Praktyczne zastosowanie izotopów promieniotwórczych

Aby móc pisać o zastosowaniu izotopów powinno się najpierw wyjaśnić pojęcie izotopu. Izotopy (z greckiego „isos” – równy, „topos” – miejsce) są to odmiany tego samego pierwiastka chemicznego o takiej samej licznie atomowej Z i różnej licznie masowej A tzn. posiadają tyle samo protonów, lecz inną liczbę neutronów np. izotopy wodoru 1H – prot, 2H – deuter, 3H – tryt. Dla każdego pierwiastka znanych jest od kilku do kilkudziesięciu ( np. rad posiada 30 izotopów). Tylko część izotopów jest stała, pozostałe samorzutnie się rozpadają – izotopy promieniotwórcze zwane inaczej radioizotopami. Charakteryzuje je okres połowicznego rozpadu tj. czas w którym połowa substancji ulegnie rozpadowi.

Izotopy promieniotwórcze znalazły wiele praktycznych zastosowań w otaczającym nas świecie.
- zastosowanie jako znaczniki – wprowadza się je celowo do cząsteczek chemicznych a następnie tak „oznakowane” cząsteczki wprowadza się do organizmu, po czym dzięki detekcji emitowanego przez nie promieniowania gamma śledzi się ich „poczynania”; umożliwia to badanie procesów metabolicznych; najczęściej do tego typu celów wykorzystywany jest izotop węgla 14C;
- zastosowanie w radioterapii - stosowane jako źródła promieniowania gamma do leczenia raka (komórki nowotworowe okazały się bardziej wrażliwe na promieniowanie od otaczających je zdrowych tkanek); można stosować je w formie bomb naświetleniowych, czyli dużych próbek radioizotopu, które podczas emisji promieniowania z zewnątrz zabijają komórki rakowe (stosuje się tu np. izotop kobaltu 60Co= lub w formie chemioterapii radiacyjnej polegającej na podawaniu związków zawierających dużą ilość radioizotopu;
- zastosowanie do sterylizacji – wiąże się to z zastosowaniem jako źródło promieniowania, służy jednak do szybkiej i bardzo wydajnej sterylizacji sprzętu, leków i żywności; dzieje się tak dlatego, że silne promieniowanie gamma jest zabójcze dla większości grzybów i bakterii chorobotwórczych i gnilnych;
- zastosowanie w czujnikach – dymu – kiedy dym zakłóci wiązki promieniowania izotopu, włączą się system przeciwpożarowy (zastosowanie izotopu ameryku 241Am); lub specjalistycznych czujnikach chemicznych wykrywających nawet śladowe ilości metali ciężkich w wodzie;
- zastosowanie w elektrowniach jądrowych oraz do produkcji broni masowego rażenia;
- zastosowanie w zasilaczach izotopowych np. w rozrusznikach serca;

Izotopy są również stosowane do określania wieku badanych substancji. Metoda ta nazywa się datowaniem izotopowym i można ją podzielić na dwie grupy:

Zegary rozpadowe. Do stosowania tych metod jest wymagana znajomość pierwotnej zawartości izotopu promieniotwórczego w badanym materiale, a miarą wieku jest pozostała, resztkowa jego zawartość. Znając tempo przemiany promieniotwórczej można wyliczyć czas potrzebny do zmierzonego stopnia zaniku.. Najbardziej znanym przykładem zegara rozpadowego jest metoda radiowęglowa. Promieniotwórczy izotop węgla 14C powstaje w górnych warstwach atmosfery w wyniku promieniotwórczej przemiany zawartego w niej azotu zachodzącej pod wpływem promieniowania kosmicznego. Zakładając, że natężenia tego promieniowania było stałe w ciągu ostatnich kilkudziesięciu tysięcy lat to – przy stałym tempie rozpadu promieniotwórczego izotopu węgla (czas połowicznego rozpadu 5730 lat) – jego zawartość w pierwiastku ustala się i daje 13,6 rozpadów na minutę w gramie węgla. Powstający promieniotwórczy izotop węgla szybko ulega wymianie izotopowej z niepromieniotwórczym atomem węgla 12C i wchodzi w skład dwutlenku węgla przyswajalnego przez organizmy żywe. Śmierć organizmu przerywa dalsze wchłanianie radiowęgla, a jego zawartość zaczyna stopniowo maleć na skutek rozpadu promieniotwórczego. Substancjami najczęściej datowanymi tą metodą są: węgiel drzewny, drewno, nasiona, skóra, odzie, torf. Ponieważ zakres działania metody radiowęglowej sięga ok. 70 tysięcy lat, jest ona stosowana przede wszystkim na potrzeby archeologii, historii i hydrogeologii. Na analogicznych zasadach jest oparta metoda trytowa, polegająca na badaniu resztkowej zawartości promieniotwórczego izotopu wodoru – trytu (3H). Czas połowicznego rozpadu trytu wynosi zaledwie 2,3 lat i dlatego zakres tej metody sięga stu kilkudziesięciu lat.

Zegary akumulacyjne. W tych metodach miarą wieku jest stosunek zawartości izotopu radiogenicznego do macierzystego izotopu promieniotwórczego. Podstawowym instrumentem służącym takim badaniom jest spektrometr mas pozwalający oznaczyć ilościowe stosunki między poszczególnymi izotopami. Do pomiarów stosunków izotopowych jest niezbędne uprzednie wydzielenie badanego pierwiastka w wyniku operacji chemicznych z zachowaniem ogromnej czystości. Ten typ datowania izotopowego, podstawowy w geologii, obejmuje wiele metod. Jedną z najbardziej znanych jest metoda potasowo-agronowa oparta na przemianie promieniotwórczego izotopu potasu 40K w argon 40Ar, stosowana do datowania minerałów zawierających potas.