Izotopy i zjawisko promieniotwórczości

Izotopy są to zbiory poszczególnych nuklidów, czyli atomów o tej samej liczbie atomowej. Atomy izotopów, mając tę samą liczbę atomową, różnią się między sobą liczbą masową (mają różną liczbę neutronów). Istnienie izotopów okrył w 1913 r. J.J. Thomson. Termin ,,izotop” został wprowadzony przez angielskiego fizyka Fredericka Soddy'ego.

Dany izotop pierwiastka reprezentuje zapis:

Gdzie : E - symbol danego pierwiastka chemicznego

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 (nukleosynteza).

Właściwości chemiczne i fizyczne izotopów jednego pierwiastka są praktycznie identyczne (izotopowe efekty), istnieją jednak fizyczne metody umożliwiające rozdzielenie izotopów (spektrometria masowa), wielokrotna dyfuzja przez porowaty materiał, itd.).

Istnieje co najmniej 2670 izotopów. W przyrodzie występuje głównie izotop węgla-12 w ilości około 98,9 %.

Rodzaje izotopów

Izotopy dzielimy na :
· Trwałe (stabilne) - to takie atomy, których jądra nie ulegają samorzutnym przemianom w inne.
· Naturalne - izotopy występujące w przyrodzie.


· Promieniotwórcze (radioizotopy) - nietrwałe, są to atomy ulegające samorzutnym przemianom jądrowym.

· Sztuczne - otrzymane przez człowieka na drodze przemian promieniotwórczych.

IZOTOPY PROMIENIOTWÓRCZE

Oprócz 272 stabilnych izotopów wszystkich pierwiastków znanych jest około 2000 ich izotopów promieniotwórczych (radioizotopów), o różnych czasach połowicznego zaniku i rodzajach rozpadu promieniotwórczego.

Ze względu na pochodzenie dzielimy je na :

· Pierwotne - posiadające czasy połowicznego zaniku powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść.

· Wtórne - pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów.

· Kosmogenne - grupa ponad 10 izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej.


Izotopy promieniotwórcze stosowane są w wielu dziedzinach badań technicznych (np. w badaniach przepływów - śledząc z zewnątrz układu przemieszczanie się w nim płynu zawierającego domieszkę izotopu promieniotwórczego, lub w badaniach zużycia materiałów - implantując izotop w elementy konstrukcyjne np. silnika i badając zmiany aktywności tego izotopu w oleju silnikowym w czasie pracy), znajdują zastosowanie w przemyśle (izotopowe czujniki poziomu, wagi izotopowe, izotopowe czujniki przeciwpożarowe), medycynie (radiofarmaceutyki, zasilacze izotopowe), biologii (śledzenie obiegu i roli mikroelementów), geologii (radiometryczne metody geologiczne) oraz w badaniach podstawowych (metoda atomów znaczonych, badania dyfuzji, badania strukturalne itd.)


Zastosowanie izotopów promieniotwórczych

Pierwiastek Izotop Wykorzystywanepromieniowanie Czas półrozpadu (T1/2) Zastosowanie
Ameryk 241Am alfa 432,7 lat czujniki dymu (instalacje przeciwpożarowe)
Cez 137Cs gamma 30 lat radiografia przemysłowa,bomba cezowa, pomiary grubości
Iryd 192Ir gamma 73,8 lat radiografia przemysłowa
Jod 131I gamma 8 dni badanie tarczycy (medycyna)
Kobalt 60Co gamma 5,3 lat bomba kobaltowa (medycyna),radiografia przemysłowa, urządzeniaradiacyjne, waga izotopowa, sprzętdo pomiaru: grubości, poziomucieczy w zbiornikach.
Pluton 238Pu alfa 87,7 lat stymulatory serca, czujniki dymu
Pluton 239Pu alfa 24000 lat czujniki dymu
Rad 226Ra gamma 1600 lat aplikatory radowe
Tal 204Tl beta 3,8 lat sprzęt do pomiaru grubości
Wodór 3H beta 12,3 lat farby świecące



Izotopy promieniotwórcze stosuje się również (jako źródła promieniotwórcze) do modyfikacji cech przedmiotów naświetlanych: wywoływania mutacji, sterylizacji, wywoływania zmian w strukturze polimerów, zabijania tkanek nowotworowych.

Emisja promieniowania izotopów promieniotwórczych zachodzi z różną, ale charakterystyczną prędkością. Szybkość rozpadu danego izotopu charakteryzuje okres połowicznego rozpadu, zwany także okresem półtrwania. Jest to czas, w ciągu którego połowa atomów substancji promieniotwórczej ulega rozpadowi. Każda substancja promieniotwórcza ma stały okres półtrwania. Dla różnych pierwiastków promieniotwórczych okresy półtrwania wahają się od ułamków sekund do miliardów lat.

Zjawisko promieniotwórczości, zwane też radioaktywnością jest to samorzutna przemiana jąder pierwiastków chemicznych, której towarzyszy emisja promieniowania.
W 1895 r. Roentgen odkrył zagadkowe, niewidzialne dla oka ludzkiego promienie, które nazwano promieniami ,,X”(później promieniami Roentgena). Promienie te przenikają przez drewno, nieprzezroczysty papier oraz czernią kliszę fotograficzną. Pobudzają też niektóre substancje do fluoryzowania (świecenia).
Badania uczonych zajmujących się promieniotwórczością wykazały, że atomy pewnych pierwiastków wysyłają trzy rodzaje promieniowania.
Każde z nich charakteryzuje się różnym zasięgiem i przenikliwością, a także w inny sposób oddziałuje z polem elektrycznym. Pierwszy rodzaj promieniowania ma bardzo niewielki zasięg, wynoszący w powietrzu zaledwie kilka centymetrów. Również jego przenikliwość jest niewielka, może być zatrzymana nawet przez kartkę papieru. Jeżeli znajdzie się w polu elektrycznym, odchyla się w kierunku bieguna ujemnego. Nazwano je promieniowaniem α. Promieniowanie to jest strumieniem jąder helu, składającym się z dwóch protonów i dwóch neutronów.
Drugi rodzaj promieniowania odchyla się w polu elektrycznym w stronę bieguna dodatniego. Ma dłuższy zasięg (w powietrzu około 2 metrów) i większą przenikliwość od promieni α. Jednak i je można stosunkowo łatwo zatrzymać. Do tego celu wystarczy płytka metalowa. Promieniowanie to nazwano promieniowaniem β. Jest ono strumieniem elektronów.
Trzeci rodzaj promieniowania nie odchyla się w polu elektrycznym. Ponieważ promieniowanie to, nazwane promieniowaniem γ, może zatrzymać jedynie bezpośrednie zderzenie z atomem, wykazuje ono bardzo dużą przenikliwość. Do jego zatrzymania potrzeba płyty ołowianej grubości kilku centymetrów. Natura tego promieniowania jest inna niż poprzednio wymienionych.
Promieniotwórczości α i promieniotwórczość β mają naturę korpuskularną, podczas gdy promieniowanie γ jest promieniowaniem elektromagnetycznym o bardzo małej długości fali, mniejszej niż promieniowanie rentgenowskie.


Wyróżnia się dwa rodzaje promieniotwórczości :

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ



NATURALNA SZTUCZNA


pierwiastki promieniotwórcze wywołana jest bombardowaniem
samoistnie ulegają rozpadowi danego jądra np. neutronami
lub protonami

Promieniotwórczość sztuczna

W 1934 roku córka Marii Skłodowskiej-Curie, Irena, wraz z mężem Fryderykiem Joliot-Curie odkryli, że jądra pewnych pierwiastków napromieniowane cząstkami α przekształcają się w inne, często także promieniotwórcze. Naświetlanie boru cząstkami α doprowadziło do powstania promieniotwórczego izotopu azotu, podczas gdy naświetlanie glinu spowodowało powstanie promieniotwórczego fosforu. Za swoje odkrycie znane jako sztuczna promieniotwórczość małżonkowie Irena i Fryderyk otrzymali w 1935 roku Nagrodę Nobla.
Kolejny wielki wkład w badania nad sztuczną promieniotwórczością wniósł włoski fizyk Enrico Fermi, który otrzymał ponad czterdzieści nowych izotopów promieniotwórczych.

CIEKAWOSTKA

Promieniotwórczość naturalna

A.H. Becquerel przeprowadzając doświadczenia dotyczące fluorescencji (to znaczy samorzutnego świecenia niektórych ciał bezpośrednio po pochłonięciu promieniowania) soli uranu, odkrył w roku 1896 zjawisko naturalnej promieniotwórczości (radioaktywności), czyli zdolności do emitowania przez pewne substancje promieniowania w wyniku promieniotwórczego rozpadu jąder atomów. Becquerel stwierdził więc, że różne związki uranu wywołują zaczernienia emulsji fotograficznej. Dalsze systematyczne prace nad tym zjawiskiem podjęli Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie. Razem z nimi Becquerel otrzymał w roku 1903 Nagrodę Nobla.

Sądzę, że opracowany przez mnie materiał dotyczący izotopów i promieniotwórczości w pełni opisuje te zjawiska.