Zastosowanie izotopów promieniotwórczych

1. Broń jądrowa

Broń masowego rażenia, w której wykorzystuje się reakcję rozszczepienia jąder lub reakcję jądrową do wyzwalania w krótkim czasie ogromnych ilości energii (wybuch jądrowy). Wyróżnia się następujące rodzaje broni jądrowej:

a) 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, z których każda ma masę mniejszą 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 trotylu.

b) Bomba termojądrowa (wodorowa) - składa się z substancji czynnej (prawdopodobnie mieszaniny deuteru i trytu lub deuterku litu 6LiD), połączonej z bombą jądrową i pełniącą funkcję zapalnika. Wybuch bomby jądrowej wytwarza temperaturę rzędu 107 K, niezbędną do zapoczątkowania niekontrolowanej reakcji termojądrowej. Moc bomby termojądrowej może dochodzić do 100 milionów ton trotylu.

c) 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 gamma, co powoduje znaczne skażenia promieniotwórcze terenu. Jak dotychczas, taka bomba nie była wypróbowana.

d) Bomba neutronowa - bomba termojądrowa, której główną część energii wybuchu unosi strumień neutronów szybkich. Niszczy przede wszystkim organizmy żywe.

2. Bomba kobaltowa

Urządzenie do napromieniowywania przedmiotów lub organizmów żywych promieniami emitowanymi przez izotop kobaltu 60Co o aktywności rzędu 10^13-10^14 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.

3. Nauka i technika

Obecnie jest już znanych około 1000 nietrwałych, promieniotwórczych izotopów pierwiastków chemicznych (radioizotopów) oraz około 300 trwałych. Wyodrębnienie, rozdzielenie i badanie chemiczne pierwiastków promieniotwórczych obejmuje dziedzinę 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, takich 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 gamma 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.

4. Lecznictwo

Inne zastosowanie znajdują izotopy w lecznictwie. Tak na przykład choroby raka można leczyć przez naświetlanie promieniami X lub gamma. Do czasu odkrycia radioizotopów stosowano w tym celu promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie gamma radu. Obecnie coraz częściej stosuje się promieniowanie gamma 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 gamma 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.

5. Jako źródło 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.