeni przez izotopy w naszym codziennym życiu i pełnią ważną rolę w życiu codziennym nawet pospolitego człowieka.