Dziś już wiemy, że otaczająca nas materia zbudowana jest z atomów. Atomy są bardzo małych rozmiarów, średnica mieści się w zakresie 10- 10m. Każdy atom składa się z jądra atomowego i rozmieszczonych w chmurze elektronowej elektronów. Rozmiary jądra to około 10m.

Jądro zbudowane jest z nukleonów. Nazwą tą określa się neutrony i protony. Ich masy są zbliżone. Natomiast jeśli chodzi o ładunki to neutron jest elektrycznie obojętny, a proton obdarzony jest ładunkiem dodatnim. Z tego powodu jądro również jest dodatnio naładowane, a ładunek ilościowo równy jest ładunkowi protonów. Liczbie protonów w jądrze równa jest ilość elektronów w chmurze elektronowej. Ponieważ elektrony obdarzone są ładunkiem ujemnym, co do wartości równym ładunkowi protonów, więc atom jest elektrycznie obojętny.

Ponieważ masa elektronu jest około 1840 razy mniejsza od masy protonu czy neutronu przyjmuje się, że cała masa atomu skupiona jest w jądrze.

Jednostką masy atomowej jest tzw. atomowa jednostka masy - u. Jest ona równa masie 1/ 12 masy atomu izotopu węgla C12. Jest więc równa: 1 u = 1.66 · 10 kg. Można ją również przedstawić w jednostkach energii.

Do określenia liczności materii zostało wprowadzone pojęcie mola. Jeden mol zawiera taką liczbę atomów ile atomów znajduje się w 12 gramach izotopu węgla C12. W jednym molu znajduje się ok. 6.02 × 10 cząsteczek, atomów, jonów, elektronów lub innych cząstek. Liczba ta jest nazywana liczbą Avogadra. Masa jednego mola jest liczbowo równa masie atomowej lub cząsteczkowej, ale wyrażona jest w gramach. Jest to wygodne we wszelkiego rodzaju obliczeniach.

Liczbę nukleonów w jądrze nazywa się liczbą masową, natomiast liczba protonów i zarazem liczba elektronów to liczba atomowa. Liczba atomowa decyduje o położeniu pierwiastka w układzie okresowym.

Atomy tego samego pierwiastka różniące się liczbą neutronów w jądrze nazywa się izotopami. Przykładem mogą być izotopy wodoru: prot, deuter i tryt.

Jądra niektórych izotopów zarówno tych , które występują w przyrodzie jak i tych otrzymywanych sztucznie mają zdolność do samorzutnego rozpadania się . W wyniku takiego rozpadu powstaje nowe jądro oraz emitowane są rozmaite cząstki. Tak zachowują się pierwiastki promieniotwórcze. Zjawisko promieniotwórczości zostało odkryte w roku 1896 przez Becquerela.

Na podstawie analizy składu jąder oraz ich trwałości wyciągnięto wniosek, że trwałe są tylko jądra o określonym stosunku liczby neutronów do liczby protonów. I tak dla pierwiastków o liczbach atomowych mniejszych od 20 stosunek ten jest w przybliżeniu równy 1. Natomiast w miarę zwiększania się liczby atomowej rośnie on do wartości około 1.6. I teraz zarówno nadmierne zwiększenie się liczby neutronów jak i jej zmniejszenie powoduje , że zmniejsza się trwałość takiego jądra i w konsekwencji ulega ono rozpadowi.

Jeśli w jądrze jest nadmiar neutronów wówczas jadro będzie dążyło do zmniejszenia ich liczby. Może się to stać dzięki przekształceniu się neutronu w proton. Reakcja taka zachodzi w trakcie rozpadu beta. W wyniku tego rozpadu powstaje jądro nowego pierwiastka, o liczbie atomowej większej o 1 od rozpadającego się jądra.

Jeśli w jądrze jest nadmiar protonów wówczas rozpada się ono z emisją cząstki beta plus. Powstające jądro nowego pierwiastka ma liczbą atomową mniejszą o 1. Jądra o zbyt dużej masie będą dążyły do jej zmniejszenia emitując cząstki alfa. W wyniku takiego rozpadu powstaje jądro nowego pierwiastka, którego liczba atomowa jest mniejsza o 2 w stosunku do jądra pierwiastka wyjściowego.

Cząstkami alfa nazywa się jądra helu. Każde z jader składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Niesie więc podwójny ładunek dodatni. Jądra helu są tzw. podwójnie parzyste. Wiąże się z tym wyjątkowo duża trwałość tych jąder. Energia wiązania mianowicie cząstek alfa wynosi około 28 MeV. Dzięki tak dużej energii wiązania cząstki alfa mogą powstawać w wyniku przemian jądrowych jako jeden układ.

Rozpadom z emisją cząstek alfa mogą ulegać zarówno naturalne pierwiastki promieniotwórcze jak i sztuczne izotopy promieniotwórcze. Okazuje się, że istnieją także izotopy promieniotwórcze, które emitują cząstki alfa o różnych energiach. Mieści się jednak ona zawsze w przedziale od 3 do 10 MeV. Taka energia wiąże się w prędkością cząstki alfa wynoszącą około m/s. Jeżeli dany izotop promieniotwórczy ulega rozpadowi alfa to rozpadowi temu towarzyszy zwykle emisja promieniowania gamma.

Poniżej podano przykłady izotopowych źródeł cząstek alfa wraz z ich czasami połowicznego rozpadu:

- - 2.9 lat

- - 138.4 dnia

- - 75 lat

- - 89.6 lat

- - 162 dni

Źródła cząstek beta stanowią głównie sztuczne izotopy promieniotwórcze. Cząstki beta są to elektrony mające ciągłe widmo energii. Jeżeli dany izotop promieniotwórczy ulega rozpadowi beta wówczas w jego jądrze zachodzi przemiana neutronów w protony. Zachodzi wiec proces:

W procesie tym powstają jeszcze cząstki zwane antyneutrinami elektronowymi.

W praktyce wykorzystuje się najczęściej następujące źródła cząstek beta:

-- 12.5 lat

- - 5730 lat

- - 14.3 dnia

Podobnie jak w przypadku rozpadów alfa tak i tutaj niektórym rozpadom beta towarzyszy także emisja kwantów gamma.

Emisja promieniowania gamma związana jest z sytuacją gdy w wyniku rozpadu powstaje jądro nie na podstawowym poziomie energetycznym. Wówczas takie jądro chcąc pozbyć się nadmiaru energii emituje promieniowanie gamma.

W atomach niektórych izotopów promieniotwórczych może mieć miejsce jeszcze inne zjawisko. Mianowicie na skutek wychwytu elektronów z najbliższych jądra powłok albo też wskutek konwersji wewnętrznej na powłokach K lub L dochodzi do powstania luk elektronowych. W te puste miejsca wpadają z kolei elektrony z powłok elektronowych znajdujących się w większej odległości od jądra. I właśnie w trakcie takiego przeskoku elektronów z poziomów o wyższej energii na poziomy o energii niższej ma miejsce emisja fotonów X czyli fotonów promieniowania rentgenowskiego. Energia tych fotonów jest charakterystyczna dla jader, które powstają w wyniku tych przemian. Dlatego tez promieniowanie rentgenowskie bywa nazywane także promieniowaniem charakterystycznym.

Jeśli chodzi o izotopowe źródła promieniowania gamma oraz X to w zależności od kształtu można je podzielić na : punktowe, dyskowe oraz pierścieniowe. Do najczęściej stosowanych źródeł należą:

- , 

Wyżej wymienione źródła promieniowania gamma i X są to źródła izotopowe. Ale można także wyróżnić innego typu źródła. Mogą to być tzw. źródła przetwornikowe beta - X. Jak sama nazwa wskazuje składają się one z izotopu promieniotwórczego emitującego elektrony czyli cząstki beta oraz z tzw. tarczy . Emitowane cząstki beta uderzają w tarczę i w ten sposób są hamowane. Ich energia kinetyczna zostaje przekształcona w energię promieniowania elektromagnetycznego. Nosi ono nazwę promieniowania hamowania.

Oprócz tego może także dochodzić do wzbudzeń atomów tarczy zarówno przez cząstki beta jak i promieniowanie charakterystyczne i na skutek tego emitowane jest także promieniowanie charakterystyczne atomów tarczy.

Kolejnym źródłem są źródła podwójne gamma - X lub X-X. W skład takich źródeł wchodzą izotopy emitujące promieniowanie gamma lub X oraz tarcza. Pod wpływem promieniowania emitowanego przez atomy izotopu promieniotwórczego dochodzi do wzbudzenia atomów tarczy. Atomy przechodząc do stanu podstawowego emitują promieniowanie X. Energia fotonów tego promieniowania jest uzależniona od liczby atomowej atomów tarczy. W praktyce można w ten sposób uzyskać fotony X o energiach od kilku do ponad 100 keV.

Wadą tego typu źródeł jest tło , które powstaje na skutek rozpraszania fotonów.

Na obecnym etapie rozwoju nauki i techniki nieraz zachodzi potrzeba wykorzystania izotopów o bardzo krótkim czasie połowicznego rozpadu. W związku z tym muszą one być otrzymywane na miejscu , w laboratorium badawczym lub w szpitalu. Najczęściej bowiem źródła takie wykorzystywane są w badaniach diagnostycznych. Ponieważ izotopy takie są wprowadzane do ciała pacjenta w związku z tym nie może on być narażony na długotrwałe promieniowanie. Stąd właśnie popularność izotopów krótkożyciowych. Są one wytwarzane w generatorach izotopowych. W środku takiego generatora znajduje się izotop o stosunkowo długim czasie połowicznego zaniku. Znajduje się on na warstwie adsorbentu. Izotop ten w wyniku rozpadu daje pożądany radioizotop krótkożyciowy. Izotop taki jest następnie wypłukiwany z adsorbentu.

Wśród źródeł neutronów można wyróżnić źródła izotopowe, akceleratorowe oraz reaktory jądrowe.

Neutrony są składnikami wszystkich jader atomowych za wyjątkiem jądra zwykłego wodoru. Ich masa jest zbliżona do masy protonu. Neutrony są cząstkami trwałymi tylko w obrębie jądra. Jeśli nie są związane w jądrze wówczas ulegają rozpadowi na proton, elektron i antyneutrino. Schemat tego rozpadu został przedstawiony wyżej przy omawianiu rozpadu beta. Czas połowicznego rozpadu neutronów wynosi około 11 minut. Aby uwolnić neutron z jądra konieczne jest dostarczenie energii, która będzie większa od tzw. energii separacji. Energia ta jest równa energii wiązania najsłabiej związanego neutronu w jądrze atomowym. Energia ta może przyjmować różną wartość w zależności od tego z jądrem jakiego pierwiastka mamy do czynienia. I tak przykładowo dla jąder deuteru energia ta wynosi 2.225 MeV, dla jąder helu - 20.577 MeV a dla jąder izotopu węgla C12 wynosi 18.72 MeV. Wyjątkowo małą energię separacji mają neutrony w jądrach izotopu berylu Be9. Wynosi ona zaledwie 1.66 MeV.

Ze względu na ten fakt izotop berylu powszechnie wykorzystywany jest jako izotopowe źródło neutronów. Energia potrzebna do wyrwania neutronów z jąder czyli energia separacji może być dostarczona do układu bądź za pomocą cząstek alfa bądź w postaci promieniowania gamma emitowanego przez któryś z izotopów promieniotwórczych. W praktyce źródła takie wykonuje się stapiając izotop berylu z emiterem cząstek alfa.

Do innego typu izotopowych źródeł neutronów należy izotop kalifornu 252. Jest to izotop wytwarzany sztucznie. Charakterystyczne dla jader tego izotopu jest to, że ulegają one nie tylko rozpadom alfa ale także spontanicznemu rozszczepieniu. Zjawisku temu towarzyszy emisja neutronów.

Drugim rodzajem źródeł neutronów są źródła akceleratorowe. Neutronu uzyskiwane są tutaj na drodze reakcji jądrowych , które zachodzą jądrach lekkich pierwiastków pod wpływem bombardowania ich przez cząstki naładowane takie jak np. cząstki alfa, protony czy deuterony. Cząstki te muszą oczywiście najpierw uzyskać odpowiednie energie. I właśnie w tym celu wykorzystywane są akceleratory.

W akceleratorach można uzyskać neutrony mające określoną energię. I jest to bardzo duży plus tej metody pozyskiwania neutronów. Szczególnie powszechne stały się generatory neutronów o energii 14 MeV. W generatorach tych wykorzystuje się reakcję jądrową wywoływaną w jadrach trytu. Reakcja ta zachodzi pod wpływem deuteronów, które wcześniej są przyspieszane w małych akceleratorach. Następnie przyspieszone deuterony uderzają w tarczę wykonaną z cyrkonu lub tytanu. Tarcza ta nasycona jest trytem.

Można także wykorzystywać inna reakcję jądrową, a mianowicie przyspieszone deuterony mogą także oddziaływać z deuterem, który znajduje się w tarczy. W wyniku tej reakcji także powstają neutrony. Ich energia wynosi około 3 MeV.

Do akceleratorowych źródeł neutronów należą także generatory lampowe. Nazwa pochodzi od głównego elementu takiego generatora czyli lampy. Lampa taka wypełniona jest mieszaniną trytu i deuteru lub tez samym deuterem. Zasadniczym elementem takiej lampy jest elektroda wykonana z cyrkonu lub tytanu zawierająca atomy trytu. W momencie gdy w lampie dochodzi do wyładowania elektrycznego deuterony są przyspieszane i zaczynają zderzać się z elektrodą. Zostają zapoczątkowane reakcje jądrowe, których rezultatem jest powstawanie neutronów.

Do generowania neutronów można także wykorzystywać deuterony przyspieszane do energii 12.5 MeV w dużych akceleratorach zwanych cyklotronami. Deuterony takie następnie zderzają się z tarczą wykonaną z izotopu berylu Be 9. Zostają zapoczątkowane reakcje jądrowe w wyniku których jądra berylu 9 przekształcają się w jądra boru. No i oczywiście powstają neutrony. Mogą one mieć energie z przedziału od 0 do 17 MeV. Średnia wartość energii wynosi 5.6 MeV. Jest to źródło neutronów wykorzystywane powszechnie w medycynie. Neutrony wykorzystywane są mianowicie do terapii nowotworów.

Jednak zdecydowanie najsilniejszymi źródłami neutronów swobodnych są reaktory jądrowe. Wiadomo, że paliwem w reaktorach takich są izotopy uranu lub plutonu. W wyniku zachodzących reakcji rozszczepienia powstają właśnie neutrony. Energie neutronów, które generowane są w reaktorach w wyniku reakcji rozszczepienia mają widmo ciągłe. Jednak zbyt wysokie energie neutronów nie są korzystne. Dzieje się tak ponieważ przekrój czynny na dalsze reakcje rozszczepienia jest większy dla neutronów o mniejszych energiach. Dlatego powszechną praktyką jest spowolnianie neutronów w celu zwiększenia prawdopodobieństwa zajścia dalszych rozszczepień. W tym celu stosuje się specjalne substancje zwane moderatorami. Moderatory wykonane są z lekkich pierwiastków. Podczas zderzeń neutronów z jądrami moderatora następuje przekazanie tym jądrom energii kinetycznej. Dlatego widmo neutronów rozszczepieniowych różni się od widma neutronów reaktorowych. W reaktorach wykorzystywanych do rozmaitych analiz znajdują się specjalne otwory przeznaczone do wprowadzania do wnętrza reaktora analizowanych próbek.

Analiza aktywacyjna.

Analiza aktywacyjna wykorzystuje zjawisko sztucznej promieniotwórczości. Zjawisko to polega na tym, że w wyniku rozmaitych reakcji jądrowych wywołanych np. neutronami lub cząstkami naładowanymi tworzą się nowe jądra promieniotwórcze. W pierwszej fazie w wyniku zaabsorbowania uderzającej cząstki powstaje jądro złożone, które następnie rozpada się tworząc nowe jądro. Jeżeli powstało jądro izotopu promieniotwórczego wówczas taką metodę nazywa się aktywacją. Mogą powstawać także jądra wzbudzone, które powracając do stanu podstawowego emitują promieniowanie gamma. Ponieważ energia emitowanych fotonów i czas połowicznego rozpadu są charakterystyczne dla danego izotopu promieniotwórczego dlatego na podstawie

pomiaru tych wielkości można zidentyfikować izotopy powstałe w czasie aktywacji danej próbki poddanej analizie. Tym samym uzyskuje się informacje na temat pierwiastków, z których te izotopy mogły powstać w wyniku aktywacji.

Tak więc w pierwszym etapie analizy aktywacyjnej jest przeprowadzenie jąder izotopu niepromieniotwórczego, który jest oznaczany w próbce w jądra aktywne. Jest to tzw. wskaźnik analityczny. Jak już wyżej zostało wspomniane do aktywacji można wykorzystywać różne cząstki np. cząstki alfa, protony czy deuterony . Jednak najpowszechniej w analizie aktywacyjnej wykorzystuje się neutrony. Dzieje się tak ze względu na to, że neutrony pozbawione są ładunku elektrycznego i w związku z tym nie są odpychane przez poddawane aktywacji jądra. Pierwsze udane próby analizy aktywacyjnej były podejmowane w latach trzydziestych ubiegłego wieku. Jednak rozwój tej metody nastąpił dopiero prawie dwadzieścia lat później. W Polsce neutronowa analizę aktywacyjną przeprowadza się głównie w Instytucie Badań Jądrowych w Warszawie.

Ważnym krokiem stało się także opracowanie metod chemicznego rozdzielania produktów aktywacji. Obecnie analiza aktywacyjna jest podstawowym narzędziem wykorzystywanym w wielopierwiastkowej analizie śladowej. Analiza ta jest powszechna w wielu dziedzinach takich jak np. geologia, biologia , medycyna, kryminalistyka, ochrona środowiska.

Promieniotwórczość a medycyna

W czasach obecnych powszechne jest wykorzystywanie izotopów promieniotwórczych w medycynie. Używane są one zarówno w celach diagnostycznych jak i terapeutycznych. W terapii wykorzystuje się niszczące działanie emitowanego przez izotopy promieniotwórcze promieniowania jonizującego.

W diagnostyce stosuje się specjalnie do tego celu przygotowywane radiofarmaceutyki. Są one następnie aplikowane pacjentom. Poprzez ich zachowanie się w organizmie można śledzić wiele procesów zachodzących w ciele człowieka. Ważne jest to, że dzięki radiofarmaceutykom można obserwować zarówno budowę jak i funkcję określonych struktur wewnętrznych.

Po raz pierwszy pierwiastek promieniotwórczy został wykorzystany do celów medycznych na początku dwudziestego wieku. Był to oczywiście rad odkryty przez Marie Curie - Skłodowską i jej męża.

Początkowo rad służył wyłącznie celom terapeutycznym do niszczenia komórek nowotworowych, ale w latach dwudziestych ubiegłego wieku podjęto próby wykorzystania go także do celów diagnostycznych. Sole radowe wstrzykiwano dożylnie pacjentowi a następnie mierzono aktywność radonu w wydychanym przez pacjenta powietrzu.

Kolejne próby wykorzystania metody znacznikowej podjęli kardiolodzy. Zaproponowano wówczas wykorzystanie izotopu bizmutu 214. Początkowo do detekcji promieniowania emitowanego przez znaczniki promieniotwórcze używane były komory mgłowe, ale w latach czterdziestych do użytku weszły liczniki scyntylacyjne.

Jednak przełomowym wydarzeniem w rozwoju medycyny nuklearnej było odkrycie sztucznej promieniotwórczości. Stopniowo naturalne izotopy zastępowane były przez izotopy sztuczne wytwarzane w cyklotronach i reaktorach jądrowych. Następował także rozwój technik pomiarowych. I tak doszło do powstania pierwszego scyntygrafu, czyli urządzenia za pomocą którego można było śledzić drogę izotopu promieniotwórczego w organizmie nie pobierając żadnego materiału do analizy. Miało to miejsce w roku 1951.

Kilka lat później powstała pierwsza kamera gamma. Był to początek rozwoju tomografii komputerowej. Za pomocą tej techniki możliwe jest otrzymywanie warstwowych obrazów narządów wewnętrznych człowieka. Warto dodać, że za stworzenie zasad tomografii komputerowej została przyznana Nagroda Nobla w roku 1979.

Jednak nie wszystkie izotopy promieniotwórcze, które są obecnie znane mogą być wykorzystywane w diagnostyce lub w terapii. Wiąże się to ze specyficznymi warunkami , które muszą spełniać izotopy, które są wprowadzane do organizmu człowieka. Po pierwsze nie mogą one wywierać toksycznego działania na człowieka. Ważny jest również okres połowicznego rozpadu takich pierwiastków. Musi się on mieścić w granicach od kilku minut do kilkudziesięciu dni. Po trzecie nie jest wskazane, aby izotopy medyczne emitowały cząstki naładowane, które mogłyby jonizować tkankę. Dotyczy to izotopów diagnostycznych. Bowiem rola izotopów wykorzystywanych w celach terapeutycznych polega właśnie na destrukcji określonej tkanki. Aby do tego doszło izotop taki musi emitować promieniowanie jonizujące.

Izotopy wykorzystywane do celów medycznych wytwarzane są w reaktorach jądrowych , cyklotronach jak również we wspomnianych wcześniej małych generatorach izotopowych.

Wśród izotopów promieniotwórczych wykorzystywanych w medycynie należy wymienić:

-

Aby nowy radiofarmaceutyk mógł być dopuszczony do użycia klinicznego najpierw bada się jego własności pod kątem:

- szybkości opuszczania organizmu

- wybiórczego gromadzenia się w tkankach i narządach

- wiązania przesz białko w organizmie.

Jednak sam radiofarmaceutyk nie wystarczy żeby wystawić właściwą diagnozę. Niezbędne do tego są urządzenia , które będą odbierać promieniowanie emitowane przez izotop promieniotwórczy. Do takich urządzeń należą scyntygrafy i gammakamery. Głowica scyntygrafu zawiera licznik scyntylacyjny. Głowica taka w trakcie badania skanuje ciało pacjenta i mierzy promieniowanie w danych punktach ciała. W wyniku tego powstaje obraz rozmieszczenia znacznika promieniotwórczego w określonym narządzie. Na podstawie takiego obrazu można zlokalizować ewentualne zmiany patologiczne. Obrazy ze scyntygrafu można utrwalać na kliszach fotograficznych. Jedyną wada tej metody diagnostycznej jest stosunkowo długi czas trwania badania.

Drugi rodzaj urządzenia pomiarowego stanowią gammakamery. Umożliwiają one uzyskanie przestrzennego obrazu odwzorowującego chwilowe rozmieszczenie znacznika w danym narządzie. Nie jest tutaj potrzebne skanowanie jak w poprzedniej metodzie i w związku z tym czas badania ulega znacznemu skróceniu.

Pozamedyczne zastosowanie izotopów promieniotwórczych

Izotopy promieniotwórcze wykorzystywane są także w biologii. Ich zastosowanie pozwoliło miedzy innymi na dokładne poznanie procesu fotosyntezy. Został tutaj wykorzystany promieniotwórczy izotop węgla C14.

W badaniach innych procesów zachodzących w organizmach żywych wykorzystuje się pary znaczników. Mogą to być np. :.

Znaczniki promieniotwórcze umożliwiają także obserwacje drobnych organizmów żywych w ich naturalnym środowisku życia. Chodzi tutaj przede wszystkim o owady i pasożyty.

Znaczniki promieniotwórcze wykorzystywane są także w rolnictwie. Można dzięki nim badać m.in. kinetykę nawozów sztucznych oraz środków ochrony roślin. Pozwalają także na monitorowanie skutków ubocznych działania takich substancji na żywe organizmy.

Znaczniki promieniotwórcze bardzo dużą rolę odgrywają w ochronie środowiska. Dzięki nim można wykrywać rozmaite przecieki szkodliwych substancji ze zbiorników i rurociągów. Można także śledzić rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w wodach podziemnych i naziemnych a także w atmosferze.

Wiertnictwo naftowe oraz chłodnictwo to także pole wykorzystywania znaczników promieniotwórczych.

I na koniec ciekawostka. Okazuje się, że znaczniki promieniotwórcze mogą być przydatne także w kryminalistyce. Mianowicie znacznie ułatwiają badanie linii papilarnych. W metodzie tej wykorzystuje się promieniotwórczy izotop węgla C14.