Zastosowanie izotopów pierwiastków

Chemia

Przemysł i fizyka

Izotopy promieniotwórcze stosuje się do modyfikacji cech przedmiotów naświetlanych: np. do wywoływania zmian w strukturze polimerów. W przemyśle chemicznym niektóre reakcje są możliwe tylko pod wpływem promieniowania. Do najważniejszych należą produkcja różnych żeli, folii oraz synteza niektórych związków organicznych. Znaczniki promieniotwórcze pozwalają śledzić etapy pośrednie zachodzących reakcji.

Wprowadzając izotopy w elementy konstrukcyjne, np. silnika można badać stopień zużycia poszczególnych elementów poprzez rejestrowanie zmiany aktywności tego izotopu w oleju silnikowym. W przemyśle zastosowanie znalazły izotopowe czujniki poziomu oraz wagi izotopowe.

W oparciu o właściwości promieniotwórcze powstała defektoskopia zajmująca się wykrywaniem ukrytych wad wyrobów oraz szczelności urządzeń i grubości spawów. Górnictwo wykorzystuje radionuklidy do badania położenia i koncentracji rozległych złóż rud metali i paliw kopalnych. Radioizotopy są stosowane w różnego rodzaju czujnikach, detektorach substancji. Pierwiastek produkowany w reaktorach jądrowych ma zastosowanie w powszechnym użyciu przeciwpożarowych czujników dymu po specjalistyczne czujniki chemiczne wykrywające śladowe ilości metali ciężkich w wodzie.

Wykorzystanie w medycynie

Medycyna nuklearna zajmuje się zastosowaniem izotopów promieniotwórczych w rozpoznawaniu i leczeniu chorób oraz w badaniach naukowych. Zastosowanie diagnostyczne polega na wprowadzeniu substancji promieniotwórczej do tkanek i narządów organizmu, a następnie na rejestrowaniu promieniowania za pomocą detektorów. Zgromadzenie substancji promieniotwórczej w tkance lub narządzie oraz jej rozmieszczenie pozwalają na wysnucie konkretnych wniosków diagnostycznych.

Biologia

W biochemii stosuje się często izotopy jako znaczniki.W badaniach środowiska naturalnego wykorzystują izotopy promieniotwórcze poprzez dodawanie ich śladowych ilości do emitowanych zanieczyszczeń. Dzięki temu można określić zasięg, rozprzestrzenianie i koncentrację odpadów od danego punktu emisyjnego. Jest możliwe także określanie kierunków przepływu powierzchniowych prądów wodnych, pomiary wód pochodzących z opadów deszczu i śniegu oraz prędkości i szlaki przepływ np. podziemnych rzek i innych ciągów wodnych. Izotopy znajdują także zastosowanie w badaniu wpływu pestycydów i nawozów na organizmy żywe. Poddając eksperymentalne zwierzęta napromieniowaniu można znacznie zwiększyć ilość mutacji tym samym przyspieszając powstawanie nowych odmian o bardziej korzystnych cechach uprawnych i hodowlanych.

Izotopy o krótkim czasie połowicznego zaniku stosowane są w medycynie w znacznikach promieniotwórczych. Taki znacznik to związek chemiczny zawierający izotop promieniotwórczyw niewielkim stężeniu, który jest wporwadzany do organizmu. Dzięki emitowanemu promieniowaniu można śledzić drogę znacznika w organizmie lub miejsca jego gromadzenia się. Znacznik podany pacjentowi do krwi koncentruje się w miejscach ze stanem zapalnym.

Izotopy promieniotwórcze

Datowanie radioizotopowe

Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku tej przemiany powstają inne jądra atomowe, emitowane są cząstki elementarne, a także uwalniana jest energia w postaci energii kinetycznej produktów przemiany oraz przeważnie (choć nie zawsze) emitowane jest promieniowanie gamma.

Izotopy promieniotwórcze charakteryzuje czas połowicznego rozpadu, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka (izotopu) ulegnie przemianie. Czas połowicznego rozpadu nie zależy od otoczenia chemicznego, w jakim znajduje się izotop.

Radioizotopy wykazują aktywność promieniotwórczą.

Przechowywanie żywności

Prawo rozpadu promieniotwórczego wiąże zawartość izotopu w próbce po pewnym czasie z jego zawartością początkową. Dzięki temu można dość dokładnie wyznaczyć czas, który upłynął między dwoma pomiarami zawartości izotopu promieniotwórczego. W ten sposób można określić wiek próbki zawierającej izotop promieniotwórczy, gdy znamy jego początkową zawartość.

Napromieniowanie żywności stosowane jest w celach dezynfekcyjnych, przedłużających jej trwałość. Na podstawie przeprowadzonych badań okazało się, że żywność utrwalana radiacyjnie nie jest toksyczna ani też radioaktywna, jednak podobnie jak inne procesy konserwujące radiacja powoduje pewne zmiany chemiczne w konserwowanej żywności. Pod wpływem promieniowania tworzą się między innymi wolne rodniki i zmniejsza się o 20–60% zawartość witamin A, B1, C i E. Radionuklidy zabezpieczają świeże zbiory przed kiełkowaniem, a także umożliwiają kontrolę procesu dojrzewania przechowywanych warzyw i owoców.

Do datowania szczątków materii pochodzenia organicznego wykorzystuje się promieniotwórczy izotop węgla 14C, o czasie połowicznego zaniku 5730 lat. Dokładność tej metody pozwala datować próbki nie starsze niż 70 tysięcy lat.

Źródło energii

Izotopy promieniotwórcze stosowane jako paliwo w reaktorach są źródłem ciepła potrzebnego do wytwarzania pary zasilającej turbiny elektrowni atomowych.

Oprócz elektrowni atomowych, energia rozpadu radioizotopów wykorzystywana jest również w zasilaczach izotopowych. Mała przenikliwość produkowanego promieniowania alfa i beta powoduje, że na ogół nawet w pobliżu samego zasilacza nie otrzymuje się jego znaczących dawek. Zasilacze izotopowe stosuje się wszędzie tam, gdzie konieczna jest najwyższa niezawodność zasilania, przy jednoczesnych małych wymaganiach, co do mocy, np. w rozrusznikach serca, w automatach działających w reżimie długotrwałej autonomiczności, np. w sondach kosmicznych, automatycznych stacjach meteorologicznych znajdujących się w trudno dostępnym terenie (np. stacje arktyczne).

Zastosowania według pierwiastka

Przykłady zastosowań izotopów promieniotwórczych:

• Fosfor - jest stosowany w nauce i technice jako wskaźnik promieniotwórczy i źródło promieni, w medycynie do diagnostyki nowotworów i znakowania czerwonych ciałek krwi.
• Kobalt - stosowany jest w medycynie do leczenia nowotworów, do sterylizacji żywności, narzędzi chirurgicznych i lekarstw (bomba kobaltowa).
• Pluton - stosowany jest w głowicach bomb jądrowych, bywa też używany jako materiał rozszczepialny w energetyce jądrowej.
• Polon - stosuje się w chemii radiacyjnej jako źródło cząstek, zmieszany z berylem jako źródło neutronów.
• Rad - wykorzystuje się go do celów leczniczych i do celów naukowych.
• Uran - znajduje zastosowanie w reaktorach jądrowych jako materiał rozszczepialny.

Zastosowanie izotopów promieniotwórczych