Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany pierwiastków (
izotopy
), których
jądra
atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają
przemianie promieniotwórczej
. W wyniku tej przemiany powstają inne atomy,
cząstki elementarne
, a także uwalniana jest
energia
w postaci
promieniowania gamma
i energii kinetycznej produktów przemiany.
Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje
czas połowicznego rozpadu
, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego
pierwiastka
(izotopu) ulegnie przemianie. Czas połowicznego rozpadu nie zależy od otoczenia chemicznego atomu izotopu.
Radioizotopy wykazują
aktywność promieniotwórczą
.
Pochodzenie
Naturalne radionuklidy syntezowane są w
gwiazdach
, szczególnie podczas wybuchów
supernowych
. Niektóre z nich (np.
uran
) posiadają wystarczająco długi okres półtrwania, aby nie ulegały one samorzutnemu rozpadowi w ciągu miliardów lat. Niektóre izotopy (np.
14C
) są tworzone podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu (promieniowania kosmicznego) z cząsteczkami atmosfery ziemskiej.
Sztuczne radionuklidy są wytwarzane przez człowieka głównie w
reaktorach jądrowych
oraz
akceleratorach
.
Radioizotopy syntezowane podczas przemian jądrowych w reaktorach powstają w wyniku oddziaływania neutronów na elementy reaktora, przykładem jest syntezowany
tal
-201.
Cząstki przyspieszane w
akceleratorach
mogą zderzać się z innymi pierwiastkami, produkując specjalne izotopy (np.
fluor
-18 emitujący pozytony), czy nowe nieznane wcześniej izotopy.
Tzw. generatory radionuklidów zawierają izotop (rodzic) o względnie krótkim czasie półtrwania, który rozpadając się tworzy użyteczny radionuklid. Generatory te są używane w
medycynie jądrowej
, np. do otrzymywania
metastabilnego
izomeru jądrowego
technetu
-99m (99mTc) powstającego z
molibdenu
-99.
Niektóre radionuklidy są obecne w naturze w mikroskopijnych ilościach z powodu rzadkości występowania, a także krótkiego czasu półtrwania.
Zastosowania
Izotopy promieniotwórcze znalazły wielorakie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i gospodarki.
Przemysł i fizyka
Stosowane są w wielu dziedzinach badań technicznych. Przy ich pomocy można z zewnątrz śledzić przemieszczanie się płynów w układzie. Implementując izotopy w elementy konstrukcyjne, np. silnika można badać stopień zużycia poszczególnych elementów poprzez rejestrowanie zmiany aktywności tego izotopu w
oleju silnikowym
. W przemyśle zastosowanie znalazły izotopowe czujniki poziomu oraz wagi izotopowe. Badaniach dyfuzji oraz badaniach struktury materiałów z użyciem izotopów są na porządku dziennym. W oparciu o właściwości promieniotwórcze powstała
defektoskopia
zajmująca się wykrywaniem ukrytych wad wyrobów (do tego celu używa się głównie
kobaltu 60Co
) oraz szczelności urządzeń i grubości spawów (głównie izotop
kryptonu 85Kr
). Górnictwo wykorzystuje radionuklidy do badania położenia i koncentracji rozległych złóż rud metali i paliw kopalnych. Radioizotopy są stosowane w różnego rodzaju czujnikach, detektorach substancji.
Ameryk 241Am
produkowany w reaktorach jądrowych ma zastosowanie - od będących w powszechnym użyciu przeciwpożarowych
czujników
dymu po specjalistyczne czujniki chemiczne wykrywające śladowe ilości
metali ciężkich
w
wodzie
.
Źródło energii
Izotopy promieniotwórcze stosowane jako paliwo w reaktorach są źródłem ciepła potrzebnego do wytwarzania pary zasilającej turbiny elektrowni atomowych.
Oprócz elektrowni atomowych, energia rozpadu radioizotopów wykorzystywana jest również w
zasilaczach izotopowych
. Mała przenikliwość produkowanego promieniowania alfa i beta powoduje, że na ogół nawet w pobliżu samego zasilacza nie otrzymuje się jego znaczących dawek. Zasilacze izotopowe stosuje się wszędzie tam, gdzie konieczna jest najwyższa niezawodność zasilania, przy jednoczesnych małych wymaganiach, co do mocy, np. w rozrusznikach serca, w automatach działających w reżimie długotrwałej autonomiczności, np. w
sondach kosmicznych
, automatycznych stacjach meteorologicznych znajdujących się w trudno dostępnym terenie (np. stacje arktyczne).
Datowanie
Promieniotwórczy izotop
węgla 14C
stosowany jest przy oznaczaniu wieku próbek geologicznych oraz wykopalisk archeologicznych i paleontologicznych. Metoda ta zwana jest
datowaniem radiowęglowym
wykorzystuje zachodzącą w czasie zmianę ilości izotopów promieniotwórczych lub produktów przemian izotopowych w badanym materiale. Pod wpływem
promieniowania kosmicznego
w atmosferze
Ziemi
powstaje izotop węgla 14C który może być wbudowywany w ciało organizmów tylko w czasie ich życia. Po śmierci ilość węgla promieniotwórczego może już tylko spadać. Na podstawie ilości zachowanego izotopu określa się wiek znaleziska.
Chemia
Izotopy promieniotwórcze stosuje się do modyfikacji cech przedmiotów naświetlanych: np. do wywoływania zmian w strukturze
polimerów
. W przemyśle chemicznym niektóre reakcje są możliwe tylko pod wpływem promieniowania. Do najważniejszych należą produkcja różnych
żeli
, folii oraz synteza niektórych związków organicznych. Znaczniki promieniotwórcze pozwalają śledzić etapy pośrednie zachodzących reakcji.
Przechowanie żywności
Napromieniowanie żywności stosowane jest w celach dezynfekcyjnych, przedłużających jej trwałość. Na podstawie przeprowadzonych badań okazało się, że żywność utrwalana radiacyjnie nie jest toksyczna ani też radioaktywna, jednak podobnie jak inne procesy konserwujące radiacja powoduje pewne zmiany chemiczne w konserwowanej żywności. Pod wpływem promieniowania tworzą się między innymi wolne rodniki i zmniejsza się o 20–60% zawartość witamin A, B1, C i E. Radionuklidy zabezpieczają świeże zbiory przed kiełkowaniem, a także umożliwiają kontrolę procesu
dojrzewania
przechowywanych warzyw i owoców.
Biologia
W
biochemii
stosuje się często izotopy jako znaczniki. Wprowadza się je celowo do
cząsteczek chemicznych
, a następnie tak "oznakowane" cząsteczki wprowadza się do
organizmu
po czym dzięki
detekcji
emitowanego przez nie promieniowania gamma śledzi się ich rozmieszczenie oraz obecność w różnych związkach pośrednich. Umożliwia to badanie mechanizmów reakcji chemicznych oraz szlaków
metabolicznych
w
organizmie
. Najczęściej stosowanymi do tych celów izotopami są:
węgla
14C i 15N. Ta sama metoda pozwala śledzić rolę i obieg mikroelementów w organizmach. W badaniach środowiska naturalnego wykorzystują izotopy promieniotwórcze poprzez dodawanie ich śladowych ilości do emitowanych zanieczyszczeń. Dzięki temu można określić zasięg, rozprzestrzenianie i koncentrację odpadów od danego punktu emisyjnego. Jest możliwe także określanie kierunków przepływu powierzchniowych prądów wodnych, pomiary wód pochodzących z opadów deszczu i śniegu oraz prędkości i szlaki przepływ np. podziemnych rzek i innych ciągów wodnych. Izotopy znajdują także zastosowanie w badaniu wpływu
pestycydów
i
nawozów
na organizmy żywe. Poddając eksperymentalne zwierzęta napromieniowaniu można znacznie zwiększyć ilość mutacji tym samym przyspieszając powstawanie nowych odmian o bardziej korzystnych cechach uprawnych i hodowlanych.
Medycyna
Medycyna nuklearna zajmuje się zastosowaniem izotopów promieniotwórczych w
rozpoznawaniu
i leczeniu chorób (
radioterapia
[]) oraz w badaniach naukowych (np. zastosowanie znaczników radioizotopowych w testach
ELISA
)[]. Zastosowanie diagnostyczne izotopów promieniotwórczych polega na wprowadzeniu substancji promieniotwórczej do tkanek i narządów organizmu, a następnie na rejestrowaniu promieniowania za pomocą detektorów umieszczonych poza badanym obiektem (
scyntygrafia
,
PET
,
SPECT
)[]. Zgromadzenie substancji promieniotwórczej w tkance lub narządzie oraz jej rozmieszczenie pozwalają na wysnucie konkretnych wniosków diagnostycznych.
Obecnie stosuje się około 200 różnych związków znakowanymi izotopami promieniotwórczymi, dobieranych w zależności od tego jaki narząd będzie badany i pod jakim kątem. Wynik badania izotopowego wprawdzie nie może być podstawą do rozpoznania określonej choroby może jednak znacznie proces ten ułatwić dając obraz: stanu nerek lub rozdziału krwi w łożysku naczyniowym.
Szerokie zastosowanie mają izotopy promieniotwórcze w badaniu układu krążenia. Dzięki doskonaleniu metod pomiarowych i wprowadzaniu systemów komputerowych do analizy otrzymanych wyników znaczenie rozszerzyły się wskazania diagnostyczne. Współczesne metody izotopowe pozwalają na badanie ukrwienia mięśnia sercowego oraz ocenę parametrów krążenia.
W badaniu układu kostnego stosuje się związki fosforanowe. Przeprowadzane badania mają na celu wykrycie ognisk nowotworowych w przypadku pierwotnych nowotworów kości oraz przerzutów nowotworowych w celu określenia miejsc ewentualnej resekcji chirurgicznej. Jako źródło promieniowania gamma radioizotopy są stosowane w medycynie do niszczenia
komórek rakowych
. Stosuje się je jako tak zwane bomby naświetleniowe – czyli duże porcje promieniowania skierowane w opanowane przez raka miejsca lub w formie
chemioterapii
radiacyjnej. Podaje się wtedy pacjentowi promieniotwórcze związki mające naturalne powinowactwo do tkanek rakowych. Bardzo dobre efekty daje
molibden
-99 produkujący silnie promieniotwórczy
technet
-99m (99mTc → 99Tc +
kwant γ
,
T½
ok. 6 h).
Izotopowe znaczniki pozwalają śledzić nietypowe, patologiczne szlaki metaboliczne związane ze specyficznymi wadami genetycznymi. Izotopy służą też do szybkiej i pewnej sterylizacji aparatury, rękawiczek, strzykawek, igieł, zestawów opatrunkowych eliminując, zwłaszcza w przypadku tych jednorazowego użytku, konieczność użycia wysokich temperatur. Silne promieniowanie gamma, dla większości
bakterii
i
grzybów
chorobotwórczych i gnilnych jest nawet bardziej zabójcze niż wysoka temperatura.
Zastosowania wg pierwiastka
Przykłady zastosowań izotopów promieniotwórczych:
-
Fosfor
izotop 32P jest stosowany w nauce i technice jako wskaźnik promieniotwórczy i źródło promieni β, w medycynie do diagnostyki nowotworów i znakowania czerwonych ciałek krwi.
-
Kobalt
stosowany w medycynie do leczenia nowotworów, do sterylizacji żywności, narzędzi chirurgicznych i lekarstw (bomba kobaltowa).
-
Pluton
jest paliwem w energetyce jądrowej.
-
Polon
stosuje się w chemii radiacyjnej jako źródło cząstek, zmieszany z berylem jako źródło neutronów.
-
Rad
wykorzystuje się go do celów leczniczych i do celów naukowych.
-
Uran
metaliczny uran o dużej czystości znajduje zastosowanie w reaktorach jądrowych do otrzymywania energii jądrowej.
Zagrożenia
W przypadku dostania się radionuklidów do środowiska naturalnego w wyniku wypadku, bądź zamierzonego działania, mogą wystąpić szkodliwe efekty w wyniku wystąpienia
skażenia promieniotwórczego
, które może wpływać destrukcyjnie na wszystkie formy życia organicznego. Radionuklidy mogą także powodować uszkodzenia sprzętu elektrycznego i elektronicznego. Kontrola radiologiczna monitoruje bieżące możliwości skażenia terenów uprawnych. Wskutek przeprowadzania próbnych wybuchów jądrowych oraz
katastrofy czarnobylskiej
do środowiska przedostają się zwiększone ilości promieniotwórczych związków.
Zobacz też