3.7: Изотопы и радиоизотопы

В начале 1900-х годов английский химик Фредерик Содди обнаружил, что элемент может иметь атомы с разными массами, которые химически неразличимы. Эти различные типы называются изотопами – атомы одного и того же элемента, отличающиеся массой. Изотопы отличаются по массе из-за наличия разного количества нейтронов, но химически они идентичны, так как содержат одинаковое количество протонов. За это открытие Содди был удостоен Нобелевской премии по химии в 1921 году.

Изотоп, содержащий большее количество нейтронов, называется тяжелым изотопом. Тяжелые изотопы обычно нестабильны, и нестабильные изотопы являются радиоактивными. Радиоактивный изотоп – это изотоп, ядро которого легко распадается, испуская субатомные частицы и электромагнитную энергию. Различные радиоактивные изотопы (радиоизотопы) имеют разный период полураспада, то есть время, за которое половина образца изотопа распадётся.

Радиоизотопы испускают субатомные частицы, которые могут быть обнаружены и отслежены с помощью технологий изображений. Слабо радиоактивные изотопы, называемые радиоиндикаторами, с короткими периодами полураспада, могут использоваться в медицинской диагностике. Обычно они выводятся из организма через лёгкие, мочу или кал в течение нескольких часов или дней. Благодаря слабому излучению и короткому периоду полураспада, эти радиоиндикаторы не представляют угрозу для вызванного радиацией заболевания.

Позитронно-эмиссионная томография обнаруживает активность радиоактивной глюкозы, простого сахара, которым клетки пользуются для получения энергии. Камера (ПЭТ) показывает, какие ткани пациента поглощают наибольшее количество глюкозы. Самые метаболически активные ткани отображаются как яркие "горячие пятна" на изображениях. (ПЭТ) может обнаружить раковые опухоли, так как раковые клетки потребляют глюкозу с высокой скоростью для своего быстрого размножения.

Чрезмерное воздействие радиоизотопов на организм может повредить клетки человека и даже вызвать рак и врождённые аномалии, но при контролируемом воздействии некоторые радиоизотопы могут быть полезны в медицине. Радиотерапия использует высокоэнергетическое излучение для повреждения ДНК раковых клеток, что останавливает их деление или уничтожает их.

Адаптированная версия текста Openstax, Chemistry 2e, Section 2.3: Atomic Structure and Symbolism, Section:2.2: Evolution of Atomic theory and Anatomy and Physiology 2e, Section 2.1: Elements and Atoms: the building blocks of matter.

Изотопы — это атомы элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов, в результате чего образуются формы одного и того же элемента с разными массовыми числами, но одинаковыми атомными номерами.

Например, элементарный водород имеет три изотопа – водород с нулем, дейтерий с одним и тритий с двумя нейтронами.

Обычно более тяжелые изотопы определенных элементов имеют тенденцию иметь нестабильное ядро, которое испускает излучение путем радиоактивного распада, превращая их в другие стабильные нерадиоактивные продукты. Такие изотопы называются радиоизотопами.

Например, тритий, тяжелый изотоп водорода, подвергается бета-распаду. Один из двух его нейтронов превращается в протон за счет излучения бета-частицы с низкой энергией, образующей более стабильный нерадиоактивный изотоп гелий-3.

Слабые радиоактивные изотопы могут быть прослежены внутри человеческого организма для изучения функций организма и помощи в диагностике заболеваний.

Например, при позитронно-эмиссионной томографии для идентификации раковых клеток используется радиофармпрепарат фтордезоксиглюкозы, меченный фторсодержанием-18.

Другой радиоизотоп, таллий-201, используется для мониторинга притока крови к сердцу, помогая в диагностике сердечных заболеваний.