Izotopy promieniotwórcze – czym są, do czego się je wykorzystuje, czy są szkodliwe

Izotopy są to odmiany pierwiastków, każdy pierwiastek składa się mieszaniny różnych izotopów. Niektóre z nich są stabilne, a inne nie. Te, których jądra są niestabilne, ulegają przemianie w inne pierwiastki. Proces ten nazywamy przemianą promieniotwórczą.

Charakterystyczny dla radioizotopów jest czas połowicznego rozpadu, okres, w którym połowa jąder danego pierwiastka ulegnie przemianie. Czas ten nie jest zależny od czynników środowiskowych, ale dla każdego izotopu pozostaje taki sam.

W trakcie przemiany promieniotwórczej emitowane są cząstki elementarne oraz energia i promieniowanie. Produktem przemiany jest zawsze atom innego pierwiastka, może on być niestabilny i nadal kontynuować rozpad, aż do momentu przemiany w stabilny atom.

Praktycznie każdy pierwiastek posiada swój izotop radioaktywny. Najbardziej znany jest izotop Uranu ²³⁸U o bardzo długim czasie połowicznego rozpadu 4 510 000 000 lat.

Jak odkryto promieniotwórczość

Odkrycie promieniotwórczości wiążę się z wynalezieniem promieni X, czyli popularnych promieni Roentgena. Odkrycie to miało miejsce w 1895 i tak naprawdę zapoczątkowało badania nad źródłami promieniowania. Rok po odkryciu promieniowania, Henri Becquerel wykazał promieniotwórczość Uranu. Niedługo po nim Maria Skłodowska‑Curie odkryła kolejne pierwiastki Rad i Polon. Za te dokonania dostali oni nagrodę nobla w dziedzinie fizyki.

Odkrycie pierwiastków promieniotwórczych i zjawiska promieniowania zapoczątkowało medycynę nuklearną. Promienie X do posłużyły do robienia prześwietleń urazów. Odkrycie sposobu produkcji Radu zapoczątkowało leczenie metodą radioterapii, czyli popularnych do dziś naświetlań guzów i nowotworów.

Źródło: Pixabay

Wykorzystanie materiałów promieniotwórczych

Odkrycie izotopów promieniotwórczych i ich właściwości okazało się jednym z największych wynalazków XX wieku. Rozpalała wyobraźnię milionów i miała przynieść rewolucję. W dobie największej fascynacji atomem ludzie sądzili, że materiały promieniotwórcze będą paliwem dla samochodów i zegarków. Reaktory atomowe nie weszły pod strzechy, ale ich wykorzystanie pozostaje niebagatelne w różnych obszarach nauki i przemysłu.

Źródła energii

Radioizotopy stanowią paliwo dla energetyki jądrowej. Rozpad, któremu towarzyszy uwolnienie dużej ilości energii podgrzewa płyn, a rozgrzana para napędza turbiny.  Można powiedzieć, że takie pozyskiwanie energii elektrycznej jest obojętne dla środowiska. Nie wytwarza się szkodliwych gazów i pyłów tak jak przy spalaniu paliw kopalnych.

Minusami jest konieczność składowania odpadów promieniotwórczych i możliwość awarii systemu. Skutki tego są ciężkie do oszacowania. Przykładami takich katastrof były elektrownie w Czarnobylu i Fukushimie. Trzeba pamiętać, że incydenty w elektrowniach atomowych są wyjątkowo rzadkie. Obiekty te są zazwyczaj bardzo dobrze zabezpieczone.

Oprócz elektrowni, paliwo atomowe służy również do napędu łodzi podwodnych, ale także sond kosmicznych.

Chemia

W chemii niektóre procesy nie zachodzą naturalnie, ale można je za pomocą naświetlania różnych związków. W taki sposób można uzyskać różne żele, folię oraz zapoczątkować syntezę związków organicznych. Za pomocą radioizotopów można zmieniać strukturę powszechnie stosowanych polimerów.

Datowanie

Wcześniej omawiany czas połowicznego rozpadu izotopów promieniotwórczych okazał się bardzo przydatny w archeologi i kryminologi. Chodzi o izotop węgla ¹⁴C, który powstaje w atmosferze Ziemi pod wpływem promieniowania kosmicznego. Jest wbudowany w ciała organizmów w trakcie ich życia. Po wykryciu go, w próbce badacze są w stanie precyzyjnie określić kiedy powstała.

Konserwowanie żywności i dezynfekcja

Napromieniowanie jedzenia stosowane jest w celach przedłużenia jej trwałości. Badania wskazały, że żywność utrwalana radiacyjnie nie ma negatywnych skutków na organizm człowieka, ani nie jest radioaktywna. Mimo to przez promieniowanie tworzą się wolne rodniki i zmniejsza się zawartość witamin. Radioizotopy zabezpieczają przechowywane ziarno przed kiełkowaniem. Te same izotopy kobaltu ⁶⁰Co stosuje się również do dezynfekcji sprzętu lekarskiego.

Źródło: Pixabay

Biologia

Przez naukowców, izotopy z powodzeniem są stosowane jako znaczniki. Najpierw umieszcza się radioizotopy takie jak ¹⁴C i ¹⁵N w organizmie. Emitowane przez nie promieniowanie pokazuje jakimi szlakami metabolicznymi się poruszają.

W podobny sposób ekolodzy mogą śledzić rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w środowisku. Metoda ta, będzie też skuteczna w obserwacji mikroorganizmów i innych zjawisk, które ciężko zaobserwować gołym okiem.

Medycyna

Początki badań nad radioaktywnością wiążą się bezpośrednio z wykorzystaniami medycznymi. Jak zauważyliśmy wcześniej wynalazek Wilhelma Roentgena, stał się podstawą dla badań nad Uranem. Promienie Roentgena są stosowane do dzisiaj przy badaniu urazów kości, chorób wewnętrznych i w stomatologii.

Jednak to nie koniec zastosowań izotopów w diagnostyce. W medycynie nuklearnej stosuje się około 200 związków znakowanych za pomocą izotopów. Po wprowadzeniu ich na przykład do układu krążenia możemy ocenić ukrwienie mięśnia sercowego. Do badania kości stosuje się związki fosforanowe z izotopem ³²P. Dzięki nim można namierzyć nowotwory kości i przerzuty.

Jako źródło promieniowania izotopy są stosowane w medycynie do niszczenia komórek rakowych. Stosuje się duże porcje promieniowania skierowane w opanowane przez nowotwór miejsca lub w formie chemioterapii radiacyjnej. Podaje się wtedy pacjentowi promieniotwórcze izotopy mające wspólne pochodzenie do tkanek nowotworowych.

Bezpieczeństwo, a izotopy radioaktywne

W przypadku dostania się do środowiska radioizotopów istnieje zagrożenie skażenia promieniotwórczego. Może do niego dojść przypadkowo. W wyniku błędu bądź katastrofy. Może to być też działanie celowe. Nie zapominajmy, że niektóre izotopy radioaktywne są stosowane jako broń.

W celu uchronienia się przed fatalnymi skutkami promieniowania opracowano środki ochrony radiologicznej. Pracownie i inne miejsca, gdzie znajdziemy źródła promieniowania są odpowiednio zabezpieczone, przez grube ołowiowe ściany, hermetyczne włazy. Ludzie narażeni bezpośrednio na promieniowanie są noszą odpowiednią odzież, która po kontakcie poddawana jest kontaminacji.

Bardzo ważne dla ochrony przed skutkami skażenia, jest stałe monitorowanie radiacji. W Polsce zajmuje się tym Państwowa Agencja Atomistyki. Dokonuje on oceny poprzez dane pozyskiwane z monitoringu radiacyjnego, informacje na temat zdarzeń radiacyjnych w kraju. A także informacje pozyskiwane od innych państw i organizacji międzynarodowych. Dodatkowo każda działalność związana z materiałami promieniotwórczymi wymaga pozwolenia Inspektora Ochrony Radiologicznej IOR-1.

Źródło: Pixabay

Przy zachowaniu odpowiednich procedur, stosowanie izotopów radioaktywnych jest dosyć bezpieczne i nie niesie za sobą większych zagrożeń. Korzyści zwłaszcza dla medycyny i przemysłu są znacznie większe niż ewentualne zagrożenia. Atom jest wszechobecny. Obecnie agencja podaje brak jakichkolwiek zagrożeń radiacyjnych na terenie naszego kraju.