Zastosowanie izotopów. Wykorzystanie promieniotwórczości naturalnej i sztucznej w życiu człowieka.
Reaktory jądrowe wytwarzają olbrzymie ilości izotopów promieniotwórczych. Izotopy promieniotwórcze powstają z nuklidów nie radioaktywnych poddanych głównie działaniu neutronów, które wnikając do jąder atomowych tworzą nowe jądra tego samego lub innego pierwiastka. Nuklidy promieniotwórcze wytwarzane sztucznie znalazły najróżnorodniejsze zastosowanie, szczególnie jako źródła promieniowania jonizującego, wskaźniki izotopowe i generatory energii wydzielonej w czasie rozpadu promieniotwórczego.
Pierwiastek Izotop Wykorzystywane promieniowanie 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, urządzenia radiacyjne, waga izotopowa, sprzęt do pomiaru: grubości, poziomu cieczy 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
Większość pierwiastków chemicznych występuje w postaci dwu lub większej liczbie typów atomów, różniących się między sobą liczbą atomów w jądrze. Wyróżniamy np. trzy typy atomów wodoru (H), pięć typów atomów węgla (C) oraz 16 typów ołowiu (Pb) .Te różne typy atomów jednego i tego samego pierwiastka nazywane są IZOTOPAMI (isos = równy, topos = miejsce), ponieważ zajmują one to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków. Wszystkie izotopy danego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów, lecz różnią się liczbą neutronów w jądrze.
Aczkolwiek izotopy danego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, można je rozróżnić stosując właściwości fizyczne. Niektóre są radioaktywne, wobec tego można je wykrywać i określić ilościowo na podstawie intensywności promieniowania. Inne izotopy można rozróżniać na podstawie nieznacznych różnic w masie atomowej spowodowanych obecności dodatkowego neutronu w jądrze. Substancje zawierające w jądrze izotop 15N (ciężki azot), zamiast zwykłego 14N lub 2H (ciężki wodór, deuter) w miejsce 1H mają większą masę, co można wykryć za pomocą spektrometru masowego.
Ogromny postęp w badaniach nad wyjaśnieniem szczegółów metabolicznej aktywności komórek zawdzięczamy zastosowaniu substancji "znakowanych" izotopami, np. cukru znakowanego przez wprowadzenie na miejsce zwykłego węgla (12C) węgla promieniotwórczego (11C lub 14C) bądź węgla ciężkiego (13C). Znakowaną substancję podaje się lub wstrzykuje badanemu zwierzęciu lub roślinie, bądź też hoduje się w jej roztworze komórki, a następnie izoluje się i bada znakowane produkty powstające w wyniku normalnego przebiegu procesów metabolicznych tych organizmów lub komórek. Doświadczenie takie pozwalają dokładnie prześledzić, etap po etapie, kolejne reakcje, jakim podlega dany związek oraz określić, w jakiej postaci znaczone atomy zostają ostatecznie wydzielone z komórki bądź organizmu. Dzięki zastosowaniu np. promieniotwórczego wapnia (45Ca) można zbadać szybkość tworzenia się substancji kostnej oraz wpływ na ten proces witaminy D i hormonu wydzielanego przez gruczoły przytarczyczne. Metoda ta pozwala na rozwiązanie wielu problemów biologicznych, które nie dałyby się rozwikłać w żaden inny sposób.
BOMBA KOBALTOWA
Urządzenie do napromieniowywania przedmiotów lub organizmów żywych promieniami emitowanymi przez izotop kobaltu 60Co o aktywności rzędu 1013-1014 Bq. Ze względu na dużą przenikliwość promieniowania, aktywny kobalt jest otoczony grubą osłoną biologiczną (warstwą ołowiu), w której znajdują się kanały wyprowadzające na zewnątrz wiązkę promieniowania. Bomba kobaltowa może też być wyposażona w mechanizm umożliwiający zdalną manipulację próbkami bez narażania otoczenia na promieniowanie. Bomba kobaltowa jest stosowana w lecznictwie do zwalczania chorób nowotworowych, w defektoskopii, do sterylizacji żywności oraz w chemii radiacyjnej do badań procesów fizykochemicznych zachodzących podczas napromieniowywania wysokoenergetycznymi kwantami prostych i złożonych układów chemicznych.
BROŃ JĄDROWA
Broń masowego rażenia, w której wykorzystuje się reakcję rozszczepienia jąder lub reakcję jądrową do wyzwalania w krótkim czasie wielkich ilości energii (wybuch jądrowy). Wyróżnia się następujące rodzaje broni jądrowej:
1. Bomba jądrowa (atomowa) -składa się z urządzenia detonującego, konwencjonalnego materiału wybuchowego (trotyl) i materiału rozszczepialnego (uran 235U lub pluton 239Pu), podzielonego na dwie lub więcej części, każda o masie mniejszej niż masa krytyczna. Wybuch bomby jądrowej następuje po odpaleniu ładunku prochowego i szybkim skupieniu wszystkich części materiału rozszczepialnego, co inicjuje niekontrolowaną reakcję rozszczepienia, trwającą aż do rozproszenia materiału rozszczepialnego. Moc bomby jądrowej może osiągnąć kilkaset kiloton TNT
2. Bomba termojądrowa (wodorowa) -składa się z substancji czynnej (prawdopodobnie mieszaniny deuteru i trytu lub deuteru litu 6LiD), połączonej z bombą jądrową i pełniącą funkcje zapalnika. Wybuch bomby jądrowej wytwarza temperaturę rzędu 107 K, niezbędna do zapoczątkowania niekontrolowanej reakcji termojądrowej. Moc bomby termojądrowej może dochodzić do 100 mln ton TNT.
3. Bomba kobaltowa -bomba jądrowa lub termojądrowa umieszczona w płaszczu z metalicznego kobaltu. W czasie wybuchu tej bomby powstaje w dużych ilościach izotop 60Co emitujący promieniowanie g, co powoduje znaczne skażenia promieniotwórcze terenu. Jak dotychczas, taka bomba nie była wypróbowana.
4. Bomba neutronowa -bomba termojądrowa, której główną część energii wybuchu unosi strumień neutronów szybkich. Niszczy przede wszystkim organizmy żywe.
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych jako źródła promieniowania
Szeroką dziedzinę zastosowania izotopów promieniotwórczych stanowi radiografia. Metoda analizy radiograficznej polega na badaniu wewnętrznej struktury materiałów i wyrobów za pomocą promieniowania jonizującego (rentgenowskiego, gamma).
W odlewach bardzo często tworzą się niepożądane pęcherze, luki i pęknięcia, pochłaniające promieniowanie jonizujące w inny sposób niż materiał, z którego został wykonany badany obiekt. W rezultacie na radiogramie, czyli na kliszy fotograficznej umieszczonej po przeciwległej stronie, w stosunku do źródła promieniowania badanego obiektu lub na ekranie fluoryzującym, są widoczne szczegóły badanego przedmiotu. W hutach i w fabrykach często stosuje się prześwietlanie konstrukcji aparatami rentgenowskimi (defektoskopia rentgenowska). Bardziej opłacalna jest metoda defektoskopii izotopowej, polegająca na wykorzystaniu Co, Cs, Ir, Tm lub mieszaniny Eu i Eu jako źródeł promieniowania gamma (defektoskopia gamma).
Izotopem promieniotwórczym jest zwykle kobalt 60 lub cez 137 znajdujący się w grubej osłonie biologicznej, najczęściej w kształcie kuli ("bomby") z okienkiem przepuszczającym promienie gamma. Aparat nosi nazwę bomby kobaltowej lub cezowej. Termin "bomba kobaltowa" jest również stosowany do bomby jądrowej.
Defektoskopia izotopowa jest stosowana przede wszystkim w metalurgii, przemyśle maszynowym, stoczniowym, lotniczym i chemicznym. Bomby kobaltowe i cezowe są stosowane w medycynie do celów diagnostycznych (wykrywanie uszkodzeń kości) i w leczeniu nowotworów.
ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW W NAUCE I TECHNICE
Obecnie jest już znanych ok. 1000 nietrwałych, promieniotwórczych izotopów pierwiastków chemicznych (radioizotopów) oraz ok. 300 trwałych. Wyodrębnienie, rozdzielenie i badanie chemiczne pierwiastków promieniotwórczych obejmuje dziedzina nauk chemicznych zwaną radiochemią. Ze względu na łatwość wykrywania izotopów promieniotwórczych, nawet z większej odległości, są one szeroko stosowane do badań analitycznych oraz do badania procesów fizycznych i chemicznych, jak dyfuzja w cieczach i ciałach stałych, rozpuszczalność, strącanie osadów, określanie poziomu cieczy w zbiornikach itp.
Radioizotopy oddają cenne usługi w defektoskopach służących do wykrywania wad w wyrobach metalowych. Promieniowanie y radioizotopu 60Co prześwietla stal o grubości 15 cm dając na kliszy obraz pęknięć i innych uszkodzeń wewnętrznych. W porównaniu do niewielkiego zasobnika z preparatem promieniotwórczym lampy rentgenowskie wymagałyby kosztownej i niewygodnej w użyciu dodatkowej aparatury. Metody radiometryczne umożliwiają śledzenie wędrówki izotopów w organizmach, dzięki czemu można dziś znacznie dokładniej niż za pomocą klasycznych metod chemicznych poznać i zrozumieć metabolizm, czyli procesy przyswajania i przemiany materii w organizmie. W ten sposób stwierdzono np. gromadzenie się fluoru w zębach, prześledzono za pomocą izotopu fosforu 32P (T1/2= 14,5 dnia) procesy trawienne, dzięki izotopom jodu 131I (T1/2= 8 dni) gromadzącym się w tarczycy opanowano diagnostykę choroby Basedowa.
Ważną dziedziną, w której znalazły zastosowanie izotopy, jest badanie mechanizmu reakcji chemicznych za pomocą wskaźników izotopowych, czyli atomów znaczonych. Używając np. do reakcji estryfikacji alkoholu znaczonego izotopem tlenu 18O (nie promieniotwórczy, ale różni się masą od zwykłego tlenu) można ustalić, który z dwóch możliwych mechanizmów:
* *
I. RCOOH + HOCH3= RCOOCH3 - H2O
* *
II. RCOOH + HOCH3= RCOOCH3 + H2O
ma miejsce w rzeczywistości (tlen znaczony zaznaczono gwiazdką). Okazało się, że w ogromnej większości tego typu reakcji znaczony tlen pozostaje w cząsteczce estru, a zatem słuszny jest mechanizm I.
ZASTOSOWANIE IZOTOPÓW W LECZNICTWIE
Inne zastosowanie znajdują izotopy w lecznictwie. Tak na przykład choroby raka można leczyć przez naświetlanie promieniami X lub g. Do czasu odkrycia radioizotopów stosowano w tym celu promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie g radu. Obecnie coraz częściej stosuje się promieniowanie g emitowane przez kobalt 60 (energia fotonów gamma 1,1 - 1,3 MeV). W celu ochrony ludzi obsługujących aparaturę z kobaltem 60 umieszcza go się w bardzo grubej osłonie.
Promieniowanie g kobaltu 60 lub irydu 192 służy też tzw. defektoskopii gamma. Zasada działania jest analogiczna jak defektoskopii rentgenowskiej.
Podane tu przykłady nie wyczerpują oczywiście bardzo licznych, wzrastających z roku na rok, zastosowań radioizotopów.
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ SZTUCZNA
Promieniotwórczość jest ciekawym tematem, który ludzkość zaczęła zgłębiać dopiero od 1934 roku, dzięki geniuszowi państwa Joliot-Curie. Nie mogę jednak zacząć tego tematu, bez wspomnienia czym właściwie jest promieniotwórczość.
Skrócona definicja encyklopedyczna tego pojęcia brzmi: "Emisja promieniowania jądrowego w wyniku rozpadu promieniotwórczego jąder atomów." Ponieważ jest to dość skomplikowane tłumaczenie, śpieszę wyjaśnić iż promieniotwórczość jest energią wytwarzaną prze niektóre izotopy. Promieniotwórcze są izotopy niestabilne, czyli takie, których jądro nie trzyma się mocno razem. Izotopy te maja liczbę atomową wiekszą-równą 82. Jest wiele odmian promieniotwórczości. Jest promieniotwórczość naturalna, sztuczna, kosmiczna etc.
Do najpopularniejszych naturalnych źródeł promieniotwórczości należą: izotop uranu, używany m.in. w reaktorach atomowych, izotop węgla, który pomaga w określeniu wieku skamieniałości i izotop kryptonu, który jest całkowicie niepotrzebny, ale za to bardzo szkodliwy.
Po tym krótkim wstępie mogę przystąpić do tematu promieniotwórczości sztucznej. Pomimo iż temat ten jest bardzo rozległy, można go skrócić tak, że jest to promieniotwórczość izotopów uzyskanych sztucznie, przez człowieka. Proces uzyskiwania wybranych izotopów jest bardzo skomplikowany. Polega on na umieszczeniu wybranego atomu w reaktorze atomowym, pomiędzy dwoma izotopami (najczęściej uranu) i, za pomocą specjalistycznej aparatury, kontrolowaniu przepływu promieniotwórczości przez ten atom.
Teraz warto wspomnieć coś o przydatności sztucznych izotopów we współczesnym życiu. Najbardziej obrazowym przykładem jest użycie w medycynie, ale nie jest to jedyny zakres. Oto parę przykładów:
1) Nadczynność tarczycy. Jak wiadomo, nadczynność tarczycy jest chorobą spowodowaną nadmiernym przyrostem tkanki tarczycowej. Powoduje ona nadmierną produkcje hormonów. Wiadomo również, że tarczyca wchłania jod. W ramach leczenie, wstrzykuje się odpowiednią ilość izotopu jodu z określonym okresem półrozpadu, który niszczy nadmiar tkanki. Często pozwala to kobiecie na normalny poród i uniknięcie cięcia cesarskiego. cesarskiego. Dlaczego akurat izotopy sztuczne? Ponieważ medycyna jest działem w którym nie ma kompromisów. Tutaj wszystko musi być optymalne, gdyż może to zawsze uratować czyjeś życie.
2) Sterylizacja. Zarówno sprzęt medyczny, jak i żywność można sterylizować, za pomocą napromieniowania. Wiadomo ze promieniotwórczość zabija organizmy żywe. Dlaczego akurat izotopy sztuczne? Dla sprzętu medycznego jest ważne, żeby był jak najsłabiej napromieniowany, gdyż nie sprzyja pacjentowi duża dawka promieniotwórcza, natomiast przy żywności, należy pamiętać ze takie produkty jak owoce, czy warzywa, będą przez nas później jedzone.
3) Detektory. Już pisałam o izotopie naturalnym węgla, jako o kontrolerze wieku skorup i skamieniałości. Warto również dodać, ze promieniotwórczość może służyć do rzeczy bardziej codziennych niż archeologia. Na przykład, przy badaniu jakości spawów w rurach. Dlaczego akurat sztuczne? Po to żeby się rozpadły zaraz po tym jak zbada się rurę i nie promieniowały za dużo, bo wszystko to jest bardzo niezdrowe
Jest to zaledwie namiastka tego, co można powiedzieć, o promieniotwórczości sztucznej, która jest wielkim darem od nauki, dla życia. Mam jednak nadzieje że wystarczy to, aby chociaż wstępnie pojąc ten temat.
Czym się różni promieniotwórczość naturalna od sztucznej?
Promieniotwórczość naturalna- została odkryta przez A.H. Becquerela (fizyk francuski, 1852-1908)i miała bardzo istotne znaczenie dla rozwoju fizyki atomowej i jądrowej. Jest to zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych, niezależnie od działalności człowieka, W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych.
Promieniotwórczość sztuczna- zjawisko promieniotwórczości obserwowane dla izotopów promieniotwórczych innych niż występujące w naturalnym środowisku ziemi, otrzymanych najczęściej w wyniku aktywacji izotopów stabilnych. Może być ona również wytwarzana przez aparaturę rentgenowską lub inną, lecz wytwarzającą promieniowanie jonizujące na podobnej zasadzie.
A więc podsumowując promieniotwórczość naturalna i sztuczna różnią się przede wszystkim tym , że promieniotwórczość powstaje naturalnie , bez udziału człowieka , natomiast promieniotwórczość sztuczna jest uzależniona od działalności człowieka , gdyż to on ją prowokuje lub umyślne wytwarza.
Promieniowanie czyli korzyści czy zagrożenia dla ludzkości?
1)Wpływ na człowieka:
Podstawą szkodliwego biologicznego działania promieniowania na organizmy leżą procesy jonizacji molekół organizmu wywoływane przez promieniowanie. W wyniku tych procesów w tkankach tworzą się pary jonów stanowiących wysokie aktywne chemicznie rodniki oraz następuje uszkodzenie struktury dużych cząstek przez ich rozrywanie lub zlepianie. Prowadzi to do zakłóceń biochemicznych , warunkujących prawiłowe funkcjonowanie organizmu i do zmian strukturalnych komórek. Czułość tkanki ludzkiej na promieniowanie jonizujące zmienia się w szerokich granicach. Najczulsze są organy krwiotwórcze i tkanki rozrodcze, najmniej czułymi są mózg i mięśnie.
Uszkodzenia popromienne dzielimy ze względu na rodzaj ich następstw na somatyczne tj. wpływające na procesy odpowiedzialne za utrzymanie organizmu przy życiu oraz na genetyczne tj. naruszające zdolnośc organizmu do prawidłowego przekazywania cech swemu potomstwu.
Typowym skutkiem uszkodzeń somatycznych jest ostra choroba popromienna. Składają się na nią mdłości , bóle i zawroty głowy, ogólne osłabienie, zmiany we krwi, a następnie biegunki , czasami krwawe z powodu owrzodzeń jelit, skłonności do krwawych wybroczyn w tkankach, niedokrwistość, wrzodziejące zapalenie gardła, obniżenie odporności organizmu i wypadanie włosów. W zależności od zawannsowania choroba ta może zakończyć się śmiercią lub przejść w fazę przewlekłą ze stopniowym wyniszczeniem organizmu zakończonym najczęściej białaczką lub anemią plastyczną i ostatecznie śmiercią. Organizmowi można pomóc poprzez przeszczep szpiku kostnego.
Uszkodzenia genetyczne polegają na zmianie struktury chromosomów wchodzących w skład komórek rozrodczych. Ich następstwem są mutacje przejawiające się w zmianie dziedziczonych przez potomstwo cech ustroju. Zmiany sklepiające się w genach są kopiowane przez następne generacje komórek.
A więc promieniowanie może być dla człowieka zabójcze , jest to zdecydowanie zagrożenie dla ludzkości!
2)Wpływ na komórki żywe:
Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy żywe jest w naturalny sposób związany z oddziaływaniem tego promienia na komórki żywe. Jeżeli promieniowanie dotrze do cząsteczek istotnych jako funkcje życiowe, jak np.: cząsteczki DNA , uszkodzenie komórki będzie większe niż w przypadku, gdy będzie oddziaływało ono z mniej istotnymi cząsteczkami , jak np.: cząsteczki wody. Najbardziej podatne na wpływ promieniowania są te komórki , które szybko się rozmnażają. Komórki mają jednak pewną zdolność do regenerowania uszkodzeń. Jednak jeżeli komórka podzieli się zanim zdoła zregenerować swe uszkodzenie popromienne, nowe komórki mogą nie być identycznymi kopiami komórki wyjśiowej.
W kontakcie komórki żywej z promieniowaniem jonizującym możemy mieć do czynienia z różnymi efektami:
1. Zniszczenie komórki jest tak duże, że nie będzie ona w stanie pełnić swoich dotychczasowych funkcji i umrze.
2. Komórka - choć żywa - traci swą zdolność do reprodukcji.
3. Kod DNA zostanie uszkodzony
Zastosowanie promieniotwórczości
Promieniotwórczość może być na różne sposoby stosowana w przemyśle, medycynie i laboratoriach badawczych. Poniżej przytoczono kilka przykładów;
· najbardziej znane zastosowanie to wykorzystanie radioaktywnego 146C do datowania zabytków archeologicznych. Podstawa tej metody jest następująca. Dwutlenek węgla w atmosferze składa się głównie z 126C i małej ilości 146C, które nie są promieniotwórcze. Poza tym występują ślady promieniotwórczego 146C, który stopniowo rozpada się, ale jego rozpowszechnienie jest raczej stałe. W wyniku wymiany dwutlenku węgla między organizmami żywymi a atmosferą ustala się stan równowagi, któremu odpowiada określona proporcja nuklidów 146C do trwałych 126C. Po śmierci organizmu (rośliny i zwierzęta) wymiana ta ustaje i w wyniku rozpadu nuklidów 146C proporcja nuklidów 146C do 126C w szczątkach organicznych maleje w miarę upływu czasu. Opracowano bardzo precyzyjne metody określenia tej proporcji, co umożliwia datowanie szczątków organicznych nie starszych niż 10000 lat, z błędem równym kilka procent.
· najbardziej rozpowszechnione zastosowanie to badanie mechanizmów złożonych reakcji organicznych. Na przykład stosując do asymilacji przez rośliny promieniotwórczy CO2 (znaczony 146C), można było zbadać przemianę podczas fotosyntezy, od CO2 do węglowodanów.
· Pluto-238, emiter a o okresie połowicznego rozpadu 86 lat, jest stosowany w długotrwałych bateriach do zasilania regulatora rytmu serca.
· wskazniki izotopowe wprowadzone do krwioobiegu pozwalają śledzić przemieszczanie się substancji biochemicznych w organizmie ludzkim.