Zjawisko izotopii jest to występowanie danego pierwiastka chemicznego w odmianach o jednakowej liczbie atomowej (jednakowej liczbie protonów w jądrze), ale różniących się liczbą masową - liczbą neutronów w jądrze. Izotopy są to atomy zawierające jądra izotopowe, na przykład występujący w dwóch odmianach izotopowych chlor:  oraz . Masa atomowa pierwiastka izotopowego jest średnią wagową mas jego izotopów, zależną od częstości występowania danej odmiany.

Spośród izotopów naturalnych większość jest trwała, tzn. ich okres półrozpadu jest dłuższy niż 1 mln lat. Jednak oprócz 272 stabilnych izotopów, znanych jest do tej pory ponad 2000 izotopów promieniotwórczych wszystkich pierwiastków. Izotopy promieniotwórcze ulegają połowicznemu rozpadowi w wyniku samorzutnych przemian jądrowych. Okresy półrozpadu izotopów oraz rodzaje przemian dla poszczególnych izotopów mogą się bardzo różnić. Przykładem pierwiastka mającego izotopy promieniotwórcze może być chlor, który ma 9 znanych izotopów. Jedynie dwa z nich (35Cl i 37Cl) są trwałe, wszystkie pozostałe ulegają rozpadowi promieniotwórczemu. Istnieją również izotopy sztuczne otrzymywane w reakcjach jądrowych. Większość z tych izotopów jest promieniotwórcza.

Promieniotwórczość naturalna jest w przyrodzie powszechnym zjawiskiem. Istnieje wiele izotopów naturalnych, ulegających samorzutnym przemianom jądrowym prowadzącym do ich rozpadu. Przykładami naturalnych radioizotopów są:

  • radiowodór 3H, inaczej zwany tryt (T) - jest to promieniotwórczy izotop wodoru, emitujący w wyniku rozpadu słabe promieniowanie. Jego okres półtrwania wynosi 12,4 lat. Tryt powstaje podczas oddziaływania promieniowania kosmicznego z azotem atmosferycznym. Rzadko występuje w przyrodzie, w ostatnich latach jego ilość w atmosferze wzrosła w wyniku wybuchów termojądrowych;
  • radiowęgiel 14C
  • potas 40K
  • rubid 87Rb
  • ind 115In
  • lantan 138La
  • neodym 150Nd
  • samar 152Sm
  • lutet 176Lu
  • ren 187Re
  • platyna 190Pt
  • polon 210Po
  • astat 215At, 216At, 218At
  • radon 222Rn
  • frans 223Fr
  • rad 226Ra
  • aktyn 227Ac
  • tor 232Th
  • protaktyn 231Pa, okres półtrwania 34000 lat
  • uran 235U, 238U

Istnieje również wiele sztucznych izotopów promieniotwórczych, powstałych w reakcjach jądrowych. Najważniejsze z nich to:

  • wodór 3H
  • węgiel 14C
  • sód 24Na
  • krzem 31Si
  • fosfor 32P
  • siarka 35S
  • potas 42K
  • wapń 45Ca
  • żelazo 59Fe
  • kobalt 60Co
  • miedź 64Cu
  • gal 72Ga
  • arsen 76As
  • krypton 85Kr
  • stront 90Sr, powstający podczas rozszczepienia jąder uranu i plutonu , okres półtrwania 28 lat
  • niob 94Nb
  • srebro 110Ag
  • ind 116In
  • antymon 124Sb
  • jod 131I
  • ksenon 133Xe
  • cez 137Cs, powstający podczas rozszczepienia uranu i plutonu
  • iryd 192Ir
  • platyna 197Pt
  • złoto 198Au
  • tal 204Tl
  • polon 210Po
  • pluton 238Pu

Izotopy promieniotwórcze mogą mieć różne pochodzenie. Z tego względu dzielimy je na:

  1. pierwotne izotopy promieniotwórcze, o czasach półrozpadu powyżej 0,5 mld lat. Izotopy te powstały wraz ze stabilną materią, z której utworzyła się Ziemia. Izotopy te nie zdążyły jeszcze całkowicie się rozpaść. Najbardziej rozpowszechnione i znaczące z nich to 40K (okres półtrwania 1,28 mld lat), 238U (okres półtrwania 4,5 mld lat), 232Th (okres półrozpadu 14 mld lat). Inne, nieco mniej rozpowszechnione, to 235U (okres półtrwania 0,71 mld lat), 87Rb (okres półtrwania 48 mld lat) a także a - promieniotwórcze pierwiastki z grupy lantanowców, np. 147Sm (okres półrozpadu 105 mld lat);
  2. wtórne izotopy promieniotwórcze, pochodzące z rozpadów niektórych izotopów pierwotnych. Do tej grupy należy ponad 30 izotopów, najważniejsze z nich to 226Ra, 228Ra, 222Rn, 220Rn, 210Po, 210Pb;
  3. kosmogenne izotopy promieniotwórcze, to radioizotopy lekkich pierwiastków, powstające w górnych warstwach atmosfery w wyniku reakcji jądrowych zapoczątkowanych przez protony pochodzące z promieniowania kosmicznego. Do tej grupy należy około 10 izotopów, z których najważniejsze to 14C (okres półtrwania 5,7 tys. lat), 7Be (okres półtrwania 54 dni), 10Be (okres półrozpadu 1,7 mln lat), 3H (okres półtrwania 12 lat) oraz inne mniej rozpowszechnione, np. niektóre izotopy siarki, chloru, fosforu i glinu.

Jak już powiedziano, zjawisko promieniotwórczości jest wynikiem samorzutnych przemian jądrowych. W wyniku przemian zostaje wyemitowane promieniowanie i powstaje inne jądro atomowe. Najważniejsze mechanizmy promieniotwórczości to rozpad a, rozpad b, wychwycenie elektronu oraz spontaniczne rozszczepienie. Promieniotwórczość jest zjawiskiem występującym w naturze, istnieje ponad 60 znanych naturalnych izotopów promieniotwórczych. Może jednak być także sztuczna - występować u izotopów nie obserwowanych w środowisku naturalnym. Sztuczna promieniotwórczość jest wynikiem działalności człowieka, powstaje poprzez aktywację stabilnych izotopów naturalnych.

Dużym źródłem izotopów promieniotwórczych są odpady promieniotwórcze - substancje powstające podczas wydobywania i oczyszczania rud uranowych, podczas wytwarzania i przeróbki ładunków jądrowych i paliwa jądrowego, podczas produkcji preparatów zawierających izotopy promieniotwórcze (np. do zastosowań medycznych) itp. Zależnie od stanu skupienia i formy chemicznej oraz ich aktywności i radiotoksyczności, odpady promieniotwórcze dzielimy na:

  1. wysokoaktywne - przechowywane w miejscu powstania przez wiele lat aż do czasu, gdy większość izotopów promieniotwórczych ulegnie rozpadowi. Odpady te są przechowywane w pojemnikach zanurzonych w głębokich basenach z wodą, która absorbuje energię termiczną powstającą podczas rozpadów. Pozostały odpad, zawierający długożyciowe izotopy, przetwarza się w celu zmniejszenia jego objętości;
  2. niskoaktywne - odpady te są mieszane z substancją nieaktywną w celu rozcieńczenia. Rozcieńczone odpady mają aktywność porównywalną z aktywnością naturalną, dzięki czemu mogą być wprowadzone do środowiska. Część odpadów niskoaktywnych jest jednak przechowywana w szczelnych pojemnikach na specjalnych składowiskach (np. Różana w Polsce).

Najbardziej długożyciowe odpady promieniotwórcze przechowuje się w pojemnikach w nieaktywnych sejsmicznie rejonach. Pojemniki umieszcza się na dużych głębokościach w jaskiniach skalnych do których nie dostaje się woda. Składowanie odpadów w ten sposób jest niezwykle drogie, a czas ich przechowywania sięga milionów lat.

Przedstawione powyżej problemy związane z utylizacją i składowaniem niebezpiecznych odpadów radioaktywnych są główną przyczyną powolnego rozwoju technologii uzyskiwania energii jądrowej. Jedynie najbogatsze państwa mogą pozwolić sobie na budowę wielu elektrowni jądrowych i składowanie odpadów.

Ze względu na to, iż izotopy promieniotwórcze mogą stanowić ogromne zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi, powstaje na świecie wiele organizacji zajmujących się ochroną środowiska przed skażeniem promieniotwórczym. W Polsce taką organizacją jest CLOR - Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, laboratorium z siedzibą w Warszawie, zatrudniające około 200 osób. CLOR powstała w 1957 roku i podlega Państwowej Agencji Atomistyki, zajmującej się kontrolą skażeń promieniotwórczych środowiska, skażeń pracowników oraz badaniem jakości aparatury dozymetrycznej.

W wyniku przeprowadzania wybuchów jądrowych w otwartej atmosferze w latach 1945 - 1962 oraz w wyniku katastrof satelitów posiadających na pokładzie substancje promieniotwórcze powstało na Ziemi zjawisko tzw. globalnego opadu promieniotwórczego. W wyniku globalnego opadu promieniotwórczego przeciętny mieszkaniec Ziemi otrzymuje w ciągu swojego życia dawkę promieniowania przekraczającą 4,5 mSv (siwert), która jest niewielka w porównaniu z dawką, jaką człowiek otrzymuje przez całe swoje życie w wyniku istnienia tła naturalnego (120 mSv). Globalny opad promieniotwórczy jest niemal w połowie wynikiem zwiększonej ilości izotopów węgla 14C.

Największym źródłem skażenia promieniotwórczego środowiska są:

  1. sztuczne izotopy promieniotwórcze, dostające się do środowiska naturalnego w wyniku działalności człowieka. Największymi źródłami sztucznych izotopów są wybuchy nuklearne (powodujące globalny opad promieniotwórczy), katastrofy jądrowe (Czarnobyl (1983), Czelabińsk na Uralu (1957 i 1967)), przetwarzanie paliwa jądrowego (np. radziecki program produkcji broni jądrowej - największa katastrofa jądrowa), wycieki radioaktywne z urządzeń jądrowych oraz wycieki ze składowisk odpadów radioaktywnych, awarie urządzeń geologicznych i medycznych zawierających izotopy promieniotwórcze itp. Spośród wszystkich sztucznych radioizotopów, najwięcej do środowiska naturalnego dostało się cezu 137 (promieniowanie g i b, okres półtrwania 30 lat), strontu 90 (promieniowanie b, okres półtrwania 28 lat), plutonu 239 (promieniowanie a, okres półrozpadu 24 tys. lat) oraz plutonu 240 (promieniowanie a, okres półtrwania 8 tys. lat);
  2. rosnąca koncentracja naturalnych radioizotopów, wywołana działalnością człowieka. Przyczyną wzrostu skażenia jest eksploatacja kopalń uranu oraz węgla - w kopalniach węgla dochodzi do lokalnych skażeń powodowanych przez gromadzenie się radu w osadach z wód kopalnianych. Skażenia występujące w wyniku eksploatacji kopalni mogą być bardzo duże. Ponadto w całej biosferze w wyniku testów z bronią nuklearną ponad trzykrotnie wzrósł poziom zawartości promieniotwórczego izotopu węgla 14C.

Zastosowanie pierwiastków i ich izotopów.

Wiele spośród występujących naturalnie pierwiastków ma duże znaczenie przemysłowe i naukowe. Oto niektóre z nich:

  • wodór - surowiec do przemysłowego otrzymywania wielu związków chemicznych, na przykład amoniaku i chlorowodoru. Jest także używany do utwardzania olejów roślinnych oraz w przemysłowej syntezie benzyny. Na co dzień wodór można spotkać w balonach - jest używany do ich wypełniania. Jest także wykorzystywany w palnikach tlenowo - wodorowych (temperatura do 2500°C) oraz w ogniwach paliwowych zasilających rakiety kosmiczne
  • polon - stosowany w badaniach chemicznych. Czysty polon jest źródłem cząstek, a zmieszany z berylem źródłem neutronów
  • rad - wykorzystywany w medycynie w formie halogenków (chlorku lub bromku) oraz w badaniach naukowych
  • tor - w postaci metalicznej stosowany do powlekania drutów wolframowych w lampach elektronowych. Bywa także stosowany do adsorpcji gazów w aparatach pracujących w warunkach wysokiej próżni. Dwutlenek toru jest katalizatorem w procesie syntezy benzyny oraz materiałem do wytwarzania siatek Auera (1% dwutlenku ceru) - siatek żarzących intensywnym, białym światłem podczas ogrzewania palnikiem gazowym
  • uran - czysty metaliczny uran jest niezbędnym surowcem do otrzymywania energii w reaktorach jądrowych
  • sód - w stanie czystym stosowany w wielu gałęziach przemysłu. Jest również dodawany do stopów, np. z potasem - substancja chłodząca reaktory jądrowe, zawory silników lotniczych, ze stalami - zwiększenie wytrzymałości. Związki sodu występują również w organizmach żywych w substancjach pozakomórkowych - NaCl podtrzymuje ciśnienie osmotyczne plazmy krwi
  • krzem - bardzo szeroko stosowany, w najczystszej postaci jest używany do wytwarzania elektronicznych elementów półprzewodnikowych, z krzemionki i krzemianów wytwarzana jest porcelana, szkło i fajans. Jako dodatek do stopów zwiększa ich odporność na korozję, jest także wykorzystywany w hutnictwie - żelazokrzem działa jako odtleniacz, usuwając rozpuszczony w stopionych metalach tlen
  • fosfor - fosfor 32 jest stosowany w badaniach naukowych jako źródło promieniowania b oraz wskaźnik promieniotwórczy. Jest także wykorzystywany w diagnostyce nowotworowej oraz do znakowania czerwonych krwinek
  • potas - stosowany głównie w nawozach sztucznych
  • kobalt - używany w terapii nowotworowej a także do sterylizacji produktów spożywczych oraz narzędzi chirurgicznych
  • arsen - używany jako impregnat do drewna, skór i preparatów zwierzęcych a także do odbarwiania szkła. Ze względu na swoje właściwości toksyczne jest dodawany do trutek na szczury i do insektycydów

Także izotopy promieniotwórcze pierwiastków znajdują zastosowanie. Ze względu na to, iż izotopy mają taką samą liczbę atomową a więc i liczbę elektronów, pod względem chemicznym są nierozróżnialne. Można je rozdzielić jedynie dzięki różnym właściwościom fizycznym, na przykład masie. Na przykład jeżeli w jakiejś substancji zawierającej azot 14N część atomów azotu zostanie zastąpiona przez izotop 15N, można ciężkie cząsteczki wykryć stosując spektrometry masowe. Podobnie można postąpić podstawiając 1H deuterem (2H). Dodatkowo, dzięki wysyłanemu promieniowaniu, izotopy radioaktywne można łatwo zlokalizować i określić ich ilość na podstawie intensywności promieniowania. Umożliwia to wykorzystanie izotopów promieniotwórczych do śledzenia różnych procesów, na przykład metabolizmu komórek. W tym celu wprowadza się do obiegu substancje znakowane izotopami promieniotwórczymi, np. cukry z węglem 12C podstawionym promieniotwórczym 14C lub 11C. Można tego dokonać poprzez podanie zwierzęciu karmy zawierającej oznakowane cukry, lub poprzez wprowadzenie komórek do roztworu zawierającego substancje znakowane. Następnie bada się produkty przemiany materii zawierające znaczniki. Dzięki takim badaniom można dokładnie poznać reakcje zachodzące na każdym etapie metabolizmu oraz zbadać ostateczne produkty przemiany materii. Również inne procesy zostały poznane dzięki zastosowaniu izotopów promieniotwórczych - użycie wapnia 45Ca umożliwiło poznanie szybkości tworzenia się tkanki kostnej oraz wpływu na ten proces różnych substancji, np. witaminy D i hormonu wydzielanego przez gruczoły przytarczyczne. Metoda śledzenia procesów biologicznych za pomocą izotopów promieniotwórczych jest jedyną metodą umożliwiającą poznanie tak skomplikowanych zjawisk.

Innym zastosowaniem radioizotopów jest tzw. bomba kobaltowa, służąca do napromieniowania obiektów promieniowaniem g emitowanym przez izotop 60Co. Pierwiastek ten ma aktywność 1013 - 1014 Bq. Ponieważ promieniowanie g jest bardzo niebezpieczne ze względu na dużą przenikliwość, w bombie kobaltowej stosuje się grube osłony ołowiowe chroniące przed źródłem promieniowania. W osłonie znajdują się otwory, przez które możliwe jest wyprowadzenie części promieniowania na zewnątrz. Terapia z użyciem bomby kobaltowej jest stosowana do niszczenia komórek rakowych, a także w defektoskopii, do sterylizacji żywności oraz do badań naukowych: umożliwia badanie procesów fizykochemicznych zachodzących podczas napromieniowania prostych i złożonych układów promieniowaniem g o wysokiej energii.

Izotopy promieniotwórcze są także wykorzystywane do celów militarnych - są podstawą do konstrukcji broni masowego rażenia typu jądrowego. W bombach atomowych wykorzystuje się fakt, iż w wyniku reakcji jądrowej zostają uwolnione olbrzymie ilości energii, prowadzące do wybuchu jądrowego. Zależnie od rodzaju reakcji zachodzącej w bombie, rozróżnia się następujące typy broni atomowej:

  • broń jądrowa (atomowa) - reakcja zostaje zapoczątkowana przez klasyczny materiał detonujący (na przykład trotyl). Materiałem, w którym wyzwala się łańcuchową reakcję jądrową jest 235U lub 239Pu. Materiał aktywny jest podzielony na kilka części, które po zainicjowaniu reakcji przez wybuch detonatora skupiają się, wywołując niekontrolowane rozszczepienie. Reakcja trwa tak długo, aż materiał aktywny ulegnie rozproszeniu. Moc uzyskiwana przez taką bombę sięga kilkuset kiloton TNT
  • broń termojądrowa (wodorowa) - jest to bomba jądrowa połączona z substancją aktywną (mieszaniną deuteru i trytu lub deuterkiem litu 6LiD). Pierwszym etapem reakcji jest wybuch jądrowy o mocy kilkuset kiloton, który powoduje zapoczątkowanie niekontrolowanej reakcji termojądrowej. Można w ten sposób uzyskać wybuch o energii do 100 mln ton TNT
  • broń kobaltowa - składa się z bomby jądrowej lub termojądrowej umieszczonej w płaszczu kobaltowym. Reakcja jądrowa powoduje powstanie dużych ilości izotopu 60Co, który rozpadając się emituje promieniowanie g. Broń kobaltowa, dotychczas nie stosowana, powoduje olbrzymie skażenie środowiska
  • broń neutronowa - to broń termojądrowa w której większa część energii zostaje wyemitowana w postaci strumienia szybkich neutronów, powodujących niszczenie głównie organizmów żywych.