Izotopy

Atomy tego samego pierwiastka występują w kilku odmianach zwanych izotopami. Wszystkie izotopy tego samego pierwiastka (np. wszystkie izotopy tlenu) mają identyczną liczbą protonów w jądrze, ale różnią się "dodatkiem" neutronów.

Np. izotop węgla 12C jest wzorcem masy; z kolei ten sam pierwiastek w odmianie 14C jest promieniotwórczy i służy naukowcom do określania wieku próbek.
12C posiada w jądrze 6 protonów i 6 neutronów
14C posiada w jądrze 6 protonów i 8 neutronów

Izotopy tego samego pierwiastka nie różnią się (prawie, bo minimalne różnice się zdarzają) właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Wyjątkiem od tej reguły jest jedna cecha - promieniotwórczość. Z zasady duża część izotopów jest promieniotwórcza, co oznacza, że izotopy te mają tendencję do samorzutnego rozpadania się i emitowania przy tym cząstek promieniowania.

Zapisywanie symboliczne różnych izotopów polega na umieszczeniu przy symbolu danego pierwiastka odpowiedniej liczby masowej:

ASp

Gdzie Sp - symbol pierwiastka - np. H (wodór) He (hel) itd...
A - liczba masowa danego izotopu

Np.
238U - oznacza, że mamy do czynienia z izotopem uranu o liczbie masowej 238
235U - oznacza, że mamy do czynienia z izotopem uranu o liczbie masowej 235

Każdy pierwiastek ma swoje izotopy, a duża część z nich jest promieniotwórcza. Jednak ponieważ większość izotopów promieniotwórczych dawno już uległa rozpadowi, to pozostałe są zazwyczaj stabilne i nie promieniują. Dlatego zwykła otaczająca nas materia bywa radioaktywna tylko w śladowych ilościach (mówimy wtedy o promieniotwórczości naturalnej). Jednak w laboratoriach można odtworzyć również te izotopy, które nie występują normalnie w przyrodzie, bo się dawno rozpadły. W ten sposób powstaje tzw. promieniotwórczość sztuczna.

Izotopy promieniotwórcze maja ogromne znaczenie w lecznictwie. Na przykład jod 31I, technet 99Tc, czy potas 40K stosuje się w diagnostyce medycznej. Dzięki nim uzyskuje się tzw. Warstwowe obrazy mózgu i innych organów wewnętrznych.

W przemyśle izotopy promieniotwórcze wykorzystuje się m. in. w tzw. defektoskopii przy badaniu ewentualnych ukrytych wad wyrobów oraz sprawdzaniu szczelności sprawnych metali, przy badaniu składu przepływających cieczy i gazów, przy określaniu jakości materiałów budowlanych, gęstości cementu i ziemi, w przeróbce kopalin przy ustalaniu stopnia wzbogacenia rudy, w czujnikach dymu zainstalowanych w pomieszczeniach, gdzie łatwo o pożar lub gdzie znajduje się cenna aparatura, w czujnikach oblodzenia samolotów.

Izotopy promieniotwórcze mają również zastosowanie w biologii przy śledzeniu obiegu i roli mikroelementów.
W geologii są wykorzystywane do radiometrycznych metod geologicznych, a w badaniach podstawowych - w badaniach dyfuzji i badaniach strukturalnych.
Izotopy mają również zastosowanie w reaktorach jądrowych, które służą do wytwarzania pary zasilającej turbiny elektrowni atomowych.

Życie codzienne

Wielu z nas może nie zdawać sobie sprawy z tego, że izotopy są nam potrzebne w wielu dziedzinach życia.
Jako przykład możemy podać czujniki dymu. Zawierają one alfa-promieniotwórcze izotopy 238Pu, lub 241Am. Sposób działania takich czujników polega na zakłóceniu przez dym wiązki promieniowania izotopu, co powoduje uruchomienie systemu przeciwpożarowego. Dzięki temu, że izotopy promieniują przez bardzo długi okres czasu czujniki te potrafią służyć nam przez wiele lat i są pewnym zabezpieczeniem.
Dużo osób może również nie zdawać sobie sprawy z tego, że nasza żywność również jest napromieniowana. Przeprowadzone kilka lat temu badania wykazały, że żywność utrwalana radiacyjnie (poprzez napromieniowanie za pomocą promieniowania gamma, lub wiązki elektronów) nie jest w żaden sposób szkodliwa dla zdrowia i życia człowieka. Naukowcy doszli również do wniosku, że owa żywność nie traci wartości odżywczych. Dzięki tej metodzie dłużej się utrzymuje, a dodatkową jej zaletą jest podniesienie bezpieczeństwa spożycia.

Izotopy w geologii

Izotopy w dziedzinie geologii są bardzo ważne. Wykorzystuje się wtedy czas połowicznego rozpadu. Polega to na tym, że jądra poszczególnego izotopu promieniotwórczego nie rozpadają się w tym samym czasie. Jedne rozpadają się szybciej, natomiast inne wolniej (proces może trwać od kilku minut do kilku tysięcy lat). Czas rozpadu połowy jąder jest jednak zawsze taki sam, nazywamy go więc czasem połowicznego rozpadu. Znana jest metoda radiowęgla, która pozwala nam ocenić wiek na przykład szczątek wykopanego organizmu. W tym przypadku wykorzystujemy długi okres rozpadu węgla 14C. Po śmierci organizmu ustaje wymiana węgla z otoczeniem. Zapas radiowęgla z czasem ulega coraz większemu zmniejszeniu wskutek przemiany promieniotwórczej 14C, a brak wymiany węgla z otoczeniem uniemożliwia jego uzupełnienie. Skutkiem tego następuje stopniowe zmniejszenie się aktywności węgla w organizmie w skutek połowicznego rozpadu. Metoda ta wykorzystywana jest również przy wykopaliskach archeologicznych.

Najnowsze analizy zawartości izotopów promieniotwórczych w próbkach materii planetarnej i meteorytowej udzielają nam również nowych informacji na temat powstawania naszej planety. Zwłaszcza zainteresowano się badaniem hefnu 182, który rozpada się w wolfram182, przy czym okres połowicznego rozpadu wynosi 9 milionów lat. Na podstawie badań tych izotopów (porównując ich stężenie ze stężeniem w materii meteorytowej, której skład jest prawdopodobnie zbliżony do pierwotnego składu mgławicy, z której powstał nasz Układ Słoneczny) naukowcy stwierdzili, że jądro naszej planety powstało dwukrotnie szybciej niż dotąd przypuszczano, czyli 29 milionów lat po uformowaniu się słońca.

Elektrownie jądrowe

Doskonałym przykładem obrazującym obawy i nadzieje ludzi związane z promieniotwórczością jest elektrownia jądrowa. Elektrownia jądrowa nazywana także atomową, jest to elektrownia, która w skali przemysłowej przetwarza energię jądrową na elektryczną. Elektrownia jądrowa jest zwykle połączeniem reaktora jądrowego dużej mocy z klasyczną elektrownią cieplną. Moc elektrowni zależy od rodzaju reaktora i metody chłodzenia. Uzyskiwana z elektrowni atomowej moc cieplna jest następnie zamieniana na energię elektryczną. Jest to bardzo korzystne dla środowiska, ponieważ uzyskujemy energię elektryczną bez konieczności stosowania będących już na wyczerpaniu naturalnych paliw kopalnych, takich jak węgiel kamienny czy brunatny, lub ropa naftowa. Przykładowo, jeden gram uranu-235 ma wydajność energetyczną odpowiadającą 2,7 tony węgla kamiennego. Bardzo istotnym jest fakt, iż elektrownia jądrowa nie degraduje środowiska, nie emitując do atmosfery szkodliwych produktów spalania takich jak różnego rodzaju gazy i pyły. W ostatnich latach dał się zaobserwować narastający sprzeciw społeczeństw przeciwko energetyce jądrowej. Niewątpliwie jest on spowodowany skutkami składowania odpadów radioaktywnych oraz skutkami awarii reaktorów atomowych np. w 1986 roku w Czarnobylu, gdzie główną przyczyną tej tragedii była niewłaściwa decyzja człowieka. Gdy nastąpił wybuch reaktora postanowiono zalać go wodą co spowodowało powstanie radioaktywnej chmury. Niemniej jednak faktem jest, że oddziaływanie elektrowni jądrowej na środowisko jest mniej szkodliwe niż elektrowni cieplnych.

Broń masowego rażenia

Przykładem złego wykorzystania izotopów promieniotwórczych jest niewątpliwie stworzenie broni masowej zagłady, przy której przede wszystkim korzysta się z energii jądrowej. Broń tą po raz pierwszy zastosowano w czasie II wojny światowej. Pierwszymi ofiarami byli mieszkańcy Hiroszimy i Nagasaki. Bomby jądrowe zrobione są w znacznej części z trotylu. W czasie wybuchu cały ładunek zamienia się w gazy osiągające temperaturę 1000000 stopni Celsjusza. Promieniowanie cieplne rozprzestrzenia się z prędkością 300 tys. Kilometrów na sekundę (prędkość światła) niszcząc wszystko na swojej drodze. Ta broń w rękach człowieka jest czymś najniebezpieczniejszym na świecie. Uważam, że człowiek nie dojrzał do posiadania takiej mocy.

Podsumowanie

Uważam, że izotopy są dla nas w znacznej mierze błogosławieństwem. Dzięki nim jesteśmy w stanie odgadywać zagadki przeszłości, które mogły by być dla nas wieczną tajemnicą. Badania prowadzone nad izotopami pozwoliły na uśmierzenie bólu, ale również na zadawanie go przez nieprzemyślane używanie broni jądrowej. Dają nam one energię, lecz zarazem ta energia źle zagospodarowana przysparza wiele szkód. Jednak myślę, że izotopy zajmują ważna pozycję w naszym życiu i nawet nie zdajemy sobie sprawy z tego ile ich jest wokół nas.