Zastosowanie izotopów w medycynie

Izotopy pierwiastków spowodowały wielki postęp w dziedzinie medycyny. Najczęściej wykorzystywane są izotopy trytu( ), węgla( C), fosforu( P), jodu( I), oraz siarki( S).
Dzięki odkryciu promieniotwórczości tych izotopów i poznaniu ich własności podjęto walkę z nowotworami.
Wysokie dawki promieniowania używa się w radioterapii. Jest to jeden ze sposobów leczenia raka. Głównie raka: jąder, gruczołów limfatycznych, śledziony, oraz białaczkę. Promieniowanie niszczy wszystkie żyjące komórki, ale komórki nowotworowe szybciej od innych ulegają uszkodzeniu. Jest to związane z większą promienioczułością tkanek chorych. Pod wpływem przenikliwego promieniowania chore komórki ulegają rozpadowi i wolniej przebiega proces ich odnowy. Nie można jednak doprowadzić do zbyt dużego napromieniowania, gdyż może to doprowadzić do rozpadu komórek zdrowych. Patologiczne tkanki naświetla się izotopem kobaltu tak zwanej bomby kobaltowej. Jest to urządzenie używane w telegramoterapii. Służy do napromieniowania promieniem „gama” przy użyciu izotopu kobaltu ( Co). Jest ono bardziej skuteczne, niż promieniowanie rentgenowskie i używa się go w leczeniu nowotworów złośliwych, które są położone głęboko w tkankach.
Oprócz walki z rakiem, izotopy pierwiastków stosuje się w leczeniu chorób tarczycy. Używa się ich w badaniu procesów biochemicznych, oraz w rozrusznikach serca.

Zastosowanie kilku izotopów

Wodór

Pierwiastek ten jest stosowany w bardzo wielu reakcjach syntezy przemysłowej. Przy jego użyciu możemy otrzymać: amoniak, chlorowodór. Jest wykorzystywany także w utwardzaniu olejów roślinnych, podczas syntezy benzyny. Może być do wypełniania balonów. Wodór w palniku tlenowo-wodorowym umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej temperatury (2500°C). Jest transportowany pod zwiększonym ciśnieniem w butlach stalowych. Pierwiastek ten może być wykorzystany w ogniwach paliwowych. Zaopatrywane są w energię w ten sposób statki kosmiczne.

Polon

Stosowany jest chemii radiacyjnej jako bardzo dobre źródło cząstek. Gdy pierwiastek ten zostanie zmieszany z berylem może być źródłem neutronów.

Rad

Pierwiastek ten może być wykorzystywany leczniczych celach leczniczych (jako chlorek, ewentualnie bromek) oraz w celach naukowych.

Tor

Pierwiastek ten stosowany jest w czasie powlekania drutów wolframowych w różnorodnych lampach elektronowych, ale także jako adsorbent gazów w wysokopróżniowych aparatach. Dwutlenek toru może służyć jako katalizator w procesach otrzymywania benzyny.

Uran

Sole uranu charakteryzują się znaczną luminescencję. Mogą spowodować zaczernienie klisz fotograficznych nawet w przypadku, gdy sole uranu przez długi okres czasu przebywały w ciemnościach. Maria Curie-Skłodowska wraz z mężem Piotrem udało się wyodrębnić z uranu związki charakteryzujące się większą promieniotwórczością niż metal. Metaliczny uran jest stosowany w reaktorach jądrowych podczas uzyskiwania energii jądrowej.

Radioaktywność

Radioaktywność inaczej zwana promieniotwórczością, przemianą radioaktywną, rozpadem radioaktywnym, to reakcja samorzutnej przemiany jądra atomowego w inne jądro. Procesowi towarzyszy wysyłanie promieniowania jądrowego.

Promieniotwórczość dzielimy na:

- promieniotwórczość naturalna, która następuje w czasie przemian jądrowych izotopów radioaktywnych występujących w środowisku naturalnym;

- promieniotwórczość sztuczna, która zachodzi w jądrach atomów pierwiastków radioaktywnych otrzymywanych sztucznie. Ma miejsce bombardowanie cząstkami alfa oraz beta jąder stabilnych pierwiastków.

Promieniotwórczość naturalną odkrył H. Becquerel, zaś promieniotwórczość sztuczna odkryła Irena oraz Fryderyk Joliot-Curie.

Przemiana jąder zachodzi samorzutnie i towarzysze jej wysyłanie promieniowania jądrowego alfa, beta lub gamma.

W skład cząstki alfa wchodzą 2 protony oraz 2 neutrony. Przed promieniowaniem alfa można się ochronić cienka kartką papieru.

W skład cząstki beta wchodzi elektron. Gruba deska ochroni nas przed promieniowaniem beta.

Cząstka gamma nie ma jak w przypadku cząstek alfa i beta charakteru masowego, ma charakter tylko falowy. Promieniowanie gamma jest bardzo niebezpieczne dla wszystkich żywych organizmów. Ze względu na falowy charakter jest w stanie przeniknąć przez wiele przedmiotów. Jedynie gruba ściana z ołowiu jest w stanie zatrzymać to promieniowanie.

Warunkiem promieniowania naturalnego jest jądro dużych rozmiarów, gdyż tylko wówczas siły wzajemnego odpychania nukleonów w jądrze są silniejsze od sił przyciągania.

Zastosowanie i występowanie izotopów promieniotwórczych w środowisku naturalnym

Izotopy to jądra atomowe pierwiastka, które różnią się tylko masą atomową. Maja taką samą ilość protonów, ale liczba neutronów jest inna (np. 12C i 14C). Występują zarówno trwałe izotopy jak i radioaktywne (radioizotopy). Część z nich możemy spotkać w środowisku naturalnym. Przeważająca część jednak jest otrzymywana sztucznie w reakcjach jądrowych. Izotopy radioaktywne są na szeroką skalę stosowane. Są wykorzystywane w: medycynie, technice, biologii, chemii oraz fizyce. Dzięki nim możliwa jest walka z nowotworami. Znalazły także zastosowanie w wykrywaniu wadliwych materiałów, pomiarach grubości, archeologii (datowanie izotopowe), metodzie wskaźników izotopowych.

Izotopy możemy podzielić na izotopy naturalne oraz izotopy sztuczne. Izotopy naturalne to w większości izotopy trwałe. Chlor ma 9 izotopów, ale tylko dwa (35Cl oraz 37Cl) to trwałe izotopy, pozostałe ulegają rozpadowi promieniotwórczemu. Izotopy sztucznie uzyskiwane podczas reakcji jądrowych to w większości izotopy promieniotwórcze.

Wyróżniamy następujące naturalne izotopy promieniotwórcze:

- izotopy wodoru (³H i T, czyli tryt, który wysyła słabe promieniowanie, jego okres półrozpadu ma wartość 12,4 lat. Tryt w niewielkich ilościach występuje w przyrodzie)

- izotop węgla (14C);

- izotop potasu (40K);

- izotop rubidu (87Rb);

- izotop indu (115In);

- izotop lantanu (138La);

- izotop neodymu (150Nd);

- izotop samaru (152Sm);

Szereg promieniotwórczy

Szereg promieniotwórczy – szereg nuklidów promieniotwórczychprzekształcających się kolejno jedne w drugie na drodze rozpadów promieniotwórczych. Kolejne produkty rozpadów promieniotwórczych tworzą szereg, który rozpoczyna się izotopem promieniotwórczym o długim okresie półtrwania, a kończy izotopem trwałym (niepromieniotwórczym).

Przemiany jądrowe zachodzące w szeregach to przemiany typu alfa α i beta β^-. W pierwszym przypadku następuje przesunięcie pierwiastka w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo (zmniejszenie liczby atomowej o 2 i liczby masowej o 4), w drugim przypadku o jedno miejsce w prawo (wzrost liczby atomowej o 1 i brak zmiany liczby masowej). Zasady te, wyrażają tzw. prawo przesunięć Soddy'ego i Fajansa z 1913 – mające dziś już tylko charakter historyczny.

Plusy i minusy promieniowania w życiu codziennym

Od lat mówi się o szkodliwości promieniowania. Do walki z promieniowaniem i jego przedmiotami, bronią czy elektrowniami emitującymi promieniowanie są tysiące stowarzyszeń i ekologów.
Na ogół znamy w większości złe strony promieniowanie takie jakie jest emitowane po próbach jądrowych, katastrofach okrętów o napędzie atomowym czy wypadkach
w elektrowniach jądrowych. Broń jądrowa, która wykorzystuje energię wydzielaną podczas reakcji łańcuchowej rozpadu jąder ciężkich (uran 233, 235 pluton 239) w wyniku wybuchu, której powstaje ogromna fala uderzeniowa, o wielkiej sile rażenia i burzenia, wywołująca promieniowanie cieplne tworząca oparzenia i pożary, promieniowanie jonizujące, promieniotwórcze i zostawiająca ogromne spustoszenie i zatrucie terenu budzi od wielu lat ogromne kontrowersje. Po próbach jądrowych teren, na którym odbywały się próby wymiera w niemal stu procentach. Roślinność i zwierzęta wymierają bezpowrotnie. W wyniku katastrofy w elektrowni jądrowej w Czernobylu śmierć poniosło wiele osób skażone zostały większe obszary Ukrainy, Białorusi a także Polski. W wyniku tej katastrofy (1986) dzieci rodziły się z wadami a ludzie umierali w wyniku wielu chorób związanych z napromieniowaniem. Strach budzą także leżące na dnie mórz okręty o napędzie atomowym,
a także rakiety z głowicami jądrowymi, które ponoć leżą na dnie oceanów. Z tych wielu powodów broń atomowa jest nazywana bronią masowej zagłady a nośniki energii tego typu nie jest tolerowany przez większość ludzkości na świecie.

Wpływ promieniowania na ogranizmy żywe

Szczególnym rodzajem promieniowania jest promieniowanie jonizujące, wywołuje ono w obojętnych atomach i cząsteczkach materii zmiany w ładunkach elektrycznych czyli jonizację. Promieniowanie jonizujące może mieć postać promieniowania korpuskularnego (cząstki a, b, neutrony) albo elektromagnetycznego (promieniowanie X, gamma). Promieniowanie jonizujące nie oddziałuje na nasze zmysły.
Przykład jonizacji

Kwant promieniowania gamma przekazuje swoją energię elektronowi. Jeżeli ilość przekazanej energii jest większa niż siła oddziaływań jądro - elektron, następuje oderwanie elektronu od jądra atomu i rozdzielenie ładunków elektrycznych czyli jonizacja

Rodzaje promieniowania jonizującego

Promieniowanie rentgenowskie i gamma odznaczają się dużą przenikliwością i łatwo przenikają np.. Przez ludzkie ciało. Przed tym promieniowaniem chroni duża warstwa ołowiu, betonu lub wody.
Promieniowanie alfa i beta jest znacznie mniej przenikliwe. Promieniowanie alfa, czyli ciężkie i powolne jądra helu łatwo zatrzymać kartką papieru lub dłonią. Promieniowanie beta, czyli szybko poruszające się elektrony przenikają przez 1 - 2 cm warstwę ludzkiego ciała lub wody, ale z łatwością zatrzymuje je kilkumilimetrowa płytka aluminium.
Promieniowanie neutronowe to strumienie cząstek obojętnych o dużej przenikliwości, które pochodzi przede wszystkim z reaktorów. Osłonę przed takim promieniowaniem stanowi woda, parafina, gruba warstwa ołowiu lub ciężkiego betonu.