Izotopy promieniotwórcze - właściwości i zastosowanie

Znaczna część poznanych pierwiastków chemicznych wykazuje różnorodność pod względem liczby atomowej (posiadają tę samą liczbę protonów, natomiast różnią się liczbą neutronów). Te poszczególne typy atomów, mimo odmiennej liczby atomowej należą do jednego pierwiastka i mają niemal identyczne własności chemiczne. Atomy takie nazywamy izotopami (z łaciny isos- równy, topos- miejsce), a w układzie okresowym widnieją na tym samym miejscu. Przykładem może być wodór [H], najlżejszy z pierwiastków chemicznych, występuje w postaci dwóch stabilnych izotopów ¹H (prot) i ²H (deuter, oznaczany również symbolem D) oraz jednego niestabilnego - ³H (tryt, oznaczany również symbolem T). Ze względu na to, że jeden z izotopów stabilnych jest dwa razy cięższy od drugiego, różnią się one dość znacznie właściwościami chemicznymi. Z wyjątkiem izotopów wodoru, izotopy nie mają oddzielnych nazw i oznaczane są symbolem pierwiastka chemicznego z liczbą masową u góry po lewej stronie. Węgiel [C] ma pięć izotopów z czego 4 są trwałe (o liczbie atomowej ¹¹C, ¹²C, ¹³C oraz ¹⁴C), natomiast ołów [Pb] posiada ich szesnaście, z czego siedem stabilnych (²⁰²Pb, ²⁰⁴Pb, ²⁰⁵Pb, ²⁰⁶Pb ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb oraz ²⁰¹⁰Pb).

Z powodu różnicy mas atomowych, izotopy cechują się odmiennymi niektórymi własnościami fizycznymi, przy czym różnice te są tym większe, im większy jest rozrzut ich mas względem siebie. Ta odmienność w masach atomowych izotopów powoduje, że w formie czystej różnią się one gęstością, temperaturą wrzenia, topnienia oraz sublimacji. Różnice te rozciągają się także na związki chemiczne o różnym składzie izotopowym, powodują także występowanie niewielkich różnic w reaktywności pierwiastków. Reaktywność ta nie ma jednak wpływu na kierunek reakcji chemicznych, w których biorą udział dane pierwiastki, ale oddziałuje na prędkość tych reakcji. Jest to tzw. efekt izotopowy, który znajduje zastosowanie w badaniu mechanizmów reakcji chemicznych (niewielkie różnice w szybkości reakcji powodują zmiany w składzie izotopowym związków chemicznych, które powstają w różnych reakcjach).

Wyróżniamy izotopy trwałe (nie ulegające samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastków) oraz nietrwałe (izotopy promieniotwórcze- ulegające samorzutnej przemianie na inne izotopy zazwyczaj innego pierwiastka). Te drugie, zwane także radioizotopami to niestabilne, radioaktywne izotopy, których atomy samoistnie rozpadają się przy równoczesnym wydzieleniu energii w postaci promieniowania gamma. Charakterystyczną cechą izotopów promieniotwórczych jest okres połowicznego rozpadu (czas, w którym zanika połowa jąder danego pierwiastka). Okres połowicznego zaniku nie zależy od powiązań chemicznych atomu izotopu. Radioizotopy mogą występować naturalnie lub być produkowane przez bombardowanie cząstkami elementarnymi danej próbki stabilnego izotopu. Ze względu na swoją radioaktywność oraz intensywność promieniowania, mogą być łatwo wykryte a także określone ilościowo. W celu rozróżnienia innych izotopów, można wykorzystać nieznaczne różnice masy atomowej, którą powoduje dodatkowy neutron w jądrze atomu. Do tego służy urządzenie zwane spektrometrem masowym. Przykładowo, izotop azotu ¹⁵N (azot ciężki) w miejsce ¹⁴N czy izotop wodoru ²H (deuter- wodór ciężki) zamiast ¹H wykazują większą masę.

Izotopy stosuje się jako znaczniki w medycynie, chemii oraz biochemii. Polega to na tym, że tak celowo wprowadzony do cząsteczek chemicznych, a następnie do organizmu izotop- znacznik (lub poddany reakcji chemicznej, po czym dzięki wykrywaniu emitowanego przez nie promieniowania gamma śledzi się ich drogę metaboliczną w czasie przemian, którym podlegają) umożliwia zbadanie rozprzestrzeniania się wprowadzonych cząsteczek w układzie, a pośrednio mechanizmów reakcji chemicznych oraz procesów metabolicznych w organizmie. Działa to tak: do organizmu wprowadza się promieniotwórczy węgiel ¹¹C lub ^{14C (w zamian za 12C) a nawet węgiel ciężki 13C. Znakowana substancja (wstrzyknięta do organizmu) zostaje potem izolowana, a produkty powstałe w wyniku jej metabolizmu- dokładnie zbadane. Dzięki temu możliwe jest prześledzenie szeregu reakcji, ich produktów pośrednich i końcowych. Najczęściej stosowanym izotopem do tych celów jest izotop węgla 14C (datowanie), który znalazł swoje zastosowanie w badaniach historycznych oraz geologicznych. Wykorzystuje się tutaj zmianę w czasie ilości izotopów promieniotwórczych lub produktów przemian izotopowych w badanym materiale. Przykładowo, pod wpływem promieniowania kosmicznego w atmosferze ziemskiej powstaje właśnie izotop węgla 14C, który to pierwiastek wbudowuje się w organizmy żywe i ulega rozkładowi. Badając ilość tego izotopu w substancji organicznej można w miarę dokładnie określić faktyczny wiek danego zabytku lub skamieliny.}

Kolejnym medycznym zastosowaniem izotopów promieniotwórczych, jest zwalczanie komórek nowotworowych przy wykorzystaniu radioizotopów jako źródło promieniowania gamma. Są to tzw. bomby naświetleniowe, czyli duże próbki radioizotopu emitujące z zewnątrz promieniowanie, które zabija komórki rakowe w określonych miejscach ciała. Inną metodą jest forma chemioterapii radiacyjnej. Polega ona na podawaniu związków zawierających dużą ilość radioizotopu, które same mają tendencję do wędrowania w organizmie do chorego miejsca. Zarówno w medycynie jak i w przemyśle spożywczym, radioizotopy stosuje się do szybkiej i efektywnej sterylizacji sprzętu, leków oraz żywności. Silne promieniowanie gamma jest bowiem zabójcze dla większości bakterii i grzybów chorobotwórczych i gnilnych. W gałęzi przemysłu chemicznego, radioizotopy są stosowane jako źródła promieniowania w reakcjach, które zachodzą pod wpływem właśnie tego promieniowania. W różnego rodzaju czujnikach czy detektorach substancji, radioizotopy stosuje się jako źródła promieniowania.

Promieniotwórczość izotopów ma zastosowanie także w produkcji bomb jądrowych masowego rażenia, które wykorzystują energię wydzielaną w czasie reakcji łańcuchowej rozpadu izotopów pierwiastków uranu oraz plutonu czy też podczas syntezy jąder izotopów wodoru. Zaliczamy tutaj między innymi bomby kobaltowe, które zawierają w osłonie kobalt. Pierwiastek ten pod wpływem wytwarzanych przez ładunek neutronów przekształca się w izotop ⁶⁰Co, który to stanowi bardzo silne i trwałe źródło promieniowania gamma. Bomba ta powoduje bardzo silne skażenie terenu, co czyni go niezdatnym do zasiedlenia. Jednak stosuje się ją także w medycynie (w celu zwalczania komórek rakowych) w defektoskopii, do sterylizacji żywności a także w chemii radiacyjnej (przy badaniu procesów fizykochemicznych, jakie zachodzą w czasie napromieniowywania zarówno prostych jak i skomplikowanych układów chemicznych wysokoenergetycznymi kwantami).

Bomba zbudowana jest z detonatora, materiału wybuchowego (z reguły jest to trotyl) oraz materiału rozszczepialnego (izotop uranu ²³⁵U czy plutonu ²³⁹Pu). Całość podzielona jest na dwie części, z których każda ma masę mniejszą od masy krytycznej. Eksplozja bomby atomowej ma miejsce, gdy zostanie odpalony ładunek prochowy, a wszystkie fragmenty materiału rozszczepialnego zostaną szybko skupione ze sobą. Dochodzi wtedy do inicjacji niekontrolowanej reakcji rozszczepienia, która trwa dopóki materiał rozszczepialny nie zostanie całkowicie rozproszony. Moc bomby atomowej wynosi nawet kilkaset kiloton TNT.

Zasada działania bomby wodorowej (zwanej inaczej termojądrową) opiera się na wykorzystaniu reakcji termojądrowej, która polega na łączeniu się lekkich jąder atomowych w cięższe, przy czym procesowi temu towarzyszy wydzielanie ogromnej ilości energii. Zarówno rozpoczęcie jak i utrzymanie fuzji wymaga bardzo wysokiej temperatury, dlatego też bomba wodorowa zawiera ładunek rozszczepialny, który po zdetonowaniu inicjuje fuzję w ładunku drugiego stopnia. Te z kolei łączą się w prawie dowolnej ilości i wielkości (jedna reakcja fuzji inicjuje następną), przez co możliwe jest zbudowanie broni o mocy daleko większej niż w przypadku zwykłej bomby atomowej (nawet do 100 milionów ton TNT). Specjalnym rodzajem bomby termojądrowej, pozbawionej ekranu odbijającego neutrony, w której energia powstaje w wyniku reakcji syntezy deuteru z trytem jest bomba neutronowa. Siła jej wybuchu jest stosunkowo niewielka, podobnie małe jest także skażenie promieniotwórcze terenu. Czynnikiem rażącym jest zatem promieniowanie przenikliwe (neutronowe), które przenika przez materię jest zabójcze dla organizmów żywych.