Izotopy są to odmiany tego samego pierwiastka o takiej samej liczbie atomowej (Z), a różnej liczbie masowej (A). Zatem atomy tego samego pierwiastka zawierają taką samą liczbę protonów, ale różne liczby neutronów.
Słowo "izotop'" pochodzi z języka greckiego: izos - topos i oznacza '"to samo miejsce". Odnosi się to do miejsca - tego samego - jakie pierwiastek zajmuje w układzie okresowym.
Wodór np. składa się z trzech izotopów.
Wodór składa się głównie z izotopu H, w znacznie mniejszej ilości z deuteru i trytu. W przyrodzie ilość protu szacuje się na około 99,9985%, deuteru na 0,015%, tryt zaś występuje w ilościach śladowych. Prot i deuter to izotopy trwałe, a tryt to izotop promieniotwórczy.
Izotopy innych pierwiastków noszą nazwę tych pierwiastków z uwzględnieniem liczby masowej. Np. uran dwieście trzydzieści osiem zapisuje się: 238U (izotop węgla 13).
Izotopy danego pierwiastka różnią się nieznacznie właściwościami fizycznymi. Właściwości chemiczne izotopów danego pierwiastka są praktycznie takie same. Czasem różnią się jedynie szybkością reakcji zachodzących z ich udziałem.
Dziś wiadomo, że w przyrodzie istnieją 272 izotopy trwałe (stabilne) i około 2000 izotopów promieniotwórczych. Izotopy trwałe to takie atomy, których jądra nie ulegają samorzutnym przemianom w inne. Izotopy promieniotwórcze, inaczej nietrwałe, są to atomy ulegające samorzutnym przemianom jądrowym. Istnieją też izotopy naturalne, tzn. występujące w przyrodzie, i izotopy sztuczne, tj. otrzymane przez człowieka na drodze przemian promieniotwórczych. Charakterystyczne jest, że wszystkie pierwiastki otrzymane sztucznie nie posiadają trwałych izotopoów.
Izotopy promieniotwórcze różnych pierwiastków różnią się między sobą intensywnością i czasem promieniowania, tzw. okresem połowicznego rozpadu. (zaniku) T1/2, zwanym też okresem półtrwania. Okres połowicznego rozpadu jest to czas, po którego upływie połowa atomów w próbce pierwiastka ulega rozpadowi - wypromieniowuje. Ilość emitowanego promieniowania spada wówczas o połowę. Okres połowicznego zaniku zmienia się w szerokim zakresie dla różnych atomów od 4,5 mld lat (dla 238U) do ułamków sekund (np. 0,017s dla 13B). Najtrwalszym izotopem radioaktywnym jest 128Te z okresem połowicznego rozpadu 1,5 * 1024 lat, a najmniej trwałym izotopem jest 5Li, którego okres połowicznego rozpadu wynosi: 4,4*1022 s.
Izotopy niektórych pierwiastków mają liczne i ważne zastosowania. Izotopy promieniotwórcze są źródłem promieniowania lub które może być rejestrowane przez specjalne liczniki. Pozwala na to badanie różnych przedmiotów lub organów ludzkiego ciała w różnym stopniu pochłaniających to promieniowanie. Zależnie od stosowanej metody otrzymuje się informacje w postaci barwnych obrazków na monitorach specjalnych komputerów,a także jako dźwiękowe lub świetlne sygnały. Izotopy promieniotwórcze znajdują zastosowanie głównie w lecznictwie, przemyśle, badaniu mechanizmów reakcji chemicznych, w reaktorach jądrowych.
Bardzo ważne jest zastosowanie izotopów w tzw. znakowaniu izotopowym. Jest to metoda wykrywania poruszającej się substancji przez śledzenie promieniowania pochodzącego od wprowadzonego do niej izotopu promieniotwórczego (czyli radioizotopu). Użyty radioizotop jest nazywany wskaźnikiem izotopowym,a o substancji badanej mówi się, że jest znaczona.
W lecznictwie stosuje się np. izotopy: jodu - 131J, potasu - 42K lub 43K do diagnozowania mózgu i innych organów wewnętrznych. Uzyskane obrazy warstwowe pozwalają na umiejscowienie nowotworów, tętniaków, zwężeń żył. Izotopy: kobaltu - 60Co (tzw. bomba kabaltowa), radu - 226Ra służą w terapii onkologicznej do niszczenia komórek nowotworowych.
W przemyśle zastosowanie izotopów promieniotwórczych pozwala na badanie ukrytych wad wyrobów. Metoda ta nosi nazwę defektoskopii. Stosuje się w niej między innymi kobalt 60Co, którego czas połowicznego rozpadu wynosi 5,3 roku. Sztucznie otrzymywany jako uboczny produkt elektrowni jądrowych izotop kryptonu 85Kr stosuje się jako tanie źródło promieniowania w przemysłowych izotopowych miernikach grubości (tzw. grubościomierzach) i przyrządach kontrolujących szczelność urządzeń.
Izotopy stosuje się też między innymi w przeciwpożarowych czujnikach dymu (ameryk 241Am), przy kontrolowaniu pracy silników (jako dodatek do olejów silnikowych), w zasilaczach izotopowych (np. rozrusznikach serca, sondach kosmicznych), w izotopowych wagach itp. Izotopy wielu pierwiastków promieniotwórczych stosuje się jako paliwo w reaktorach, np. izotop toru 232Th, lub jako źródło promieniowania, np. izotopy strontu.
Promieniotwórczy izotop węgla 14C jest znanym narzędziem do oznaczania wieku próbek geologicznych i wykopalisk archeologicznych. Metoda ta, zwana datowaniem radiowęglowym, umożliwia dość dokładne określanie wieku obiektów sprzed 500-50000 lat. Datowanie radiowęglowe wykorzystuje się głównie do określania wieku skamieniałości dawnych organizmów żywych - roślin i zwierząt.
Do określenia wieku formacji geologicznych wykorzystuje się też często przemianę promieniotwórczą potasu w argon.
W badaniach nad mechanizmem reakcji chemicznych stosuje się substraty zawierające w swoich cząsteczkach atomy pierwiastków promieniotwórczych, tzw. atomy, można wnioskować o jej przebiegu.
Izotopy promieniotwórcze mają również zastosowanie w reaktorach jądrowych, które służą do wytwarzania pary zasilającej turbiny elektrowni atomowych.
Pierwiastki promieniotwórcze
Zjawisko promieniotwórczości, zwane też radioaktywnością, jest dość rozpowszechnione w przyrodzie. Odkrycia związane z tym zjawiskiem sięgają ostatnich lat XIX wieku. W 1895 roku Wilhelm Conrad Roentgen odkrył zagadkowe, niewidzialne dla oka ludzkiego promieniowanie, które nazwano promieniami '"X" (później promieniami Roentgena). Promienie '"X '"przenikają przez drewno, nieprzezroczysty papier oraz czernią kliszę fotograficzną. Pobudzają też niektóre substancje do fluoryzowania (świecenia). Badania nad fluorescencją niektórych substancji doprowadziły Henryka Becquerela, francuskiego fizyka, do odkrycia zupełnie nowego zjawiska. Zjawisko to polegało na tym, że uran i jego związki - niezależnie od tego czy były naturalne, czy sztucznie wytworzone - nieustannie i samorzutnie wysyłały promieniowanie bez uprzedniego naświetlania. Zjawisko to zostało nazwane później przez Marię Skłodowską-Curie promieniotwórczością. W 1898 roku Maria Skłodowska-Curie, mając zaledwie 31 lat, dokonała wraz ze swoim mężem Piotrem Curie epokowego odkrycia dwóch pierwiastków: polonu i radu.
Promieniotwórczość polega na samorzutnym rozpadzie - rozszczepieniu - jąder atomów niektórych pierwiastków. Pierwiastki, których atomy ulegają rozszczepieniu, nazywane są pierwiastkami promieniotwórczymi. Istnieją dwa rodzaje pierwiastków promieniotwórczych: te, które rozszczepiając się, tworzą nowy pierwiastek i wysyłają tzw. cząsteczki , oraz te, które rozszczepiając się, tworzą nowy pierwiastek, ale wysyłają cząsteczki. Jeżeli nowo powstały atom pierwiastka jest trwały, wówczas nie następuje dalszy rozpad. Jeśli zaś jest to nietrwały atom, to on z kolei rozpada się i proces trwa dalej, dopóki nie powstanie trwały atom.
Wyróżnia się dwa rodzaje promieniotwórczości:
Promieniotwórczość
naturalna sztuczna
pierwiastki promieniotwórcze wywołana jest bombardowaniem
samoistnie ulegają rozpadowi danego jądra np. neutronami lub protonami
Za odkrywcę promieniotwórczości naturalnej uważa się wspomnianego już A.H. Becquerela, zaś za odkrywców promieniotwórczości sztucznej małżeństwo: Irenę (córkę M. Skłodowskiej-Curie) i Frederica Joliot-Curie. Zjawisko to odkryli w 1934 roku.
Przykłady promieniotwórczości
Przykładem promieniotwórczości są promienie '"X '"obecnie nazywane promieniami Roentgena. Uran i jego związki, rad, polon, - są to nieliczne przykłady pierwiastków promieniotwórczych.
Plusy i minusy promieniotwórczości
Zjawisko promienio twórczości znalazło szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach życia, między innymi w medycynie (w tzw. radioterapii) do niszczenia komórek nowotworowych.
W sposób kontrolowany łańcuchową reakcję rozszczepienia jąder atomowych przeprowadza się w reaktorach jądrowych.
Zagrożenie promieniowaniem istnieje zawsze, bez względu na działalność człowieka. Wynika to z obecności na Ziemi, w wodzie i glebie, różnych pierwiastków promieniotwórczych oraz promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi ze Słońca i stanowi element środowiska, w jakim żyje człowiek. Promieniowanie z gleb i mórz wynika głównie z obecności uranu i toru oraz pierwiastków promieniotwórczych pochodzących z ich rozpadu. Drugim głównym źródłem promieniowania naturalnego jest promieniowanie kosmiczne pochodzące ze Słońca i przestrzeni międzygwiezdnej.
Skutki działania promieniowania dzielą się na wczesne i późne.
Wczesne skutki pojawiają się po napromieniowaniu dużymi dawkami, z których zwykle człowiek się nie spotyka. Sytuacje takie zdarzają się w wypadku katastrof jądrowych lub, jak to miało miejsce w Hiroszimie i Nagasaki, podczas wybuchów bomb atomowych.
Przebieg ostrej choroby popromiennej w wyniku napromieniowania organizmu bardzo dużymi dawkami jest zwykle następujący: wymioty, brak łaknienia, uczucie zmęczenia. Potem następuje pozorna poprawa zdrowia, czyli okres utajnienia choroby. Po 2-3 tygodniach ujawnia się główna faza choroby - biegunka, odwodnienie organizmu, wysoka temperatura i ogólnie wyniszczenie organizmu prowadzące do śmierci.
Późne skutki napromieniowania występują po miesiącach, a nawet latach po napromieniowaniu małymi dawkami. Do późnych skutków napromieniowania zalicza się: przyspieszenie procesu starzenia, zwiększenie częstotliwości zachorowań na nowotwory, niepłodność, zmiany genetyczne, skrócenie życia. Najgroźniejszym skutkiem działania promieniowania są choroby nowotworowe, które charakteryzują się niekontrolowanym przez organizm rozwojem nienormalnych - choć własnych - komórek danego ustroju.
Największe obawy przed napromieniowaniem dotyczą ewentualnych katastrof w elektrowniach jądrowych. Na świecie istnieje około 500 elektrowni jądrowych. Największą dotychczas katastrofą był pożar reaktora jądrowego w Czarnobylu w końcu kwietnia 1986 roku. Nastąpił wówczas wybuch, reaktor został rozerwany i bardzo aktywne pierwiastki promieniotwórcze rozproszyły się w otoczeniu.
Jak chronić środowisko przed niekorzystnym promieniowaniem, wpływem promieniotwórczości?
Spojrzenie w przyszłość. Jest rzeczą jasną, że będziemy musieli radzić sobie ze wzrastającą ilością odpadów radioaktywnych. Znaczna część promieniowania, która przedostaje się do środowiska, jest stosunkowo nieruchliwa i trzyma się w pobliżu zakładów, gdzie nie zagraża ogółowi ludności. Gazy szlachetne i tryt wędrują zwykle do atmosfery i hydrosfery i ich dalsze rozpraszanie się jest funkcją ruchów, często nieregularnych, zachodzących w tych ośrodkach. Gazy są jednak raczej bezwładne i nie ulegają koncentracji. Inne izotopy mogą budzić szczególne zainteresowanie, ponieważ mają długie okresy połowicznego rozpadu i wobec tego kumulują się w środowisku, lokalizują się w wyspecjalizowanych tkankach lub koncentrują się na skutek przekazywania poprzez łańcuch pokarmowy. W połączeniu ze sobą możliwości te mogą powodować szkody nawet wtedy, gdy ogólny poziom promieniowania środowiskowego jest niski.
Nie jest to wprawdzie sprawa prosta, ale istnieje możliwość ustalenia zależności między faktyczną ekspozycją człowieka (mierzoną w remach) a projektowanym rozwojem reaktorów jądrowych. Aby dokonać takiego szacunku przyszłego zagrożenia człowieka promieniowaniem, trzeba przewidzieć wzrost mocy reaktorów z uwzglęnieniem różnych ich typów, odnieść to do wydzielania się różnych izotopów i - posługując się hipotetycznymi założeniami co do ich przemieszczenia się w środowisku i wiedzą o ich cechach biologicznych - dojść do ich oddziaływania na człowieka.
Dopóki zależymy od reaktorów rozszczepieniowych, będzie stał przed nami problem pozbywania się odpadów przetwarzania paliwa. Obecna praktyka polega na zatrzymywaniu i rozcieńczaniu odpadów o niskim poziomie radioaktywności i odprowadzaniu ich potem do wód gruntowych. Odpady o wysokim poziomie radioaktywności są magazynowane. Na razie najbardziej obiecujące jest magazynowanie (w różnych pojemnikach) w kopalniach soli, dokąd nie przenika woda gruntowa. Postęp, jaki został dokonany w dziedzinie redukowania o średnim i wysokim poziomie radioaktywności do postaci skoncentrowanego ciała stałego, pozwala przewidywać, że objętość odpadów nie będzie rosła tak szybko, jak produkcja energii, a przeprowadzone badania wskazują, iż koszty tego zabiegu mogą być do przyjęcia.
Zapewne najbardziej niepokojące jest pytanie, czy potrafimy powołać do życia ustabilizowane i trwałe instytucje, które pozwoliłyby człowiekowi żyć przez stulecia w '"bliskiej intymności '" z atomem. Musimy zwiększyć naszą wiedzę o nim i kontrolę po wieczne czasy, albowiem energia nuklearna będzie w przyszłości podstawowym źródłem energii dla naszej technicznej cywilizacji.
