Zastosowanie  Izotopów Promieniotwórczych w badaniach

Pod koniec XIX w. intensywnie badano zjawisko luminescencji (m.in. świecenie ciał pod wpływem promieni katodowych). Prace w tym kierunku prowadził m.in. A.H. Becquerel.                                                                                                      

Wiedział on, że sole uranu świecą słabym światłem jasnozielonym. W podobny sposób świeciła szklana ścianka naczynia próżniowego wysyłająca promienie rentgenowskie (odkryte w 1895) pod wpływem padających na nią elektronów. Becquerel podejrzewał, że nie jest wykluczone, iż sole uranu także mogą wysyłać promieniowanie rentgenowskie lub podobne. Doświadczenia przeprowadzone przezeń w 1896 wykazały, że istotnie sole uranu wysyłają oprócz światła jasnozielonego jeszcze inne promieniowanie, które bardzo silnie działa na kliszę fotograficzną. Późniejsze badania wykazały jednak, że nie było to promieniowanie rentgenowskie, lecz promieniowanie zupełnie nowego wtedy rodzaju.

Badaniem nowo odkrytego zjawiska zajęło się od razu wielu wybitnych uczonych tamtych czasów, jak E. Rutherford, P. Curie i przede wszystkim jego żona, a nasza rodaczka - M. Skłodowska-Curie. Odkrycia następowały bardzo szybko jedne za drugimi i rychło ukazały wielką wagę zjawiska odkrytego przez Becquerela, które M. Skłodowska-Curie nazwała promieniotwórczością (naturalną). W 1897 E. Rutherford wykazał, że promieniowanie uranu nie jest jednolite, lecz zawiera dwa składniki; nazwano j g promieniowaniem alfa i promieniowaniem beta. W 1898 M. Skłodowska-Curie i P. Curie odkryli i wyodrębnili dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze. Pierwszy z nich, silnie promieniotwórczy, nazwany został przez naszą rodaczkę polonem, drugi, słabiej promieniotwórczy -- radem (jest on stosunkowo trwały i dlatego znalazł szereg zastosowań praktycznych).

W 1900 A.H. Becquerel wykazał, że cząstki beta są identyczne z cząstkami promieni katodowych, czyli że są elektronami. Naturę cząstek alfa odkryli dopiero w 1909 E. Rutherford i T. Royds, stwierdzając, że są to podwójnie zjonizowane atomy helu (jądro atomowe zostało odkryte nieco później).

W 1900 P. Villard odkrył trzeci składnik promieniowania emitowanego przez ciała promieniotwórcze -- promieniowanie gamma. Nie niesie ono żadnego ładunku elektrycznego (nie odchyla się w polu magnetycznym) i, jak się rychło okazało, jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali jeszcze mniejszej niż promieniowanie rentgenowskie.

W 1903 Rutherford i F. Soddy wykazali, że w każdym procesie promieniotwórczym następuje przemiana pierwiastka promieniotwórczego w inny pierwiastek chemiczny, na ogół także promieniotwórczy. Prawa ilościowe określające charakter tych przemian -- tzw. prawa przesunięć -- sformułowali w 1913 F. Soddy i polski fizyk K. Fajans. Zgodnie z prawami przesunięć, przy przemianie alfa pierwiastek promieniotwórczy przechodzi w pierwiastek o liczbie porządkowej o 2 mniejszej i masie mniejszej o 4 jednostki atomowe. W wyniku natomiast przemiany beta powstaje pierwiastek o liczbie porządkowej o l większej i takiej samej masie atomowej jak pierwiastek promieniotwórczy.

Podczas dalszych badań okazało się, że promieniotwórczość naturalna jest procesem samorzutnym zachodzącym wewnątrz atomu. Fakt, że atom wyrzuca z siebie cząstki alfa i beta, wskazywał, iż atom musi być obiektem bardzo złożonym, który może ulegać różnym przemianom. Z chwilą odkrycia jądra atomowego w 1911 zrozumiano, że promieniotwórczość naturalna jest wynikiem procesów zachodzących w samym jądrze atomowym. Nic też dziwnego, że badania w dziedzinie promieniotwórczości nabrały podstawowego znaczenia dla fizyki, przede wszystkim ze względu na coraz szersze zastosowanie izotopów promieniotwórczych.

Naturalne radionuklidy syntezowane są w gwiazdach, szczególnie podczas wybuchów supernowych . Niektóre z nich (np. uran posiadają wystarczająco długi okres półtrwania, aby nie ulegały one samorzutnemu rozpadowi w ciągu miliardów lat. Niektóre izotopy (np.C-14) są tworzone podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu z budulcami atmosfery ziemskiej. Sztuczne radionuklidy są wytwarzane w reaktorach jądrowych oraz akceleratorach umożliwiających syntezę nowych pierwiastków. Radioizotopy syntezowane podczas przemian jądrowych w reaktorach powstają w wyniku oddziaływania dużej ilości neutronów na elementy reaktora, przykładem jest syntezowany tal-201.

Najważniejsze zastosowanie izotopów polega na użyciu ich jako wskaźników promieniotwórczości. Jeżeli mianowicie do preparatu niepromieniotwórczej substancji wprowadzamy pewną ilość tej samej substancji, zawierającej jednak jeden z obecnych w niej pierwiastków w postaci izotopu promieniotwórczego, to uzyskujemy mieszaninę, w której wszystkie atomy mają wprawdzie te same właściwości chemiczne, ale część spośród nich wyróżnia się swoją zdolnością emitowania promieni Îą, β lub Îł. Zachowanie się tych atomów â??znaczonych" możemy śledzić niezależnie od zachowania się reszty atomów tego samego pierwiastka. Jako atomy znaczone można stosować również izotopy trwałe. Mniej kłopotliwe jest jednak wykrywanie obecności izotopów promieniotwórczych.

       W celu zilustrowania zastosowania atomów znaczonych w badaniach fizykochemicznych podam tutaj kilka przykładów:

Badanie dyfuzji

                      Badanie dyfuzji. Wiele faktów przemawia za tym, że atomy rozmieszczone w węzłach sieci przestrzennej ciała stałego mogą się między sobą wymieniać miejscami. Jedyny bezpośredni sposób wykazania, że taki proces, zwany dyfuzją własną, istotnie w ciałach stałych się odbywa, polega na użyciu atomów znaczonych. Aby prześledzić dyfuzję własną, na przykład w metalicznym ołowiu, nakłada się na jego powierzchnię (np. metodą elektrochemiczną) cienką warstewkę ołowiu zawierającego izotop promieniotwórczy i próbkę pozostawia na pewien czas w podwyższonej temperaturze. Po zakończeniu wygrzewania próbki skrawa się z niej cienkie warstewki metalu równolegle do powierzchni i oznacza ich radioaktywność. Pozwala to stwierdzić, jak głęboko atomy znaczone wniknęły w próbkę pierwotną oraz jakie jest ich stężenie na różnych głębokościach.

            Ta sama metoda może oczywiście służyć do badania dyfuzji atomów obcych, np. atomów węgla w żelazie, w wysokich temperaturach. Izotopy promieniotwórcze znalazły także zastosowanie w śledzeniu dyfuzji w cieczach.

Określanie rozpuszczalności substancji trudno rozpuszczalnych

                   Określanie rozpuszczalności substancji trudno rozpuszczalnych, które jest bardzo przydatne przy elektrolizie. Jak wiadomo, nie istnieją substancje całkowicie nierozpuszczalne. Oznaczenie niezmiernie małej rozpuszczalności soli uważanych za praktycznie nierozpuszczalne sprawia pewne trudności. Może wymagać na przykład odparowania bardzo dużych objętości cieczy Przy wyznaczeniu rozpuszczalności PbCrO4 trudności te udaje się ominąć w ten sposób, że do roztworu łatwo rozpuszczalnej soli ołowiu (octanu albo azotanu) dodaje się znaną ilości tej samej soli zawierającej nieco promieniotwórczego izotopu ołowiu i następnie strąca się osad PbCrO4. Osad ten po odsączeniu i przemyciu wytrząsa się z czystą wodą, ponownie odsącza i oznacza aktywność promieniotwórczą roztworu. Na tej podstawie oraz znanego stosunku ołowiu promieniotwórczego do niepromieniotwórczego w PbCrO4 oblicza się całkowita zawartość ołowiu w roztworze. 

   Badanie mechanizmu reakcji chemicznych

Zagadnienie to można zilustrować na przykładzie reakcji między nadtlenkiem wodoru, H2O2, a silnie utleniającymi związkami lub jonami, jak PbO2, MnO4, Cr2O itd. Podczas tej reakcji wydziela się tlen. Nie było jednak rzeczą jasną , jakie jest jego pochodzenie. Mógł być oddawany przez obydwa reagenty, na przykład

                        OPbO + OOH2 = PbO + H2O + O2

Lub tylko przez nadtlenek wodoru

H2O = 2H + O2

                        PbO2 + 2H = PbO + H2O

 Stosując nadtlenek wodoru H2O2 zawierający izotop tlenu-18 (niepromieniotwórczy, lecz możliwy do wykrycia za pomocą spektrometru mas), stwierdzono jednak, że tlen wywiązujący się w postaci gazowej zawiera cząstki złożone tylko z tlenu-18 , co rozstrzygnęło wątpliwości na korzyść drugiej z dwóch wymienionych możliwości.

 Wskaźniki izotopowe znajdują zastosowanie w analizie chemicznej i fizycznej, w badaniach nad kinetyką reakcji, adsorpcją itp. Szeroko stosuje je się w badaniach biologicznych. Użycie izotopów promieniotwórczych węgla, fosforu i azotu pozwala na śledzenie wędrówki i przemian różnych substancji w organizmach żywych.

Bardzo interesujące jest zastosowanie metod izotopowych do określania wieku wykopalisk. Opiera się ono na oznaczeniu zawartości promieniotwórczego izotopu węgla    . Izotop ten powstaje w przyrodzie wskutek bombardowania jąder azotu neutronami wyzwolonymi w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne:

                        N +  n =C +  H

 Okres półtrwania tego izotopu wynosi 5600 lat. Promieniotwórczy węgiel bierze udział w cyklicznym obiegu węgla w przyrodzie; jest pochłaniany jako CO2 przez rośliny, z roślin dostaje się do organizmów zwierzęcych. Wyniku procesów gnicia szczątków roślinnych i zwierzęcych, a także procesów oddychania, powraca znów jako CO2 do atmosfery itd.

Promieniotwórczy izotop węgla ustawicznie się tworzy i ustawicznie rozpada. Prawa równowagi promieniotwórczej wymagają nagromadzenia się w przyrodzie takiej ilości węgla-14 , by obydwa te procesy miały jednakową szybkość. W rezultacie w przyrodzie o żywionej stosunek zawartości izotopu węgla-14  do wartości izotopu węgla-12 jest stały i jednakowy we wszystkich organizmach żywych, roślinnych i zwierzęcych, biorących udział w kołowym obiegu węgla w przyrodzie. Z chwilą jednak odcięcia na przykład konaru od drzewa, drewno zostaje wyłączone z tego obiegu i traci możliwość uzyskiwania nowych porcji promieniotwórczego izotopu węgla w miejsce tych , które uległy rozpadowi. W rezultacie promieniotwórczość drewna pochodząca od izotopu węgla-14 stopniowo się zmniejsza. Oznaczając w nim stosunek zawartości węgla promieniotwórczego do zawartości węgla niepromieniotwórczego, można łatwo obliczyć czas, jaki minął od chwili, gdy drzewo stało się martwe, a tym samym określić wiek wykopaliska.

W podobny sposób można określić wiek minerałów uranowych, oznaczając w nich stosunek zawartości uranu do zawartości ołowiu, który powstał z uranu w ciągu milionów lat i stanowi zanieczyszczenie rudy uranowej.

           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.

ŹRÓDŁO: WIKIPEDIA oraz 

1) Adam Bielański - 

Podstawy chemii Nieorganicznej" 

WYDAWNICTWO NAUKOWE 

PWN WARSZAWA 2005

2) www.szkola.odpowiedz.pl

3) Chemiczny serwis edukacyjny-

www.chorzow4lo.republika.pl