Izotopy

Rozwój badań nad promieniotwórczością przyczynił się do odkrycia nowego zjawiska. Atomy trzech różnych pierwiastków: uranu, aktynu i toru samorzutnie rozpadają się tworząc nowe, lżejsze atomy innych promieniotwórczych pierwiastków. Ostatecznym produktem rozpadu jąder wszystkich trzech promieniotwórczych pierwiastków jest ołów, którego liczba masowa, w zależności od pierwiastka wyjściowego, wynosi 206, 207 lub 208, a liczba atomowa w każdym z trzech przypadków równa jest 82. Identyczna liczba atomowa, a różna masowa wykazują, iż ten sam pierwiastek może składać się z atomów o różnej liczbie neutronów w jądrze, takie odmiany pierwiastków nazywamy izotopami. W toku dalszych badań stwierdzono, że nie tylko ołów, ale również inne pierwiastki stanowią mieszaninę izotopów. Badania wykazały także że większość pierwiastków występuje w postaci mieszanin o stałym składzie izotopowym. Masa atomowa danego pierwiastka jest średnią masą atomową wynikającą z procentowej zawartości izotopów, co sprawia, że masy atomowe pierwiastków są liczbami ułamkowymi.

Niektóre izotopy wykazują wyjątkowe właściwości, a obecnie wielostronne zastosowanie mają promieniotwórcze izotopy niektórych pierwiastków, oto przykłady:

Wodór: oprócz najbardziej rozpowszechnionego izotopu wodoru 1H (prot), istnieją jeszcze dwa (które z powodu bardzo dużej różnicy masy otrzymały oddzielne nazwy) 2H (deuter) i 3H (tryt). Każdy wie że wodór występuje w związku potocznie zwanym wodą, ale jeśli w wodzie zamiast mieszaniny izotopów znalazły by się tylko atomy deuteru i trytu substancje taką nazywamy wodą ciężką. Ta woda spożywana nie ugasiła by nam pragnienia, a dłuższe jej spożywanie spowodowało by wycieńczenie organizmu, poza tym woda ta odkłada się w komórkach i powoduje powolne wyniszczenie organizmu. Wykazano także że gdyby spożywać tylko wodę lekką, opóźniło by to starzenie.

Węgiel: izotopów węgla odkryto aż 12, co jest bardzo dużą ilością jak na pierwiastek o tak małej masie atomowej. Jednak z tych izotopów trwałe są tylko dwa. Skład procentowy izotopów węgla wynosi 98,892% 12C i 1,108% 13C. Pierwszy z nich uzyskał wielką sławę za sprawy że jednostkę mas atomowych u stanowi 1/12 masy tego izotopu (1/12m C= 1u). Poza tym węgiel wykazuje ciekawą właściwość tworzenia związków w których węgle mogą łączyć się ze sobą w długie łańcuchy, dzięki temu w naturze występuje niezliczona ilość typów związków tego pierwiastka (chemia organiczna). Innym słynnym izotopem węgla jest 14C. Pomaga on archeologom określić wiek okazów. Organizmach jest on gromadzony w większym stosunku (w odpowiednio większej ilości), po śmierci kończy się jego gromadzenie, a fakt że jest on promieniotwórczy powoduje że z czasem zmniejsza się jego ilość w szczątkach.

Potas: naturalny promieniotwórczy izotop potasu 40K jest stosowany w badaniach chemicznych i biologicznych, stosowany także w geochronologii (ustalenie wieku skał lub procesów geologicznych).

Gal: promieniotwórczy izotop 72Ga stosuje się do scyntygraficznego diagnozowania nowotworów układu limfatycznego.

Kobalt: tworzy tylko jeden trwały izotop, ale sztucznie jest otrzymywany izotop 60Co (o czasie półtrwania 5,27 lat). Jest on stosowany jako źródło promieni γ w zwalczaniu nowotworów i defektoskopii (urządzenie do jego przechowywania i osłaniania nazywa się „bombą kobaltową)

Krypton: jeden z radioaktywnych izotopów- 85Kr jest wykorzystywany w badaniach warstwy powierzchniowej ciał stałych.

Rubid: izotop 87Rb jest stosowany w geochronologii, czyli określaniu wieku wykopalisk, skał i procesów geologicznych.

Stront: izotop 90Sr jest wykorzystywany w nietermicznych zasilaczach izotopowych (urządzenie jądrowe służące wytwarzaniu energii elektrycznej, nie będące jednak reaktorem jądrowym. Energia elektryczna pochodzi wprost z ładunków emitowanych w rozpadach cząsteczek.)

Jod: niezastąpionym izotopem jodu jest 131I. Stosuje się go do badań diagnostycznych gruczołu tarczowego. Stopień wychwytywania przez tkanki gruczołu tarczowego tego izotopu jest wskaźnikiem metabolizmu jodowego tego gruczołu, a tym samym jego aktywności hormonalnej.

Cez: promieniotwórczy izotop 137Cs jest używany jako źródło promieniowania γ w medycynie i defektoskopii.

Prazeodym: izotop 147Pr wykorzystuje się w tych samych celach co 90Sr

Promet: izotop 147Pm (otrzymywany ze zużytego paliwa jądrowego z reaktorów) jest stosowany w grubościomierzach izotopowych i specjalnych bateriach, oraz w ogniwach elektrycznych zawierających układy luminoformowe.

Tor: izotop 232Th jest wykorzystywany jako paliwo w tzw. reaktorach powielających do otrzymywania 233U (materiał rozszczepialny).

Uran: Jest on najwyższym pierwiastkiem naturalnym występującym w przyrodzie. Najtrwalszym jego izotopem jest 238U, zwykle wzbogacony w izotop 235U, jest stosowany jako paliwo w reaktorach jądrowej do otrzymywania energii jądrowej. Izotopy 235U oraz sztucznie otrzymany 233U stanowią materiał rozszczepialny w reaktorach jądrowych i bombach jądrowych.

Neptun: Pierwszy sztucznie wytworzony pierwiastek transuranowy. Izotop 237Np jest wykorzystywany w detektorach promieniowania neutronowego.

Pluton: tak jak i uran jeden z 16 izotopów plutonu 239Pu jest paliwem, ale także materiałem rozszczepiającym używanym w bombach atomowych, izotop 238Pu stosowany jest w termicznych zasilaczach izotopowych.

Ameryk: izotop 241Am jest stosowany w budowie czujników przeciwpożarowych. Dym po dostaniu się pomiędzy źródło izotopu a detektor zwiększa absorpcje cząsteczek alfa, co jest wykrywane przez układ logiczny współpracujący z detektorem.