Zastosowanie w medycynie

Dość szybko badacze pierwiastków promieniotwórczych zorientowali się, że pierwiastki radioaktywne nie są obojętne dla ludzkiego organizmu.
Becquerel wielokrotnie przenosił pomiędzy laboratoriami nieco soli radu, którą przechowywał w szklanej fiolce w kieszonce kamizelki. Zauważył on, że skóra pod kamizelką uległa zaczerwienieniu. Był to rumień popromienny powstały wskutek oparzenia skóry. Później zaczerwienienie przekształciło się w ranę. Niestety w 7 lat później rana ta stała się przyczyną przedwczesnej śmierci Becquerela.
Te i inne obserwacje nasunęły uczonym myśl o możliwości zastosowania substancji promieniotwórczych do leczenia nowotworów złośliwych. Podjęto, więc badania nad wpływem promieniowania na organizmy żywe. Jedno z tych doświadczeń polegało na przytknięciu do skroni materiału promieniotwórczego. Osoba badana - mimo zamknięcia oczu - widziała poświatę. Było to spowodowane efektem fluorescencji płynu w gałce ocznej pod wpływem silnego promieniowania jonizującego oraz pobudzenia nerwu wzrokowego przez promieniowanie.
Najwcześniej w medycynie do niszczenia komórek nowotworowych został wykorzystany rad. Miligramowe ilości soli radu zamyka się w uszczelnionych metalowych cienkich cylinderkach (rurkach). Ze względu na ich kształt nazywa się je igłami radowymi. Igły radowe umieszcza się w chorych tkankach i pozostawia na pewien czas. Napromieniowane komórki nowotworowe ulegają zniszczeniu.

Wyznaczanie wieku minerałów

Bardzo długo żyjące naturalne substancje promieniotwórcze, szczególnie ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K i ⁸⁷Rb, mogą służyć jako mierniki wieku skały, w której są zawarte. Zmierzona ilość produktu przemian jądrowych w minerale w stosunku do zawartości radionuklidu wyjściowego jest miernikiem upływu czasu.
Wszystkie trzy naturalne szeregi uranu i toru kończą się na trzech różnych trwałych izotopach ołowiu: ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb i ²⁰⁸Pb. Schematycznie szeregi te można ująć równaniami:

Oznaczenie zawartości uranu lub toru w minerale w stosunku do ilości ołowiu umożliwia określenie wieku minerału. Ponieważ uran-235 i uran-238 występują razem oraz ulegają rozpadowi z różnymi szybkościami, wiek skały ustala się ze stosunku ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb. Uzyskane wartości stosunku ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb wskazują, jak długo w tym minerale trwał proces rozpadu izotopów uranu. Podobnie określa się wiek minerałów zawartości izotopów ołowiu, pochodzących z rozpadu uranu-238 i toru-232 (²⁰⁶Pb/²⁰⁸Pb). Badania te okazały się niezastąpione w określaniu wieku Ziemi. Bada się także zawartość tych pierwiastków w meteorytach.
W czasie przemian promieniotwórczych w omawianych szeregach promieniotwórczych są emitowane cząstki a, czyli jądra helu. Promieniowanie zachodzi jednakowo, zarówno na powierzchni jak i we wnętrzu skały. Cząstki a przyłączają elektrony na skutek jonizacji ośrodka i stają się atomami helu. Duża część helu zostaje zamknięta wewnątrz minerału. Jeden gram uranu rocznie produkuje pewną ilość helu, a więc na podstawie pomiaru zawartości helu w skale można określić jej wiek. Metodę te nazywa się zegarem helowym.
Wiek skał oznacza się także metodą strontową, na podstawie zawartości strontu-87 powstałego na skutek rozpadu ß- naturalnego izotopu rubidu-87. Metoda ta daje wyniki sięgające 3,5 mld lat.
Stosowana jest także metoda argonowa, polegająca na mierzeniu zawartości w skałach argonu-40. Metoda ta znalazła zastosowanie w oznaczaniu wieku licznych minerałów zawierających potas. Uzyskane tą metodą wyniki okazały się zgodne z wartościami liczbowymi otrzymanymi ze stosunku ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb.

Zegar archeologiczny

Węgiel ¹⁴C, wytworzony w górnych warstwach atmosfery, wraz z węglem niepromieniotwórczym ulega asymilacji przez rośliny w postaci dwutlenku węgla. Następnie przez pożywienie dostaje się do organizmu człowieka. Równowaga, jaka się ustala w procesach odżywiania i oddychania w danym środowisku, sprawia, że stężenie węgla w organizmach żywych jest stałe. W przypadku obumarcia organizmu ¹⁴C przestaje być uzupełniany i z upływem czasu jego stężenie w obumarłych szczątkach organizmu ulega zmniejszeniu na skutek rozpadu promieniotwórczego. Na podstawie znajomości pierwotnego stężenia C-14 w organizmie oraz znanego okresu półtrwania węgla C-14 można określić wiek przedmiotu pochodzenia organicznego. W związku z tym węgiel C-14 jest nazywany zegarem archeologicznym. Metodę tę opracował amerykański chemik Willard Libby. To właśnie on obliczył, że na Ziemi w stanie równowagi znajduje się 80 ton węgla C-14, co stanowi wielkość krańcowo małą w stosunku do ogromnej ilości zwykłego niepromieniotwórczego izotopu węgla ¹²C. Większość dat uzyskanych za pomocą oznaczania zawartości węgla C-14 jest zgodna z danymi ustalonymi przez archeologów.
Stężenie węgla C-14 jest takie samo w atmosferze na całej Ziemi. Nie uległo ono praktycznie większym zmianom na przestrzeni wieków. Niestety po intensywnych próbach z bronią jądrową stężenie tego izotopu zaczęło rosnąć. Jednocześnie obserwuje się efekt odwrotny. Od początku naszego stulecia elektrownie pracujące na węglu kamiennym oraz silniki spalinowe dostarczają do atmosfery miliardy ton CO₂ rocznie. W związku z tym, na skutek rozcieńczenia stężenie węgla ¹⁴C ulega ciągle zmniejszeniu. Tak, więc nie wiadomo, czy nasi potomkowie w przyszłości będą mogli stosować tę metodę do określania wieku znalezisk z naszej epoki.

Metoda trytowa

Libby opracował analogiczny sposób określania wieku wody, odciętej od możliwości wymiany z innymi zbiornikami wód oraz z parą wodną atmosfery. Gdy woda znajdzie się w zamkniętym zbiorniku, zatrzymuje się dopływ trytu i ilość jego zaczyna maleć na skutek rozpadu promieniotwórczego b^-. Okres przechowywania wody w zamkniętym zbiorniku można określić mierząc zawartość w niej trytu. Metodą tą oznacza się m.in. wiek win. Metoda ta ma zastosowanie do określania wieku maksymalnie ok. 30 lat, ponieważ czas połowicznego rozpadu trytu wynosi ok. 12 lat. Trytu wytworzonego w atmosferze ziemskiej w wyniku reakcji jądrowych neutronów promieniowania kosmicznego i azotu jest niewiele. Szacuje się, że na Ziemi jest go od kilku do kilkunastu kilogramów. Niestety od 1954 roku znaczne ilości trytu zostały wytworzone w atmosferze w wyniku prób nuklearnych (głównie termojądrowych), co znacznie utrudnia interpretację wyników. Ważnym źródłem trytu są także reaktory jądrowe.

Literatura