Najważniejsze zastosowania izotopów promieniotwórczych w medycynie, technice i nauce.

Izotop – (pochodzi od greckiego "izos topos"- jednakowe miejsce/ to samo miejsce ) termin został po raz pierwszy wprowadzony przez brytyjskiego chemika i fizyka Fredericka Soddy¢ego (1877-1956). W 1921 roku otrzymał on Nagrodę Nobla za badania dotyczące izotopów. Natomiast istnienie izotopów zostało potwierdzone w 1913 roku przez brytyjskiego fizyka Josepha Thomsona.

Izotopy są to atomy takiego samego pierwiastka, posiadające taką samą liczbę protonów w jądrze, a różniące się liczbą neutronów. Izotopy mają identyczna liczbę atomową Z, natomiast inne liczby masowe A. Izotopy zajmują to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków. Możemy je podzielić na izotopy naturalne, które występują w przyrodzie, oraz sztuczne, które zostały otrzymane w wyniku reakcji jądrowych. Inny podział uwzględnia izotopy promieniotwórcze (radioizotopy) oraz izotopy trwałe. Największą liczbę (10) trwałych izotopów posiada cyna, Sn, ale są też takie pierwiastki, które nie mają żadnego trwałego izotopu. Są to np. technet, promet oraz pierwiastki, których liczba atomowa Z jest większa od 83. Izotopy tego samego pierwiastka różnią się właściwościami fizycznymi, np. masą, momentami magnetycznymi, rozmiarami. Natomiast posiadają one te same właściwości chemiczne, ponieważ mają identyczne zewnętrzne powłoki elektronowe.

Dany izotop pierwiastka reprezentuje zapis:



gdzie: E - symbol danego pierwiastka chemicznego, lub zapis skrócony ^AE, przykładowo:



W naturze większość pierwiastków chemicznych występuje jako mieszanina wielu swoich izotopów, przy czym proporcje pomiędzy nimi są z dużą dokładnością stałe. Procentowy udział danego izotopu nosi miano względnej częstości występowania izotopu lub abundancji. Wielkość ta jest charakterystyczna dla jednego źródła pochodzenia materii.

Wodór posiada trzy izotopy. Prot, którego jądro składa się z jednego protonu, to prawie cały występujący w naturze wodór, izotop deuter posiada jądro złożone z protonu i neutronu. Jądro trzeciego izotopu, trytu, składa się z jednego protonu i dwóch neutronów.

Promieniowanie - strumień cząstek lub fal wysyłanych przez ciało. Jesteśmy zanurzeni w morzu promieniowania. Atomy, z których składa się cała materia, zbudowane są z jądra otoczonego chmurą elektronów. Jądro zawiera nukleony dwóch rodzajów: protony, obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym oraz neutrony nie mające ładunku. O trwałości jądra decyduje odpowiednia proporcja liczby neutronów do liczby protonów- dla najlżejszych jąder wynosi ona 1:1, dla ciężkich jąder rośnie do około 1,5 : 1. 

Promieniotwórczość jest procesem spontanicznej emisji energii z jąder nietrwałych. Atomy określonego pierwiastka mogą mieć różną liczbę neutronów-mówimy wówczas o izotopach. Spośród znanych nam około 2500 izotopów, zaledwie 10% to izotopy stabilne pozostałe to izotopy promieniotwórcze.

W procesie promieniotwórczego rozpadu jądro wysyła energię w postaci promieni alfa lub beta ( strumień cząstek) albo promieni elektromagnetycznych ( promieni rentgenowskie oraz gamma).

Promienie gamma mają dużą przenikliwość i łatwo przenikają przez ciało ludzkie. Przed tego typu promieniowaniem chroni odpowiedniej grubości warstwa ołowiu, betonu lub wody.
Promienie alfa-ciężkie i powolne jądra helu- łatwo zatrzymać kartką papieru lub dłonią. Promienie beta-szybko poruszające się elektrony-zatrzymuje płytka aluminium.
Promieniowanie neutronowe to strumień neutronów o dużej przenikliwości- głównie pochodzi
z reaktorów. Osłonę przed nim stanowi gruba warstwa ołowiu lub betonu.

Miarą aktywności substancji promieniotwórczej jest bekerel (Bq) Jeden bekerel to aktywność substancji, w której jedna przemiana jądrowa zachodzi w ciągu jednej sekundy.

Miarą ryzyka wystąpienia szkody biologicznej jest dawka promieniowania, którą otrzymują tkanki. Dawkę tę mierzymy w siwertach (Sv).Jedno prześwietlenie klatki piersiowej powoduje otrzymanie dawki promieniowania równej 0,02mSv. Przeciętna dawka napromienienia jaką otrzymuje w ciągu roku statystyczny Polak wynosi około 3,5mSv. Warto wiedzieć, że dodatkowa dawka jaką pochłonął przeciętny Polak w 1991 roku - katastrofa w Czarnobylu - wyniosła około 0,005 mSv.

 W każdej chwili jesteśmy wystawieni na działanie promieniowania jonizującego tzw. promieniowania tła.

 

 

 

Promieniowanie jonizujące stwarza pewne zagrożenie dla zdrowia człowieka. Dlatego stosując i wykorzystując je, należy zachować właściwe środki ostrożności, czyli przestrzegać zasad ochrony radiologicznej. Promieniotwórczość może być także użyteczna. Materiały radioaktywne bywają również naszymi sprzymierzeńcami, na przykład gdy używa się ich do walki z chorobami nowotworowymi. Ilość promieniowania używanego w radioterapii jest ściśle kontrolowana, by nie uszkodzić zdrowych komórek.

Promieniowanie słoneczne może uszkodzić skórę i oczy, gdy są wystawione na nadmierne działanie. Na szczęście atmosfera ziemska chroni nas od najbardziej szkodliwego promieniowania słonecznego jak promienie gamma oraz promienie rentgena. Jednakże promieniowanie podczerwone oraz ultrafioletowe jest obecne w naszym środowisku i to w różnych ilościach. Ilość powyższego promieniowania zależne jest od wielu czynników, takich jak pora dnia, dzień w roku, szerokość geograficzna, wysokość na jakiej się znajdujemy oraz od zdolności odbijania promieni słonecznych przez otaczające nas przedmioty i powierzchnie. Na przykład: Promieniowanie UV zwiększa się o 5 % na 3000m wzrostu wysokości. Energia podczerwona atmosfery ziemskiej składa się z promieniowania fal długich (780 do 1400 [nm] nanometrów)(rys.1).

Ciepło które odczuwamy od promieni słonecznych jest dostarczane przez promieniowanie podczerwone i jest uznawane jako szkodliwe dla skóry oraz oczu podczas nasłoneczniania w normalnych warunkach atmosferycznych. Bardziej szkodliwe dla ludzkiej tkanki są fale krótkie (promieniowanie ultrafioletowe UV). Promieniowanie ultrafioletowe dzieli się na 3 pasma: UVA (400 – 315 [nm]), UVB (315 – 280 [nm]) i UVC (< 280 [nm]). Nadmierne wystawienie tkanki na działanie UVA, UVB i UVC może prowadzić do poparzeń słonecznych, raka skóry i powoduje wystąpienie różnych form zaćmy, (macular degeneration) i innych (eye maladies). American Optometric Association zaleca używanie okularów przeciwsłonecznych które posiadają 99-100% ochrony przeciw promieniowaniu UVA i UVB. Na szczęście UVC, najbardziej szkodliwy rodzaj promieni ultrafioletowych jest pochłaniany przez warstwę ozonową atmosfery ziemskiej zanim dotrą do powierzchni ziemi. Naukowcy twierdzą, że uszkodzenia powłoki ozonowej mogą powodować że zwiększona ilość promieniowania UV dociera do powierzchni ziemi, a 100 % ochrona przeciw promieniom UV jest mądrą decyzja przy wyborze środków ochrony oczu.

Promieniotwórczość

U schyłku XIX wieku fizyk pochodzenia niemieckiego Wilhelm Roentgen dokonał spektakularnego odkrycia nowego rodzaju promieniowania. Promieniowanie przenikliwe, które odkrył sam nazwał promieniowaniem typu X. W dniu dzisiejszym nazwę tę stosujemy zamiennie z określeniem promieniowanie Roentgena. Po tym odkryciu prowadzone były dalsze badania cech tego rodzaju promieniowania. Henri Becquerel, pracując nad teorią promieniowania Roentgena, w 1986 roku odkrył kolejny rodzaj promieniowania, które współcześnie nazywamy promieniowaniem jądrowym. Celem jego eksperymentu było stwierdzenie czy atomy uranu są w stanie wysyłać promienie X pod wpływem światła słonecznego. Położył on przez przypadek bryłkę uranu na papierze fotograficznym, po czym zaobserwował jego zaczerwienienie, bez jakiegokolwiek dostępu światła słonecznego. Nowy rodzaj promieniowania, które emituje uran i jego związki, nazwał promieniowaniem uranowym. W dzisiejszych czasach ten rodzaj promieniowania nazywamy promieniowaniem Becquerela.

Badaniami nowego rodzaju promieniowania zajęło się grono wybitnych umysłów początków zeszłego wieku, z Marią Skłodowską - Curie i Pierrem Curie na czele. Dowiedli oni że promieniowanie przenikliwe Becquerela emituje nie tylko uran ale na przykład tor i inne ciężkie metale. Maria Skłodowska - Curie nazwała tą właściwość niektórych pierwiastków radioaktywnością.

Przeglądając historię fizyki, pierwszą osobą która odkryła, że pierwiastki promieniotwórcze maja wpływ na człowieka był znany nam już Henri Becquerel. Odkrycie to stało się faktem z powodu noszenia przez niego bryłki związku radioaktywnego w specjalnej fiolce w kieszeni swej kamizelki. Okazało się, że skóra pod kieszenią z powodu promieniowania uranu uległa widocznemu zaczerwienieniu. Natychmiast podsunęło to naukowcom pomysł na możliwość stosowania promieniotwórczych substancji w leczeniu złośliwych nowotworów. Podjęte zostały szerokie badania nad wpływem radioaktywnych materiałów na żywe organizmy.

Promieniowanie typu a, b i g

Naukowcy odkryli kilka rodzajów promieniowania przenikliwego, zwanego teraz promieniowaniem a, b i g. Dowiedziono empirycznie, że każde z tych rodzajów promieniowania charakteryzuje odmienny zasięg, możliwość przenikania przez materię i oddziaływanie z pobliskimi polami elektrycznymi i magnetycznymi. Odmienne właściwości promieniowania typu a, b oraz g naukowcy wyjaśnili dopiero gdy poznali ich pochodzenie i samą naturę promieniowania. Uczeni zrozumieli czym jest przemiana jądrowa i że w jej wyniku składy i stany energetyczne jąder zmieniają się, powodując emisję promieniowania jądrowego.

Promieniowanie a charakteryzuje się najmniejszym zasięgiem, który w powietrzu wynosi zaledwie kilka centymetrów. Promieniowanie tego typu jest zatrzymywane zaledwie przez kartkę papieru. Pod wpływem pola elektrycznego odchyla się w stronę ujemnego bieguna.

Promieniowanie b potrafi przeniknąć przez cienką kartkę papieru, ale trochę grubsza warstwa materiału, jak milimetrowej grubości blacha aluminiowa skutecznie blokuje to promieniowanie. Pod wpływem pola elektrycznego i magnetycznego odchyla się w stronę dodatniego bieguna.

Promieniowanie g posiada największy zasięg, potrafi przeniknąć przez blachy aluminiowe, zatrzymuje je dopiero gruba warstwa ołowiu. Pole elektromagnetyczne jest dla tego promieniowania obojętne.

Promieniowanie neutronowe

36 lat minęło od odkrycia naturalnej promieniotwórczości, kiedy fizyk pochodzenia angielskiego - Chadwick odkrył istnienie promieniowania neutronowego. Jego wyróżniającą się cechą jest możliwość przenikania przez ołowiane osłony o znacznych grubościach. Aby uchronić się przed jego wpływem, zwykło się stosować materiały, w których składzie występują pochłaniające neutrony jądra. Stosuje się w tym celu na przykład pierwiastek Cd lub specjalne odmiany betonu, w których składzie można znaleźć sole Ba - jest to tak zwany baryto - beton. Również parafina a nawet zwykła woda zapewniają dobrą ochronę przed tego typu promieniowaniem. Naturalne występowanie promieniowania neutronowego należy do rzadkości, stanowi ono bowiem składnik promieniowania kosmicznego. Promieniowanie neutronowe powstaje również, chociaż niezmiernie rzadko, podczas rozpadu jądra uranu.

Promieniowanie to otrzymujemy w laboratorium poprzez bombardowanie jąder lekkich pierwiastków cząstkami a. Nowe jądro, teraz wzbogacone o dwa dodatkowe protony i dwa neutrony, stara się przywrócić równowagę energetyczną poprzez emisję neutronu.

Promieniowanie kosmiczne

Promieniowanie kosmiczne jest promieniowaniem docierającym z kosmosu, jesteśmy więc ciągle wystawieni na jego działanie. Promieniowanie to składa się w głównej mierze z protonów, jąder lekkich pierwiastków oraz cząstek a. Źródłem tego typu cząstek są najczęściej wybuchy gwiazd supernowych oraz nasze Słońce. Zwykle cząstki promieniowania kosmicznego zanim dotrą na Ziemię wędrują przez tysiące a nawet miliony lat w pustce kosmosu. Kiedy stykają się z ziemską atmosferą, dochodzi do powstania nowych cząstek, takich jak nukleony, które podróżują dalej reagując z kolejnymi atomami, na które składa się atmosfera. Promieniowanie kosmiczne zdecydowanie różni się od tego występującego u nas na Ziemi. Natężenie tego promieniowania zależy od wysokości. Im niżej schodzimy tym natężenie tego promieniowania jest mniejsze, aż do momentu gdy przy powierzchni morza osiąga natężenie jednej cząstki na cm² w ciągu minuty.

Połowiczny rozpad

Czas połowicznego rozpadu jest charakterystyczną cechą wszystkich izotopów promieniotwórczych. Czas ten określa czas istnienia danego izotopu, jest to bowiem czas w którym 50% promieniotwórczej substancji podlega rozpadowi.

Naturalna promieniotwórczość

Spośród wszystkich substancji promieniotwórczych większość z nich można znaleźć w otaczającym nas środowisku. Istnieją nawet promieniotwórcze pierwiastki, które w śladowych ilościach są niezbędne do prawidłowego działania naszych organizmów. Pierwiastki te trafiają do nas głównie przez rośliny, które pobierają je z gleby.

Uran

Na uran występujący w przyrodzie składają się trzy promieniotwórcze izotopy o równych liczbach masowych ²³⁴U, ²³⁵U i ²³⁸U. Czas połowicznego rozpadu uranu ²³⁸U wynosi aż 4,5 miliarda lat, czas połowicznego rozpadu uranu ²³⁵U wynosi 713 milionów lat, natomiast czas połowicznego rozpadu uranu ²³⁴U wynosi 248 tysięcy lat. Jak widać skład jądra atomowego, a dokładniej stosunek liczby protonów do liczby neutronów, wpływa na różną wartość czasu połowicznego rozpadu pierwiastka. Niemal każdy promieniotwórczy izotop, który występuje w skorupie ziemskiej, to izotop pierwiastka ciężkiego którego liczba masowa jest większa od 210. Większość lżejszych izotopów promieniotwórczych pochodzi z rozpadu uranu, bądź toru. Rozpad pierwiastków zachodzi na skutek całego łańcucha promieniotwórczych przemian a i b, które prowadzą do otrzymania trwałego izotopu ołowiu.

Historia Polonu oraz Radu

Maria Skłodowska - Curie badając promieniowanie uranowe, odkryte kilka lat wcześniej przez Becquerela, doszła do wniosku iż istnieją próbki uranu wykazujące wysoką aktywność promieniotwórczą. Jej zdaniem oprócz samego uranu, musiał w badanej rudzie znajdować się inny pierwiastek cechujący się bardzo dużą promieniotwórczością. Na jej badania rząd austriacki przeznaczył tonę rudy. Współpracując ze swoim mężem Pierrem Curie wyodrębniła dwa nieznane w tamtych czasach pierwiastki. Zostały one przez nią nazwane Pollonem, czym oddała cześć swojej nękanej pod zaborami ojczyźnie, oraz Radem, którego nazwa wzięła się od wysokiej promieniotwórczości tego pierwiastka.

Rad

Rad znalazł zastosowanie w niszczeniu komórek nowotworowych. Zaczęto go stosować w Polsce od roku 1932, wtedy bowiem Maria Skłodowska - Curie ofiarowała swojej ojczyźnie jeden gram radu. W Warszawie, przy ulicy Wawelskiej rozpoczął swą działalność Instytut Radowy, zwany obecnie Instytutem Onkologii. Są w nim leczone przypadki chorób nowotworowych.

Radon

Jednym z elementów powstających przy rozpadzie uranu albo toru jest Radon. Pierwiastek ten, gdy jest wdychany do płuc może spowodować groźne nowotwory i schorzenia. Jesteśmy skazani na obecność tego pierwiastka w naszym życiu, gdyż występuje w wielu minerałach, wodzie oraz gazie ziemnym. W przypadku stwierdzenia ryzyka zwiększonej obecności radonu w otoczeniu, należy podjąć specjalne środki mające na celu dbanie o prawidłowe stężenie tego pierwiastka. Najprostszym sposobem jest częste wietrzenie pomieszczeń i dobra wentylacja powietrza.

Polon

Nałogowi palacze powinni mieć świadomość, że w dymie z papierosów, występuje wysokie stężenie tego pierwiastka. Produktem rozpadu niebezpiecznego radonu jest polon, który będąc wchłanianym przez rośliny tytoniu, jest następnie wdychany przez palacza. Polon osadza się w płucach i w jamie ustnej, przez co stanowi przyczynę występowania nowotworów i chorób tych narządów.

Potas - 40

W dosyć małym stężeniu w skorupie ziemskiej można znaleźć radioaktywny potas - 40. Pomimo niewielkiego stężenia (wynosi ono zaledwie 0,0118%) potas - 40 jest rozpowszechnionym izotopem.

Węgiel 14

¹⁴C znalazł szerokie zastosowanie przy badaniu biologicznych i chemicznych procesów. Związek organiczny, który chcemy przebadać pod kątem udziału w jakimś procesie, znakujemy izotopem ¹⁴C, a następnie śledzimy jego drogę poprzez odpowiednią analizę zawartości tego izotopu posiadanych przez produkty reakcji chemicznej. Podobnie możemy badać prawidłowość funkcji życiowych organizmów przez mierzenie aktywności ¹⁴C w interesujących nas narządach czy wydzielinach.

Zegar archeologiczny

Popularny w nauce izotop węgla - 14 możemy wykorzystać do pomiaru wieku badanego obiektu archeologicznego. Czas rozpadu połowy pierwiastków ¹⁴C wynosi około 5730lat. Wraz ze zwykłymi atomami węgla niepromieniotwórczego, pod postacią dwutlenku węgla ulega on asymilacji przez rośliny. Wraz z mięsem zwierzęcym a także prosto od samych roślin przedostaje się do naszych organizmów. Stężenie tego izotopu jest stałe w organizmach żywych. Po śmierci ¹⁴C nie jest uzupełniany, a co za tym idzie rozpada się powoli zmniejszając swoje stężenie. Znając pierwotne stężenie węgla ¹⁴C w badanym organizmie, przy oczywistej znajomości czasu jego rozpadu połowicznego, możemy określić dość dokładnie wiek badanego obiektu organicznego pochodzenia. Właśnie dzięki temu ¹⁴C jest nazywany zegarem archeologicznym.

Pomiar promieniowania

Intensywność promieniowania, znana również pod nazwą aktywności promieniotwórczej, jest podstawową cechą substancji promieniotwórczych. Jako wzorzec aktywności promieniotwórczej przyjęto aktywność przejawianą przez jeden gram radu. W jednym gramie radu w ciągu jednej sekundy ma miejsce 3,7*10¹⁰ rozpadów promieniotwórczych, co stanowi jednostkę jednego kiura 1Ci. Jednostką stosowaną obecnie jest bekerel. Pojedynczemu rozpadowi na sekundę odpowiada 1Bq.

Okoliczności odkrycia sztucznej promieniotwórczości

Po upływie czterdziestu lat od odkrycia zjawiska naturalnej promieniotwórczości przez Marię Skłodowską - Curie, jej córka Irena Joliot - Curie współpracując ze swoim mężem Fredericiem Joliot, zaobserwowała, że jest możliwe otrzymywanie sztucznych pierwiastków promieniotwórczych w laboratorium. Odkrycie ujawniło, że jądra pewnych pierwiastków, na skutek oświetlenia ich promieniowaniem a wykazują tendencję do przekształcania się w inne, zazwyczaj nietrwałe izotopy, które ulegają dalszym rozpadom promieniotwórczym. Najwcześniej sztucznie otrzymanym pierwiastkiem promieniotwórczym był izotop azotu ¹³N, który powstawał po naświetleniu boru ¹⁰B cząstkami a. Irena wraz ze swoim mężem otrzymali za to odkrycie w roku 1935 nagrodę Nobla.

Transuranowce

Wszystkie pierwiastki otrzymywane sztucznymi metodami, o liczbie atomowej przewyższającej liczbę atomową uranu nazywamy transuranowcami. Okres połowicznego zaniku nowo otrzymanych pierwiastków wynosi ułamki sekund, a to za sprawą ich nietrwałości. Od czasu odkrycia przez Irenę Joliot - Curie i jej męża Frederica Joliot sztucznej promieniotwórczości, uczeni zdołali wytworzyć i sklasyfikować ponad tysiąc izotopów promieniotwórczych różnych znanych pierwiastków. Po dzień dzisiejszy niektóre z nich mają szerokie zastosowanie w medycynie i w przemyśle. Zazwyczaj otrzymuje je się przez napromieniowywanie izotopów określonych pierwiastków wiązkami neutronów. Pewna ilość sztucznych izotopów wydziela się w wypalonym paliwie uranowym z reaktorów jądrowych.

Technet

Jest to pierwiastek o liczbie atomowej mniejszej od liczby atomowej uranu nie występujący w przyrodzie, nie posiada żadnego trwałego izotopu. Posiada niewielką ilość nietrwałych izotopów promieniotwórczych, o różniących się od siebie czasach połowicznego zaniku. Zgodnie z tablicą Mendelejewa pierwiastek ten należy do grupy manganowców, w której skład oprócz niego wchodzą jeszcze mangan i ren. Aby otrzymać technet należy napromieniować neutronami ⁹⁸Mo w reaktorze jądrowym. Czas połowicznego rozpadu takiego pierwiastka wynosi sześć godzin. Technet jest interesujący ze względu na swoje zastosowanie w medycynie. Lekarze stosują go w scyntygrafii wątroby, serca, nerek, mózgu, kości. Scyntygrafia polega na wprowadzeniu odpowiedniego związku oznakowanego wcześniej technetem - 99 związku do organizmu ludzkiego. Następnie mierzy się promieniowanie wysyłane przez tkanki, które zakumulowały nasz pierwiastek. Zależnie od tego, który narząd chcemy badać, dobieramy takie związki chemiczne, które będą najłatwiej wchłaniane przez badany organ.

Izotopy jodu

Do izotopów promieniotwórczych jodu należą: ¹²⁵I, ¹³¹I oraz ¹³²I. Wszystkie one mają doniosłe zastosowanie w leczeniu chorób tarczycy, a także przy diagnostyce. Tarczyca jak wiadomo posiada dużą chłonność izotopów jodu, na bazie których produkuje ona ważne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu hormony. Często mamy do czynienia z leczniczymi wyjazdami nad morze, właśnie z powodu leczniczego działania jodu, którego jest sporo w rześkim, morskim powietrzu. Osoby cierpiące na schorzenia tarczycy najczęściej żyją z dala od morza.

Kobalt - 60

Izotop kobaltu - 60 pełni ważną rolę w medycynie i w technice. Możemy go otrzymać jedynie w laboratorium, nie występuje naturalnie w przyrodzie. Charakterystycznym dla tego izotopu jest wysokoenergetyczne promieniowanie g. Jest wykorzystywany przy napromieniowywaniu komórek nowotworowych. Termin bomba kobaltowa wziął swoją nazwę od urządzenia wykorzystywanego do walki z nowotworami, obudowanego bardzo grubą warstwą ołowiu. Bombę kobaltową można stosować także aby zapewnić sterylność żywności.

Tal - 204

Izotop Talu - 204 jest wykorzystywany przy pomiarach grubości papieru, już w czasie jego produkcji. Pod taśmą z przesuwanym powoli papierem umieszcza się źródło ²⁰⁴Tl. Promieniowanie tego źródła rejestruje sonda. Każda zmiana grubości przesuwanego papieru implikuje zmianę natężenia promieniowania.

Cez - 137, iryd - 192

Promieniowanie g izotopów irydu - 192 oraz Cezu - 137 wykorzystywane jest przy pomiarach grubości materiałów, a także w diagnostyce stanu technicznego urządzeń i w defektoskopii (wykrywaniu wad materiałowych).

Ameryk - 241

Izotop ten jest szeroko wykorzystywanym emiterem promieniowania a. Jest on umieszczany w czujnikach dymów, montowanych w systemach alarmujących o niebezpieczeństwie pożaru.

Maria Skłodowska-Curie

Maria Skłodowska - Curie, jedna z najwybitniejszych, a zarazem najsławniejszych Polek urodziła się w Warszawie, w roku 1967. Wyszła za mąż za Piotra Curie. Była wybitnym chemikiem oraz fizykiem. Świat nauki zapamiętał ją jako pionierkę odkrywającą tajemnice promieniotwórczości. Była kontynuatorką badań Henriego Becquerela dotyczących promieniotwórczości sól uranu. Na podstawie swoich prac w tej dziedzinie wysunęła hipotezę o atomowej naturze promieniotwórczości. Jej rozprawa nosiła tytuł "O promieniowaniu wysyłanym przez wiązki uranu i toru", opublikowana została w 1986 roku. Badając promieniotwórcze materiały domieszkowane uranem i torem doszła do zaskakującego wniosku, że kilka z nich wykazuje znacznie większą promieniotwórczość, niż mogłoby wynikać z zawartości toru i uranu w ich wnętrzu. Wespół ze swoim mężem Piotrem Curie wysunęła hipotezę, iż badane materiały promieniotwórcze muszą zawierać znacznie silniejsze niż znane w tamtych czasach promieniotwórcze pierwiastki. Kontynuując swe badania odkryła w roku 1898 rad i polon, za włożony trud i wkład do ówczesnej nauki małżeństwo Curie otrzymało w roku 1903 nagrodę Nobla z dziedziny fizyki. W 1911 Roku Maria otrzymała kolejną nagrodę Nobla, tym razem z dziedziny chemii, w nagrodę za swoje osiągnięcia w badaniu właściwości chemicznych i fizycznych radu i polonu, a także za prace odnoszące się do oczyszczania, wyodrębniania oraz pomiaru aktywności promieniotwórczych pierwiastków. Jej prace zostały w pełni docenione jeszcze za jej życia, dowodem tego, oprócz dwóch nagród Nobla, było stanowisko kierowniczki laboratorium sorbońskiego uniwersytetu, otrzymane w 1904 r. Po śmierci swojego męża w roku 1906 roku objęła stanowisko kierownika katedry wspomnianego uniwersytetu. Powołała w Paryżu do życia Instytut Radowy. Była również zaangażowana w otwarcie, powstającej jako część Warszawskiego Towarzystwa Naukowego, Pracowni Radiologicznej w 1912 roku. Maria Skłodowska - Curie zmarła czwartego lipca 1934 roku w sanatorium położonym w Alpach Sabaudzkich. Cierpiała na białaczkę.

Wpływ promieniowania jądrowego na organizmy żywe

Stykanie się organizmu w niekontrolowany sposób z promieniotwórczymi izotopami może być bardzo niebezpieczne. Można wyróżnić kilka podstawowych przejawów szkodliwego oddziaływania na materię ożywioną:

• Oddziaływanie poprzez poddanie żywej tkanki wystawieniu na promieniowanie jądrowe, dzielimy ten rodzaj ze względu rodzaj napromieniowania: neutronowego lub jonizującego.

• Oddziaływanie poprzez skażenie organizmu promieniotwórczymi izotopami, które znalazły się w zewnętrznym kontakcie lub dostały się w określony sposób do wnętrza danego organizmu.

Promieniowanie jonizujące

Wyszczególnione wcześniej rodzaje promieniowania a, b oraz g, a także promieniowanie X są znane pod wspólną nazwą promieniowania jonizującego. Nazwa ta wynika z właściwości promieniowania, wytwarzających jony dzięki oddaniu swojej energii. Te proste jony mogą być bardzo szkodliwe dla organizmów żywych.

Mutacje

Wytwarzanie wolnych rodników wraz z jonizacją może być przyczyną zmian w strukturach genetycznych. Prowadzi to do mutacji to znaczy zaburzeń i zmian cyklu genetycznego. Efektem wymienionych czynników jest wysokie prawdopodobieństwo spotkania wśród napromieniowanych zwierząt lub roślin znacznie różniących się od swoich organizmów macierzystych mutantów. Reportaże opisują zwiększoną statystykę rodzenia dzieci z wadami wrodzonymi, na terenach poddanych działaniu promieniowania jonizującego. Szczególnie ma to miejsce w okolicach elektrowni jądrowych, próbnych wybuchów jądrowych itd.

Inne zagrożenia

W następstwie wystawiania organizmu żywego na promieniowanie jonizujące, może dojść do powstania nowotworu. Znanymi schorzeniami są nowotwór krwi, czyli białaczka, a także katarakta, która będąc nieleczoną wywołuje z czasem trwałą ślepotę.

Dawka promieniowania

Poddania napromieniowaniu różnych organizmów taką samą dawką może powodować różne zmiany. Główną rolę podczas napromieniowywania pełni czas, w trakcie którego organizm pochłania ustaloną dawkę promieniowania. Na przykład promieniowanie, które zapewnia zgon 50% populacji w przeciągu 30 dni licząc od daty napromieniowania, znacznie różni się w zależności od badanego osobnika. Taka dawka jest nazywana dawką śmiertelną (letalną), jej symbol to LD_50/30. Dawki te wyraża się w siwertach. 1 siwert to 100 remów, a 1rem to 10milisiwertów. Dawka śmiertelna dla człowieka kształtuje się w granicach od trzech do czterech siwertów. Osoby, które stykają się zawodowo z promieniotwórczymi materiałami, nie mogą, pod groźbą utraty zdrowia, otrzymywać większej ilości promieniowania niż 5 remów na rok. Jedno prześwietlenie rentgenowskie, wiąże się z dawką jednego rema.

Choroba popromienna

Po otrzymaniu dawki śmiertelnej, bariera immunologiczna znacznie się obniża. Występująca później choroba popromienna charakteryzuje się tendencją do biegunek i nudności u chorej osoby. Powoduje to odwodnienie całego organizmu i zaburza równowagę elektrolitową, prowadząc do śmierci chorego. Dawki wyższe niż 100 siwertów powodują śmierć już w kilka godzin od czasu napromieniowania, głównie wskutek porażenia i paraliżu układu nerwowego.

Skażenia wewnętrzne

Skażenia wewnętrzne stanowią szczególny rodzaj zagrożenia dla człowieka. Promieniotwórcze izotopy, choćby emitujące bardzo słabe promieniowanie typu b, lub mało zasięgowe promieniowanie typu a, stają się bardzo groźne po dostaniu się do wnętrza organizmu. Przykład stanowi jeden z izotopów wodoru, jakim jest tryt. Słabe promieniowanie typu b trytu ma zasięg jedynie paru centymetrów. Gdy tryt dostanie się do organizmu, natychmiast asymiluje się z komórkami jak zwykły wodór i bombarduje swoim kilkucentymetrowym promieniowaniem znajdujące się obok niego składniki komórek. Powoduje to poważną zmianę ich struktury a także zakłóca prawidłowe funkcjonowanie organizmu.

Metabolizm

Jednym z pierwiastków promieniotwórczych pochodzących prosto z promieniotwórczych odpadów jest izotop stront - 90. Jest to izotop bardzo niebezpieczny dla człowieka, wbudowuje się bowiem w tkankę kostną. Stanowi to jedną z przyczyn nowotworów, a w szczególności białaczki. Stront - 90 dostaje się do organizmu człowieka na przykład wraz z krowim mlekiem, jeśli zwierzęta te pasiono na skażonych pyłem promieniotwórczym pastwiskach. Porównywalnie jak stront - 90 zachowuje się cez - 137, z ta różnicą, że zazwyczaj wbudowuje się w tkanki mięśniowe. Szkodliwość działania izotopów promieniotwórczych jest tym większa, im dłuższy czas od momentu skażenia do chwili wydalenia przez organizm. Ten przedział czasowy ściśle wiąże się z tempem metabolizmu człowieka. Podsumowując, czas w jakim promieniotwórczy pierwiastek przebywa w ludzkim organizmie zależy nie tylko od rodzaju związania go z komórkami macierzystymi, ale również od czasu zaniku połowicznego.

Pierwiastki promieniotwórcze i ich toksyczność

Szkodliwy wpływ na organizm ludzki pierwiastków promieniotwórczych jest związany również z ich właściwościami chemicznymi, głównie chodzi o to, że są to w przeważającej części metale ciężkie. U osób (na przykład górnicy) stykających się z pyłem pierwiastków pochodzących ze swoich naturalnych promieniotwórczych szeregów toru i uranu schorzenia układu krwionośnego, schorzenia nerek, czy nowotwory płuc występują znacznie częściej.

IZOTOPY PROMIENIOTWÓRCZE

Nietrwałe izotopy ulegające samorzutnym przemianom jąder. Izotopy dzielimy na: izotopy naturalne i izotopy sztuczne. Większość izotopów naturalnych jest izotopami trwałymi (są to izotopy naturalne lub sztuczne, których jądra nie ulegają samorzutnej przemianie promieniotwórczej), a tylko niektóre ulegają przemianom promieniotwórczym. Na przykład chlor ma 9 izotopów, z których tylko 2 (35Cl i 37Cl) są trwałe, natomiast pozostałe ulegają promieniotwórczemu rozpadowi.
Większość izotopów sztucznych uzyskiwanych w reakcjach jądrowych jest izotopami promieniotwórczymi.

Wśród izotopów promieniotwórczych rozróżniamy:

1. NATURALNE izotopy promieniotwórcze: wodoru (radiowodór 3H lub T, czyli tryt izotop promieniotwórczy wodoru wysyłający słabe promieniowanie , okres połowicznego rozpadu 12,4 lat. Tryt występuje w małych ilościach w przyrodzie, powstaje pod wpływem działania promieniowania kosmicznego na azot. Obecnie pojawia się w atmosferze w zwiększonych ilościach w wyniku wybuchów termojądrowych), węgla (radiowęgiel 14C), potasu (40K), rubidu (87Rb), indu (115In), lantanu (138La), neodymu (150Nd), samaru (152Sm), lutetu (176Lu), renu (187Re), platyny (190Pt), polonu (210Po), astatu (215At, 216At, 218At), radonu (222Rn), fransu (223Fr), radu (226Ra), aktynu (227Ac), toru (232Th), protaktynu (231Pa - okres połowicznego rozpadu tego izotopu wynosi 34 000 lat), uranu (234U, 235U, 238U).


2. SZTUCZNE izotopy promieniotwórcze: wodoru (3H), węgla (14C), sodu (24Na), krzemu (31Si), fosforu (32P), siarki (35S), potasu (42K), wapnia (45Ca), żelaza (59Fe), kobaltu (60Co), miedzi (64Cu), galu (72Ga), arsenu (76As), kryptonu (85Kr), strontu (90Sr - produkt rozszczepienia jąder uranu i plutonu wysyłający promieniowanie z okresem połowicznego rozpadu 28 lat), niobu (94Nb), srebra (110Ag), indu (116In), antymonu (124Sb), jodu (131J), ksenonu (133Xe), cezu (137Cs - sztuczny izotop promieniotwórczy, produkt rozszczepienia jąder uranu i plutonu), irydu (192Ir), platyny (197Pt), złota (198Au), talu (204Tl), polonu (210Po), plutonu (238Pu).
Ze względu na pochodzenie izotopy promieniotwórcze dzieli się na trzy kategorie:

1) pierwotne izotopy promieniotwórcze, posiadające czasy połowicznego zaniku (T1/2) powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię (nukleogeneza) i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść - najbardziej istotnymi (tj. najbardziej rozpowszechnionymi i mającymi znaczący udział w dawce od tła naturalnego) izotopami w tej klasie są: 40K (1,28 mld lat), 238U (4,5 mld lat), 232Th (14 mld lat), mniej istotne to 235U (0,71 mld lat), 87Rb (48 mld lat) oraz alfa promieniotwórcze pierwiastki ziem rzadkich, np. 147Sm (105 mld lat), a także kilkanaście in.
2) wtórne izotopy promieniotwórcze, które pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów należących do kategorii pierwszej (szeregi promieniotwórcze) - łącznie jest to grupa ponad trzydziestu izotopów, wśród nich najistotniejsze są izotopy radu: 226Ra i 228Ra, radonu: 222Rn i 220Rn, polonu: 210Po, i ołowiu: 210Pb.
3) kosmogenne pierwiastki promieniotwórcze, czyli grupa ponad dziesięciu izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, w reakcjach jądrowych (tzw. reakcje spalacji) wywołanych przez protony promieniowania kosmicznego - najbardziej istotne wśród nich to: 14C (5,7 tys. lat), 7Be (54 dni), 10Be (1,7 mln lat), 3H (12 lat), mniej istotne to wybrane izotopy siarki, chloru, fosforu, aluminium.

		Zastosowanie izotopów promieniotwórczych Pierwiastek Izotop Wykorzystywane promieniowanie Czas półrozpadu (T1/2) Zastosowanie Ameryk ^241Am α (alfa) 432,7 lat czujniki dymu (instalacje przeciwpożarowe) Cez ^137Cs γ (gamma) 30 lat radiografia przemysłowa, bomba cezowa, pomiary grubości Fosfor ^32P β (beta) 14,3 dnia medycyna: leczenie białaczki Iryd ^192Ir γ (gamma) 73,8 lat radiografia przemysłowa Jod ^131I γ (gamma) 8 dni medycyna: leczenie tarczycy Kobalt ^60Co γ (gamma) 5,26 lat medycyna: terapia przeciwrakowa (bomba kobaltowa), radiografia przemysłowa, urządzenia radiacyjne, waga izotopowa, sprzęt do pomiaru grubości i poziomu cieczy w zbiornikach. Pluton ^238Pu α (alfa) 87,7 lat stymulatory serca (źródło energii), czujniki dymu Pluton ^239Pu α (alfa) 2,4 * 10^4 lat czujniki dymu Rad ^226Ra γ (gamma) 1600 lat aplikatory radowe Rubid ^87Rb β (beta) 5 * 10^10 lat datowanie promieniotwórcze Siarka ^35S β (beta) 87,32 dnia atom znaczony, głównie w badaniu związków organicznych Tal ^204Tl β (beta) 3,8 lat sprzęt do pomiaru grubości Węgiel ^14C β (beta) 5570 lat określanie wieku wykopalisk (zabytków, etc.), badanie mechanizmów złożonych reakcji (atom znaczony) Wodór ^3H β (beta) 12,46 lat farby świecące, badanie mechanizmów reakcji (atom znaczony)

Bomba kobaltowa to urządzenie do napromieniowywania przedmiotów lub organizmów żywych promieniami gamma (γ) o energiach 1,17 i 1,33MeV emitowanymi przez izotop kobaltu 60Co o aktywności rzędu 1013–1014 Bq. Ze względu na dużą przenikliwość promieniowania gamma, aktywny kobalt jest otoczony grubą osłoną biologiczną (warstwą ołowiu), w której znajdują się kanały wyprowadzające na zewnątrz wiązkę promieniowania. Bomba kobaltowa może też być wyposażona w mechanizm umożliwiający zdalną manipulację próbkami bez narażania operatora na promieniowanie. Bomba kobaltowa jest stosowana w lecznictwie do zwalczania chorób nowotworowych, w defektoskopii, do sterylizacji żywności oraz w chemii radiacyjnej do badań procesów fizykochemicznych zachodzących podczas napromieniowywania wysokoenergetycznymi kwantami gamma prostych i złożonych układów chemicznych.