3.7: Izotopy i Radioizotopy

Pod koniec XX wieku, brytyjski chemik Frederick Soddy zauważył, że pierwiastek może mieć atomy o różnych masach, które są chemicznie nierozróżnialne. Te różne odmiany nazywane są izotopami - atomami tego samego pierwiastka, które różnią się masą. Izotopy różnią się masą, ponieważ posiadają różną ilość neutronów, lecz są chemicznie identyczne, gdyż mają tę samą liczbę protonów. W uznaniu tego odkrycia, Soddy otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1921 roku.

Izotop, który zawiera więcej neutronów niż zwykła liczba, jest określany jako izotop ciężki. Ciężkie izotopy mają tendencję do bycia nietrwałe, a izotopy o nietrwałej naturze są radioaktywne. Radioaktywny izotop to taki, którego jądro łatwo ulega rozpadowi, emitując subatomowe cząstki i energię elektromagnetyczną. Różne radioaktywne izotopy, znane również jako radioizotopy, różnią się między sobą czasem połowicznego rozpadu, czyli czasem, który upływa, zanim połowa próbki danego izotopu ulegnie rozpadowi.

Radioizotopy emitują subatomowe cząstki, które można wykrywać i śledzić za pomocą technologii obrazowania. Słabo radioaktywne izotopy, zwane radiotracers, o krótkim czasie połowicznego rozpadu, znajdują zastosowanie w obrazowaniu medycznym. Zazwyczaj są one usuwane z organizmu w ciągu kilku godzin lub dni za pośrednictwem płuc, moczu lub kału. Ze względu na niską siłę promieniowania i krótki czas połowicznego rozpadu, te radiotracersy nie stanowią zagrożenia dla zdrowia wynikającego z promieniowania.

Tomografia emisyjna pozytonów (PET) wykrywa aktywność radioaktywnego glukozy, prostego cukru, którego komórki używają do uzyskiwania energii. Kamera PET ujawnia, które tkanki pacjenta pobierają najwięcej glukozy. Najbardziej aktywne metabolicznie tkanki pokazują się jako jasne "gorące plamy" na obrazach. PET może wykrywać guzy nowotworowe, ponieważ komórki nowotworowe pobierają glukozę w dużym tempie, aby zasilić swój szybki rozwój.

Nadmierne narażenie na radioaktywne izotopy może uszkadzać ludzkie komórki oraz prowadzić do powstawania nowotworów i wrodzonych wad rozwojowych. Niemniej jednak kontrolowane narażenie na promieniowanie pozwala na wykorzystanie niektórych radioaktywnych izotopów w medycynie. Radioterapia używa wysokoenergetycznego promieniowania do uszkadzania DNA komórek nowotworowych, co prowadzi do ich śmierci lub uniemożliwia ich podział.

Ten tekst jest adaptacją z Openstax, Chemistry 2e, Section 2.2 Evolution of Atomic Theory, Openstax, Anatomy and Physiology 2e, Section 2.1: Elements and Atoms: the building blocks of matter, and Openstax, Chemistry 2e, Section 21.5: Use of Radioisotopes.

Izotopy to atomy pierwiastka o tej samej liczbie protonów, ale różnej liczbie neutronów, co daje formy tego samego pierwiastka o różnych liczbach masowych, ale tej samej liczbie atomowej.

Na przykład wodór pierwiastkowy ma trzy izotopy - wodór z zerem, deuter z jednym i tryt z dwoma neutronami.

Zwykle cięższe izotopy niektórych pierwiastków mają zwykle niestabilne jądro, które emituje promieniowanie poprzez rozpad promieniotwórczy, przekształcając je w inne stabilne produkty nieradioaktywne. Takie izotopy nazywane są izotopami promieniotwórczymi.

Na przykład tryt, ciężki izotop wodoru, ulega rozpadowi beta. Jeden z jego dwóch neutronów jest przekształcany w proton przez emisję niskoenergetycznej cząstki beta, w wyniku której powstaje bardziej stabilny, nieradioaktywny izotop helu-trzy.

Słabe izotopy promieniotwórcze można śledzić w ludzkim ciele w celu badania funkcji organizmu i pomocy w diagnozowaniu chorób.

Na przykład pozytonowa tomografia emisyjna wykorzystuje radiofarmaceutyk fluorodeoksyglukozy znakowany fluorem-18 do identyfikacji komórek nowotworowych.

Inny radioizotop, tal-201, jest używany do monitorowania przepływu krwi do serca, pomagając w diagnozowaniu chorób serca.