• Nie Znaleziono Wyników

Sztuczna promieniotwórczość i jej zastosowania

Zjawisko sztucznej promieniotwórczości, jedna z najwspanialszych zdobyczy fizyki jądrowej, zostało odkryte przez I. Curie i F. Joliot w stycz­

niu 1934 r. Za to odkrycie dostali oni nagrodę Nobla.

Badając wysyłanie pozytronów (elektronów dodatnich) przez ciała bombardowane cząstkami alfa, zauważyli oni, że wysyłanie to nie następu­

je natychmiast, lecz dopiero po pewnym czasie i nie ustaje od razu po- przerwaniu bombardowania, lecz trw a jeszcze przez jakiś czas.

Podczas bombardowania przez kilka minut płytki aluminiowej cząs­

tkami alfa polonu okazało się, że wysyła ona promieniowanie (pozytrony) jeszcze przez pewien czas po usunięciu źródła wysyłającego cząstki alfa.

Promieniotwórczość ta zanikała według prawa wykładniczego1) i spadała do połowy po upływie około 3 minut.

W doświadczeniu tym pierwotna reakcja musi przebiegać według wzoru:

21 4 30 1 21

Al - f He —► P* + n 1

13 2 15 0 * 2

1) Prawo wykładnicze polega na tym, że ilość atomów idanego pierwiastka promieniotwórczego zmniejsza się przez rozpad — według funkcji wykładniczej. Jeżeli N t oznacza ilość istniejących atomów po czasie t, a N „ ilość atomów w momencie, od którego rozpoczęto mierzyć czas, to

Nt — No e ~ 'k t gdzie k jest t0 stalu rozpadu.

W rozpadzie podlegającym prawu wykładniczemu po pewnym określonym czasie ilość atomów spada do po­

łowy, następnie po tym samym czasie znów spada do potowy pozostałej ilości 'atomów i tak dalej. Ten okres czasu jest to tzw. czas połowicznego zaniku.

2) Przemiany jądrowe zapisuje się podobnie ja k reakcje chemiczne przy pomocy używanych w che­

mii symboli pierwiastków. Np. Al — glin, n — neutron, ¡5 — elektron. Liczby znajdujące się przy symbolu pierwiastka oznaczają: górna — liczbę masową, będącą zaokrąglonym ciężarem atomowym, dolna — licz­

bę porządkową w układzie periodycznym, wyrażającą ładunek jądra. Gwiazdka przy symbolu oznacza, że Pierwiastek jest promieniotwórczy.

Otrzymywany w niej izotop fosforu jest promieniotwórczy i po pew­

nym czasie samorzutnie przechodzi w trw aiy izotop krzemu wyrzucając

pozytron:

30 30 0

P* — ► Si + ß+

15 14 1

Podobnie bor i magnez bombardowane przez cząstki alfa dają subs­

tancje promieniotwórcze, których czasy połowicznego zaniku, mierzone przez Cuiie i Joliot wynosiły 14 min. i 2,5 min. Te substancje promienio­

twórcze są to izotopy azotu ' N* i glinu “ Al*

Charakter chemiczny otrzymywanego pierwiastka promieniotwórcze­

go został określony w każdym wypadku i był zgodny z teoretycznymi prze­

widywaniami. W wypadku np. boru Curie i Joliot bombardowali cząstkami f a azotek boru BN, będący ciałem stałym. Następnie rozkładali go dzia- łając gorącym ługiem sodowym. W rezultacie azot wydzielał się w postaci amoniaku, a bor pozostawał w roztworze. ,

• i ^ a^ aBłc promieniotwórczość produktów reakcji, stwierdzili oni, że amo­

niak był promieniotwórczy, zaś związek boru nie. Otrzymany pierwiastek promieniotwórczy ma więc charakter chemiczny azotu. Świadczy to w spo­

sób oczywisty, że bor uległ przemianie w azot. F Te wyniki badań Curie i Joliot zwróciły zainteresowanie wielu uczo- nych ku zagadnieniu sztucznej promieniotwórczości. W Anglii Cockroft i W alton, bombardując przyśpieszonymi jonami różne substancje, otrzy­

mali nowe pierwiastki promieniotwórcze. W Ameryce Lawrence, Lauritsen Crane i mm potrafili tą drogą otrzymać sztuczne pierwiastki promienio­

twórcze w znacznych ilościach, tak że promieniotwórczość tych preparatów dorównywać lub nawet przewyższała promieniotwórczość grama radu.

W Rzymie Fermi i jego uczniowie zapoczątkowali nową metodę otrzy­

mywania szaicznych pierwiastków promieniotwórczych przez' bombardo­

wanie neutronami. Te i podobne badąnia doprowadziły do tego że obecnie znamy około 500 izotopów nietrwałych, czyli tzw sztucznych pierwiastków promieniotwórczych. Prawie każdy pierwiastek posiada izotop promie­

niotwórczy, a niektóre mają ich nawet po kilka.

Zasadnicze prawa rozpadu promieniotwórczego są te same dla pier­

wiastków promieniotwórczych naturalnych i sztucznych. Sztuczne pier­

wiastki promieniotwórcze różnią się jednak od naturalnych tym, że wiele z nich przechodzi w atomy trwałe, wyrzucając pozytrony, co jest zupeł­

nie niespotykane w wypadku naturalnej promieniotwórczości. Inne sztuczne pierwiastki promieniotwórcze wyrzucają elektrony lub przecho­

dzą w atomy trwałe na drodze procesu pochwycenia przez jądro własne­

go elektronu z warstwy K (K — electron capture) i tylko bardzo nielicz­

ne, prawdopodobnie tylko trzy, wyrzucają cząstki alfa.

Sztuczne pierwiastki promieniotwórcze otrzymuje się w różnych reakcjach, bombardując odpowiednie substancje protonami, deutonami lub cząstkami alfa, ale najłatw iej powstają one, jak wiemy z badań E Fer­

STANISŁAW ROUPPERT 389

miego, przy bombardowaniu neutronami. Tylko jeden pierwiastek a mia­

nowicie hel, nie reaguje z neutronami.

Przy bombardowaniu neutronami najczęstszym procesem jest „zw y­

kle pochwycenie“ (simple capture). Można tę reakcję wyrazić symbolicz­

nie:

i

M A -j- n — ► M + 1 A (A — atom, M — liczba masowa)

O

Otrzymane jądro jest izotopem cięższym od izotopu trwałego, jest ono przeważnie promieniotwórcze i wyrzuca elektrony.

Sztucznych pierwiastków promieniotwórczych jest bardzo dużo, nie tych, które mogą mieć zastosowanie praktyczne, nie jest tak wiele, gdyż muszą one byc stosunkowo łatwe do otrzymania i mieć czas połowicznego zaniku ani zbyt długi, ani zbyt krótki.

Zjawisko sztucznej promieniotwórczości próbowano wykorzystać w chemii, biologii i medycynie.

O tak szerokim jej zastosowaniu decyduje ogromna ilość sztucznych pierwiastków promieniotwórczych oraz fakt, że obecność ich jest łatwa do wykrycia. Ponieważ w reakcjach chemicznych izotopy wykazują te sa­

me własności, można zatem zmieszać nieznaczną ilość izotopu promienio- twórciego z izotopem trw ałym i badać zachowanie się danego pierwias­

tka, śledząc promieniotwórczość jego izotopu nietrwałego.

W praktyce wymagania poszczególnych nauk ograniczają możliwość zastosowania sztucznych pierwiastków promieniotwórczych do tych jedy­

nie, które wymaganiom tym czynią zadość.

Tak np. w biologii wymagane jest przeważnie, aby dany pierwiastek występował U' jakimś określonym związku chemicznym, najlepiej w związ­

ku organicznym. Przy bombardowaniu jednak, nawet neutronami, atom podlegający przemianie zostaje zazwyczaj wyrwany ze związku chemicz- nego, w którym występował. Jeżeli związek ten jest bardzo trw ały, to da­

ny atom,^ o ile w przemianie nie zmienił swych własności chemicznych, może znów wytworzyć ten sam związek. Jeżeli jednak związek chemicz­

ny jest nietrwały, to po przemianie atom tworzy inny, trwalszy związek.

W pewnych wypadkach przy bombardowaniu neutronami może ten efekt być bardzo dogodny, jeżeli chodzi o oddzielenie izotopu promienio­

twórczego.

Jeżeli np. bombardujemy w roztworze wodnym związek organiczny arsenu, to po przemianie arsen zostaje wyrwany ze związku i tworzy wol­

ne jony w roztworze, skąd łatwo go oddzielić.

Z drugiej jednak strony, ze względu na tę właściwość, gdy chcemy otrzymać związek organiczny zawierający sztuczny pierwiastek promie­

niotwórczy, trzeba często przeprowadzać żmudną syntezę takiego związku.

Sztuczne pierwiastki promieniotwórcze o najczęstszych zastosowa­

niach są otrzymywane przez bombardowanie deutonami lub neutronami otrzymywanymi przy pomocy cyklotronu. Cyklotron jest to przyrząd po­

zwalający przyśpieszać jony. Jony poruszające się po spirali w polu ma­

gnetycznym, za każdym obiegiem są dwa razy przyśpieszane przez pole

elektryczne zmienne tak dobrane, że nadaje ono przyśpieszenie jonowi każdorazowo w tym samym kierunku.

, PrzY pomocy cyklotronu można osiągać bardzo wielkie prędkości io-

now, p. więc dużą ich energię. " J

Przy bombardowaniu deutonami w cyklotronie trzeba ochładzać ta r­

czę bombardowaną. W pewnych wypadkach trzeba ją nawet w tym celu oy wytrzymywała ogrzewanie wywoływane strumieniem jonów, pokry­

wać cienką ochronną blaszką aluminiową czy złotą.

. jcr ?y rozszczepieniu uranu powstają także wielkie ilości różnych pier­

wiastków promieniotwórczych. Wobec możliwości wywoływania obecnie reakcji awmowej rozpadu uranu, można by było otrzymywać niektóre pierwiastki promieniotwórcze w wielkich ilościach op. kilku kilogramów

Jeżeli choGzi o koncentrację otrzymywanych pierwiastków promienio­

twórczych, to najczęściej stosuje się metodę Szilarda i Chalmersa. Ma ona zastosowanie wtedy gdy pierwiastek promieniotwórczy jest izotopem pierwiastka bombardowanego. Podstawą tej metody są dwa fakty stwier­

dzone doświadczalnie: po pierwsze: ilość otrzymywanych atomów promie­

niotwórczych jest bardzo mała w porównaniu z całkowitą ilością atomów danego pierwiastka, występującego w związku chemicznym, i po drugie- przy bombardowaniu atomy promieniotwórcze powstające w przemianach są wyrywane ze związków chemicznych, w których występują. Jeżeli bom- bai dujemy związek organiczny, to wyrwany atom jest przez chwilę przy­

najmniej wolny, a potem wraca do związku lub tworzy inny.

Szilard i Chalmers dodawali do danego związku organicznego trochę pierw ustka w stanie czystym. W tym wypadku po bombardowaniu do pier­

wotnego związku powracają głównie atomy zwykłe, gdyż jest ich o wiefc więcej niz promieniotwórczych, a te ostatnie koncentrują się w stanie czystym i mogą być łatwiej oddzielone. W ten sposób w praktyce można oddzielić do 40% ilości pierwiastka promieniotwórczego.

Metoda ta stosowana jest w wielu wypadkach z bardzo dobrym w yni­

kiem np. dla wyodrębnienia promieniotwórczych chlorowców i arsenu z ich związków organiczych.

Można także łatwo oddzielić sztuczne pierwiastki promieniotwórcze, gdy różnią się one chemicznie od pierwiastka bombardowanego. Stosuje się wtedy zwykłe metody chemiczne, dodając trochę izotopu trwałego da- negó pierwiastka w stanie czystym. Pierwiastki takie otrzymujemy albo przez bezpośrednie bombardowanie deutonami albo też przez bombardo­

wanie neutronami w przemianach z wyrzuceniem cząstek.

Aby pierwiastki promieniotwórcze mogły być zastosowane dla celów praktycznych, muszą one występować w stanic związanym.

W pewnych wypadkach jest to zupełnie łatwe do osiągnięcia, jeżeli chodzi o proste związki. Jeżeli jednak chce się otrzymać bardziej skompli­

kowany związek organiczny np. hormon, zawierający pierwiastek promie­

niotwórczy,^ to trzeba wykonać trudną syntezę tego związku i należy to zrobić dość szybko, gdyż promieniotwórczość danego preparatu maleje, szczególnie jeżeli ma się do czynienia z pierwiastkiem o krótkim czasie połowicznego zaniku.

SZTUCZNA PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ i JEJ ZASTOSOWANIA 391 Tutaj ciekawe były metody zastosowane przez Rubena w Ameryce, który używai bakterii do syntezy między innymi kwasu octowego, me­

tanu i węglowodanów z dwutlenku węgla, gdyż węgiel promieniotwórczy otrzymuje się przeważnie w postaci dwutlenku węgla. Sztuczne pierwias­

tk i promieniotwórcze mogą być stosowane w różnych naukach jak che­

mia, biologia, medycyna dla badania reakcji, które n;e były do niedawna dostępne systematycznej obserwacji.

W chemii sztuczna promieniotwórczość pozwoliła na udoskonalenie empirycznych metod badawczych szeregu zjawisk, dotychczas niedostęp­

nych obserwacji. Badano np. reakcję wymiany między dwoma związkami zawierającymi ten sam pierwiastek np. związkiem organicznym a nieor­

ganicznym, które znajdują się razem w roztworze.

W tym celu umieszczono w jednym z nich pierwiastek promieniotwór­

czy i następnie po pewnym czasie rozdzielano te związki i badano ich pro­

mieniotwórczość, na podstawie której wnioskowano o przechodzeniu da­

nego pierwiastka z jednego związku do drugiego. Można także w podobny sposób badać reakcję wymiany między płytką jakiegoś metalu a roztwo­

rem soli tegoż metalu.

Sztuczną promieniotwórczość można również zastosować przy roz­

dzielaniu substancji chemicznych np. ziem rzadkich. Pozwala ona na w y­

krywanie najdrobniejszych śladów danej substancji (zawierającej pierwia­

stek promieniotwórczy), które inną drogą są niewykrywalne.

Z innych zastosowań sztucznej promieniotwórczości w chemii warto podkreślić, że umożliwia ona eksperymentalne badanie dyfuzji danego me­

talu w innym lub też w nim samym np. złota w złocie. Obserwowanie tego zjawiska bez zastosowania sztucznej promieniotwórczości było dotych­

czas niemożliwe.

Z różnorodności tych kilku przykładów zastosowań sztucznej pro­

mieniotwórczości widzimy, że zjawisko to może odegrać dużą rolę w rozwoju chemii.

W biologii stosowano sztuczną promieniotwórczość dla badania pro­

cesu przyswajania różnych ciał przez organizmy żywe. Np. Ruben, Hassid i Kamen badali fotosyntezę przy pomocy węgla promieniotwórczego C 51 który ma raczej krótki czas połowicznego zaniku 21 min. O trzym y­

wany był on przy pomocy następującej reakcji przez bombardowanie boru deutonami:

1° 2 11 1

B + H —► C* -1- n

i fi u

Powstający tu tlenek węgla był utleniany na CO2. Promieniotwórczy CO2 był następnie wprowadzany do naczyń z roślinami, które poddawano naświetlaniu w ciągu różnego czasu. Następnie rośliny krajano na skrawki, wydobywano z nich rozpuszczalne w wodzie węglowodany i badano ich promieniotwórczość. Potwierdziło to w sposób niewątpliwy i pozwoliło na ilościowe zbadanie zjawiska znanego już przedtem w ogólnych zary­

sach, polegającego na tym, że rośliny przyswajają węgiel o wiele inten­

sywniej, gdy są oświetlone, niż gdy pozostają w ciemności, a nie przyswa­

jają zupełnie, jeżeli przedtem i w czasie wprowadzenia CO« były w ciem­

ności.

Innym takim przykładem są badania Ballarda i Deana nad fosforem promieniotwórczym n P* o czasie połowicznego zaniku 14,3 dnia.

Badając zatrzymywanie fosforu przez różne gleby stwierdzili oni, że w zależności od ich rodzaju był on zatrzymywany w granicach od 20% do 95%. Następnie dodali fosforu promieniotwórczego do doniczek zawierających glebę, zatrzymującą dobrze fosfor. W doniczkach tych rosły pomidory. Pozwolono rosnąć jakiś czas tym roślinom, a następnie

badano bezpośrednio promieniotwórczość liści. Okazało się, że fosfor został zaabsorbowany w liściach dopiero po tygodniu. Hamilton zrobił bardzo interesujące zdjęcie roślin przy pomocy ich promieniowania.

Liście pomidorów zasilanych fosforem promieniotwórczym, położył na k li­

szy fotograficznej i promienie wysyłane przez nie oddziaływały bezpośred­

nio na kliszę. Zaciemnione miejsca na kliszy wskazywały na skupienia fosforu.

Badano także rozmieszczenie fosforu u szczurów w różnym czasie po zaaplikowaniu im tego pierwiastka. Okazało się, że po upływie czterech godzin najwięcej fosforu było w krw i i żółci, ale po dłuższym okresie ca­

ły prawie fosfor był skupiony w kościach. Przedostawanie się fosforu do zębów okazało się bardzo szybkie, występował on w nich prawie od razu w małych ilościach, a po paru dniach już w znacznych koncentracjach.

Przeprowadzone były także badania nad jodem 1* o czasie połowicz- łowicznego zaniku 26 minut i jodem ss 1* o czasie zaniku 8 dni.

Hertz, Roberts i Evans zastrzykiwali promieniotwórczy jod królikom i badali następnie rozmieszczenie jego w organizmie. Okazało się, że jod skupiał się głównie w tarczycy.

Ilość jodu w tarczycy po pierwszej dawce silnie wzrosła, ale przy następnych wzrastała już powoli. Widać stąd więc, że jod lepiej podawać w pojedynczych dawkach w dużych odstępach czasu niż przez częste pow­

tarzanie dawek.

Badań nad jodem promieniotwórczym zostało przeprowadzonych bar- d z ) wiele.

W doświadczeniach z żelazem promieniotwórczym używany był izo­

top 2e Fe* o 'bardzo dogodnym czasie połowicznego rozpadu — 47 dni.

Hahn, Bale, Lawrence, i Wipple zaobserwowali, że gdy podawali psom żelazo, to psy anemiczne przyswajały znaczne ilości żelaza, a psy normal­

ne tylko bardzo małe.

Lawrence, Erf i I uttle, badając rozmieszczenie fosforu promienio- twórczego w różnych komórkach myszy chorych na białaczkę, stwier­

dzili, że ma on tendencję do skupiania się w komórkach chorych, działa­

jąc na nie niszcząco dzięki swemu promieniowaniu. Próby wykorzystania tych wyników w praktyce lekarskiej okazały się pozytywne: chorzy zaży­

wający co kilka tygodni promieniotwórczy fosfor czuli się lepiej.

\

SZTUCZNA PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ i JEJ ZASTOSOWANIA 393 Pierwsze próby zużytkowania sztucznej promieniotwórczości w me­

dycynie pozwalają określić dalsze możliwości jej zastosowania.

Dla leczenia np. chorób wymagających zniszczenia w sposób selekcyj­

ny cher>ch tkanek należało by znaleźć odpowiedni pierwiastek promienio­

twórczy wysyłający promienie beta i skupiający się w tych tkankach.

Jeszcze ciekawsze perspektywy w tej dziedzinie otwiera pomysł K ru ­ gera, który proponował wprowadzenie do organizmu chorego trwałego

pierwiastka skupiającego się tylko, lub między innymi, w chorej tkance, a następnie wywoływanie w określonym miejscu sztucznej jego promie­

niotwórczości przy pomocy naświetlania neutronami.

Podane wyżej przykłady pozwalają zorientować się, jak doniosłe zna­

czenie może mieć zastosowanie sztucznej promieniotwórczości w poszcze­

gólnych naukach.

Umożliwia ona przeprowadzanie doświadczeń, które bez niej byłyby praktycznie nieosiągalne lub ogromnie utrudnione.

Zastosowaniem fizyki jądrowej w biologii i medycynie interesował się szczególnie F. Joliot.

W swoim laboratorium w College de France propagował on zespoło­

wą pracę fizyka, chemika i biologa lub lekarza. Fizyk przygotowywał dany pierwiastek promieniotwórczy przy pomocy cyklotronu, chemik wprowadzał ten pierwiastek w wymagany związek chemiczny, zaś le­

karz lub biolog aplikował go żywym organizmom, wreszcie znowu fizyk badał promieniotwórczość preparatów z różnych części organizmu. Współ­

praca ta nie ograniczała się wyłącznie do wykonywania przez Każdego z nich czynności należących do jego specjalności, lecz dyskutowali oni wspólnie poszczególnie wyłaniające się w trakcie doświadczeń zagadnienia.

Badali oni rozmieszczenie jodu i arsenu w organizmie myszy i kró li­

ków w różnym czasie po zaaplikowaniu.

Odkrycie sztucznej promieniotwórczości spowodowało przewrót w po­

glądach na budowę jądra atomowego i dało początek wielu płodnym w na­

stępstwa badaniom.

Oceniając jednak znaczenie tego odkrycia dla innych nauk musimy stwierdzić, że jest ono n'emniejsze. Ma ono dla nich charakter pomocni­

czy, pozwalający na udoskonalenie doświadczalnych metod badawczych, będących najistotniejszym czynnikiem postępu w nauce.