Izotopy i ich zastosowanie

Izotopy, nukleidy, których jądra atomowe zawierają jednakową liczbę protonów (a więc mają jednakową liczbę atomową Z), a różne liczby neutronów(N), to znaczy różniące się liczbą masową; uwidacznia to zapis charakteryzujący jądro atomowe, np. chlor jest mieszaniną dwóch izotopów:
- pierwszy o liczbie atomowej 17 i masie atomowej 35,
- drugi o liczbie atomowej 17 i masie atomowej 37.

Większość pierwiastków jest mieszaniną kilku izotopów, stosunek ich zawartości (udziału), wyrażany w procentach, jest niemal stały, a masa atomowa jest wielkością średnią, obliczoną z udziałów i mas atomowych poszczególnych izotopów. Niewielkie różnice masy atomowej tego samego pierwiastka pochodzącego z różnych złóż na Ziemi, a więc różnice stosunku zawartości poszczególnych izotopów, spowodowane są przemianami, jakich złoża doznawały w czasie epok geologicznych. Np. złoża siarki różnego typu charakteryzują się różną zawartością poszczególnych izotopów, ponieważ w ich dziejach geologicznych istniały warunki do nagromadzenia się lżejszych lub cięższych izotopów, a więc do naturalnego rozdzielenia izotopów. Większość izotopów naturalnych to izotopy trwałe, a tylko niektóre ulegają przemianom promieniotwórczym, natomiast większość izotopów sztucznych, uzyskiwanych w reakcjach jądrowych to izotopy promieniotwórcze.

Izotopy promieniotwórcze

Oprócz 272 stabilnych (trwałych) izotopów wszystkich pierwiastków znanych jest ok. 2000 ich izotopów promieniotwórczych (radioizotopów), o różnych czasach połowicznego zaniku i rodzajach rozpadu promieniotwórczego. Izotopy promieniotwórcze, ulegające samorzutnym przemianom jąder są nietrwałe i można je podzielić na: występujące naturalnie i wytworzone sztucznie. W zależności od właściwości danego izotopu, izotopy promieniotwórcze znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach życia:

Życie codzienne

Wielu z nas może nie zdawać sobie sprawy z tego, że izotopy są nam potrzebne w wielu dziedzinach życia.

Jako przykład możemy podać czujniki dymu. Zawierają one alfa-promieniotwórcze izotopy 238Pu, lub 241Am. Sposób działania takich czujników polega na zakłóceniu przez dym wiązki promieniowania izotopu, co powoduje uruchomienie systemu przeciwpożarowego. Dzięki temu, że izotopy promieniują przez bardzo długi okres czasu czujniki te potrafią służyć nam przez wiele lat i są pewnym zabezpieczeniem.

Dużo osób może również nie zdawać sobie sprawy z tego, że nasza żywność również jest napromieniowana. Przeprowadzone kilka lat temu badania wykazały, że żywność utrwalana radiacyjnie (poprzez napromieniowanie za pomocą promieniowania gamma, lub wiązki elektronów) nie jest w żaden sposób szkodliwa dla zdrowia i życia człowieka. Naukowcy doszli również do wniosku, że owa żywność nie traci wartości odżywczych. Dzięki tej metodzie dłużej się utrzymuje , a dodatkową jej zaletą jest podniesienie bezpieczeństwa spożycia.

Medycyna

Izotopy znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach medycyny. Wprowadzone do ciała izotopy promieniotwórcze z wielką dokładnością potrafią ujawnić każde zmiany w narządach. Właśnie dlatego stosuje się je w endokrynologii, neurologii, onkologii i wielu innych. Możemy na przykład spotkać się z pojęciem badań izotopowych w kardiologii. Badania te umożliwiają między innymi wykrycie niedokrwienia serca, zakrzepów, bądź też oznaczanie objętość krążącej krwi. Wielką zaletą tej metody jest dokładność oraz możliwość wielokrotnego powtarzania np. w celu sprawdzenia wyników leczenia operacyjnego. W tym celu wykorzystywane są miedzy innymi jony potasu - 41K, jony technetu -99mTc, gaz ksenon -133Xe. Badanie polega na wstrzyknięciu znacznika radioizotopowego, dzięki któremu możemy zaobserwować np. kolejność wypełniania się przedsionków.

W medycynie izotopy również wykorzystuje się do uśmierzania bólu przy przerzutach raka do kości. W tym przypadku są one jedynym w pełni zwalczającym tę dolegliwość środkiem, ponieważ tylko one potrafią trafić do odpowiedniego zakończenia nerwowego.

Ważnym odkryciem ostatnich lat stały się izotopy cyklotronowe (czyli rozpadające się po krótkim okresie czasu, np. po kilku minutach). Są one już stosowane na świecie -zwłaszcza w zakresie medycyny nuklearnej.

Izotopy w geologii

Izotopy w dziedzinie geologii są bardzo ważne. Wykorzystuje się wtedy czas połowicznego rozpadu. Polega to na tym, że jądra poszczególnego izotopu promieniotwórczego nie rozpadają się w tym samym czasie. Jedne rozpadają się szybciej, natomiast inne wolniej (proces może trwać od kilku minut do kilku tysięcy lat). Czas rozpadu połowy jąder jest jednak zawsze taki sam, nazywamy go więc czasem połowicznego rozpadu. Znana jest metoda radiowęgla, która pozwala nam ocenić wiek na przykład szczątek wykopanego organizmu. W tym przypadku wykorzystujemy długi okres rozpadu węgla 14C. Po śmierci organizmu ustaje wymiana węgla z otoczeniem. Zapas radiowęgla z czasem ulega coraz większemu zmniejszeniu wskutek przemiany promieniotwórczej 14C, a brak wymiany węgla z otoczeniem uniemożliwia jego uzupełnienie. Skutkiem tego następuje stopniowe zmniejszenie się aktywności węgla w organizmie w skutek połowicznego rozpadu. Metoda ta wykorzystywana jest również przy wykopaliskach archeologicznych.

Najnowsze analizy zawartości izotopów promieniotwórczych w próbkach materii planetarnej i meteorytowej udzielają nam również nowych informacji na temat powstawania naszej planety. Zwłaszcza zainteresowano się badaniem hefnu 182, który rozpada się w wolfram182, przy czym okres połowicznego rozpadu wynosi 9 milionów lat. Na podstawie badań tych izotopów (porównując ich stężenie ze stężeniem w materii meteorytowej, której skład jest prawdopodobnie zbliżony do pierwotnego składu mgławicy, z której powstał nasz Układ Słoneczny) naukowcy stwierdzili, że jądro naszej planety powstało dwukrotnie szybciej niż dotąd przypuszczano, czyli 29 milionów lat po uformowaniu się słońca.

Promieniowanie

Pod koniec XIX wieku Thomson i Rutherford zajmowali się badaniem zjawiska jonizacji gazów naświetlanych promieniami odkrytymi przez Becquerela. W czasie doświadczenia Rutherford odkrył, że istnieją w zasadzie dwa rodzaje tego promieniowania - jedno nazwane alfa, było łatwo absorbowane nawet przez kartki papieru i drugie nazwane beta, mogło przenikać nawet przez grube blachy metalowe (na przykład przez 0,25 centymetrów aluminium). Wkrótce wykryto również trzeci rodzaj promieniowania - wyjątkowo przenikliwego, mogącego nawet przenikać przez kilku centymetrowe warstwy ołowiu. Nadano mu nazwę gamma.

Promienie alfa - mało przenikliwe - jak się okazało składają się z dodatnio naładowanych 4 zespołów cząsteczek: 2 protonów i 2 neutronów. Identyczną liczbę cząsteczek ma jądro helu, a więc promieniowanie alfa jest strumieniem jąder helu.

Cząsteczki beta, znacznie bardziej przenikliwe, dają się odchylać w polu elektrycznym i magnetycznym, w taki sposób iż cząstki te muszą mieć ładunek ujemny. Po dalszych badaniach naukowcy doszli do wniosku, iż cząsteczki beta to po prostu elektrony.

Trzeci rodzaj promieniowania, promieniowanie gamma, okazał się być promieniowaniem elektromagnetycznym (podobnie jak światło), o długości fali mniejszej od 10-11 metra. Różne pierwiastki promieniotwórcze wysyłają te trzy promieniowania w różnej ilości.

Elektrownie jądrowe

Doskonałym przykładem obrazującym obawy i nadzieje ludzi związane z promieniotwórczością jest elektrownia jądrowa. Elektrownia jądrowa nazywana także atomową, jest to elektrownia, która w skali przemysłowej przetwarza energię jądrową na elektryczną. Elektrownia jądrowa jest zwykle połączeniem reaktora jądrowego dużej mocy z klasyczną elektrownią cieplną. Moc elektrowni zależy od rodzaju reaktora i metody chłodzenia. Uzyskiwana z elektrowni atomowej moc cieplna jest następnie zamieniana na energię elektryczną. Jest to bardzo korzystne dla środowiska, ponieważ uzyskujemy energię elektryczną bez konieczności stosowania będących już na wyczerpaniu naturalnych paliw kopalnych, takich jak węgiel kamienny czy brunatny, lub ropa naftowa. Przykładowo, jeden gram uranu-235 ma wydajność energetyczną odpowiadającą 2,7 tony węgla kamiennego. Bardzo istotnym jest fakt, iż elektrownia jądrowa nie degraduje środowiska, nie emitując do atmosfery szkodliwych produktów spalania takich jak różnego rodzaju gazy i pyły. W ostatnich latach dał się zaobserwować narastający sprzeciw społeczeństw przeciwko energetyce jądrowej. Niewątpliwie jest on spowodowany skutkami składowania odpadów radioaktywnych oraz skutkami awarii reaktorów atomowych np. w 1986 roku w Czarnobylu, gdzie główną przyczyną tej tragedii była niewłaściwa decyzja człowieka. Gdy nastąpił wybuch reaktora postanowiono zalać go wodą co spowodowało powstanie radioaktywnej chmury. Niemniej jednak faktem jest, że oddziaływanie elektrowni jądrowej na środowisko jest mniej szkodliwe niż elektrowni cieplnych.

Broń masowego rażenia

Przykładem złego wykorzystania izotopów promieniotwórczych jest niewątpliwie stworzenie broni masowej zagłady, przy której przede wszystkim korzysta się z energii jądrowej. Broń tą po raz pierwszy zastosowano w czasie II wojny światowej. Pierwszymi ofiarami byli mieszkańcy Hiroszimy i Nagasaki. Bomby jądrowe zrobione są w znacznej części z trotylu. W czasie wybuchu cały ładunek zamienia się w gazy osiągające temperaturę 1000000 stopni Celsjusza. Promieniowanie cieplne rozprzestrzenia się z prędkością 300 tys. Kilometrów na sekundę (prędkość światła) niszcząc wszystko na swojej drodze. Ta broń w rękach człowieka jest czymś najniebezpieczniejszym na świecie. Uważam, że człowiek nie dojrzał do posiadania takiej mocy.

Podsumowanie

Uważam, że izotopy są dla nas w znacznej mierze błogosławieństwem. Dzięki nim jesteśmy w stanie odgadywać zagadki przeszłości, które mogły by być dla nas wieczną tajemnicą. Badania prowadzone nad izotopami pozwoliły na uśmierzenie bólu, ale również na zadawanie go przez nieprzemyślane używanie broni jądrowej. Dają nam one energię, lecz zarazem ta energia źle zagospodarowana przysparza wiele szkód. Jednak myślę, że izotopy zajmują ważna pozycję w naszym życiu i nawet nie zdajemy sobie sprawy z tego ile ich jest wokół nas.