ισότοπα

Ατομικοί πυρήνες που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, και επομένως τον ίδιο ατομικό αριθμό, αλλά διαφέρουν ως προς τον αριθμό των νετρονίων. Επειδή η ατομική μάζα καθορίζεται από το άθροισμα των πρωτονίων και των νετρονίων του πυρήνα, τα ι. έχουν διαφορετική μάζα. Από τους πυρήνες τους ονομάστηκαν κατ’ επέκταση και τα αντίστοιχα στοιχεία ι. Τα ι., επειδή έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό, καταλαμβάνουν την ίδια θέση στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων και έχουν την ίδια χημική συμπεριφορά, αλλά διαφέρουν ως προς τη φυσική τους συμπεριφορά, επειδή έχουν διαφορετική ατομική μάζα. Στη διαφορά αυτή στηρίζονται πολυάριθμες μέθοδοι για τον διαχωρισμό των ι. Η ιδέα ότι θα υπάρχουν άτομα που θα καταλαμβάνουν την ίδια θέση στον περιοδικό πίνακα –και συνεπώς θα παρουσιάζουν την ίδια χημική συμπεριφορά– αν και θα έχουν διαφορετική ατομική μάζα, διατυπώθηκε από τον Άγγλο χημικό Σόντι (1911), ο οποίος προσανατόλισε τις έρευνές του στις ραδιενεργές μεταστοιχειώσεις. Το 1912 ο Σόντι, με βάση το ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ, ανέπτυξε με ιδιαίτερο τρόπο την έννοια των ι., εισάγοντας μια καθαρή διάκριση μεταξύ χημικών ιδιοτήτων που χαρακτηρίζουν το εξωτερικό μέρος του ατόμου (στιβάδες ηλεκτρονίων) και ραδιενεργών ιδιοτήτων που χαρακτηρίζουν τον πυρήνα. Αν και στην εποχή κατά την οποία διατυπώθηκε η έννοια του ι. δεν ήταν γνωστή η σύσταση του ατομικού πυρήνα και συνεπώς δεν ήταν δυνατόν να τεκμηριωθεί η διαφορά των πυρήνων των ι., η έννοια αυτή υπήρξε μία από τις θεμελιώδεις κατακτήσεις της χημείας. Την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της θαρραλέας υπόθεσης του Σόντι έδωσε το 1912 ο Τόμσον, ο οποίος παρατήρησε ότι κατά τον προσδιορισμό του λόγου μάζας προς ηλεκτρικό φορτίο για τα ιόντα του στοιχείου νέον, βρέθηκαν τιμές στις οποίες αντιστοιχούσαν οι μάζες 20 και 22. Τα δεδομένα αυτά επιβεβαίωσε ο Άστον, ο οποίος διαχώρισε τα ιόντα του στοιχείου νέον με διάχυση. Η κατασκευή του φασματογράφου μάζας επέτρεψε, με τις εργασίες του Άστον, να διαχωριστεί ένας μεγάλος αριθμός ι. και να καθοριστούν με μεγάλη ακρίβεια τα ατομικά τους βάρη, τα οποία φάνηκαν να είναι σχεδόν ακέραια πολλαπλάσια του ατομικού βάρους του υδρογόνου. Η ισοτοπική σύσταση των φυσικών στοιχείων διατηρείται με καλή προσέγγιση σε όλη τη Γη. Το 1932 σημειώθηκε ένας σταθμός στις μελέτες των ι.: από το ένα μέρος η φασματοσκοπική ανακάλυψη του δευτερίου (ι. του υδρογόνου με μάζα 2) άνοιξε τον δρόμο σε πολυάριθμες σημαντικές πραγματικές διαφορές, ενώ από το άλλο η ανακάλυψη του νετρονίου αποσαφήνισε τη δομή του ατομικού πυρήνα και επέτρεψε τη θεωρητική ερμηνεία των ι. Ι. είναι οι πυρήνες οι οποίοι, αν και έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων (δηλαδή το ίδιο θετικό φορτίο), έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων, με αποτέλεσμα η μάζα τους να διαφέρει. Οι χημικές ιδιότητες, που εξαρτώνται από τον αριθμό των πρωτονίων του πυρήνα –ο οποίος ταυτίζεται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που κινούνται γύρω από τον πυρήνα–, είναι συνεπώς όμοιες (πιο σύγχρονες μελέτες έδειξαν ότι δεν είναι τελείως όμοιες), ενώ τα ι. εμφανίζουν διαφορές ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες, οι οποίες εξαρτώνται από τη μάζα. Με βάση αυτές τις διαφορές, οι οποίες ονομάζονται και ισοτοπικά φαινόμενα, τελειοποιήθηκαν διάφορες μέθοδοι για τον διαχωρισμό τους. Κλασικές είναι οι μέθοδοι διαχωρισμού με διάχυση και με φασματογράφο μάζας ή με ανάλογα όργανα. Στις μεθόδους αυτές προστίθενται οι ηλεκτρολυτικές και άλλες ηλεκτροχημικές μέθοδοι, η φυγοκέντρηση, η χρωματογραφία και οι φωτοχημικές μέθοδοι. Ορισμένες από τις μεθόδους αυτές εκμεταλλεύονται και τις ελάχιστες διαφορές στη χημική συμπεριφορά των ι. Μετά το 1932, έτος κατά το οποίο οι Ζολιό-Κιουρί παρήγαγαν τεχνητά τα πρώτα ραδιενεργά ι., η παραγωγή των ραδιενεργών τεχνητών ι. αυξάνεται συνεχώς, ιδιαίτερα μάλιστα μετά την κατασκευή των πυρηνικών αντιδραστήρων, που έθεσαν στη διάθεση των ερευνητών ισχυρές πηγές νετρονίων. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν εξίσου πολυάριθμες και διαφόρων μορφών εφαρμογές των ραδιενεργών ι. Εκτός από τις πιο γνωστές –θεραπευτικές και διαγνωστικές χρήσεις των ακτινοβολιών του ραδίου, χρήση της ενέργειας που παράγεται από την πυρηνική σχάση του ουρανίου– επινοήθηκαν λεπτεπίλεπτες τεχνικές χρήσεις των ραδιενεργών ι. για την έρευνα των χημικών και βιολογικών φαινομένων και για πολυάριθμες βιομηχανικές εφαρμογές. Οι διάφορες χρήσεις των ραδιενεργών ι. στηρίζονται στη δυνατότητα ανίχνευσης της παρουσίας τους και του προσδιορισμού της ποσότητάς τους με μετρητές. Χάρη σε αυτή την ιδιομορφία, τα ραδιενεργά ι. συμπεριφέρονται σαν πραγματικοί ιχνηθέτες. Αν αναμειχθούν, σε μικρά ποσοστά, με τα σταθερά ι. του ίδιου στοιχείου, μπορούν να συμμετέχουν στις ίδιες χημικές αντιδράσεις με αυτά, επιτρέποντας τη μελέτη της κατανομής ενός στοιχείου στο εσωτερικό του οργανισμού, ενώ βοηθούν στον προσδιορισμό των επιπέδων του στοιχείου στα διάφορα όργανα, ώσπου να έχουμε την πλήρη εικόνα του μεταβολισμού του. Η χρήση των ραδιενεργών ι. στη χημική και βιολογική έρευνα, η οποία στην αρχή περιοριζόταν μόνο στον έλεγχο της συμπεριφοράς των στοιχείων, εμπλουτίστηκε με νέες τεχνικές, χάρη στην παραγωγή των σεσημασμένων μορίων, στα οποία ένα κανονικό στοιχείο –αυτό του οποίου τη συμπεριφορά ενδιαφερόμαστε να μελετήσουμε– αντικαθίσταται από ένα ι.-του. Η χρήση των σεσημασμένων μορίων επιτρέπει τη μελέτη της χημικής και βιολογικής συμπεριφοράς των συγκεκριμένων μορίων ή χαρακτηριστικών ομάδων τους, έστω και αν είναι πολύπλοκες. Στις πολυάριθμες επιτυχίες, που έγιναν δυνατές με τη χρήση των σεσημασμένων ατόμων και μορίων (μεταξύ των πρώτων επισημαίνεται η διερεύνηση πολυάριθμων πτυχών της χλωροφυλλικής σύνθεσης) προστίθενται και άλλες συνεχώς, δείχνοντας έτσι τη γονιμότητα αυτής της ερευνητικής μεθόδου. Η κανονικότητα με την οποία συμβαίνει η μετάπτωση των ραδιενεργών ι. για τον σχηματισμό σταθερών πυρήνων προσέφερε τη βάση για ακριβείς χρονολογικούς προσδιορισμούς. Η μετάπτωση του ουρανίου σε μόλυβδο επέτρεψε τον καθορισμό μιας απόλυτης χρονολογίας για τα πετρώματα, ενώ η μετάπτωση του άνθρακα 14 έδωσε τη δυνατότητα χρονολόγησης οργανικών ιχνών. Σε πολλές άλλες εφαρμογές των ραδιενεργών ι. γίνεται εκμετάλλευση αποκλειστικά της ραδιενεργούς τους ιδιότητας, με τη χρησιμοποίησή τους ως πηγών ακτινοβολιών για διάφορους σκοπούς, από τη θεραπευτική χρήση έως την παραγωγή γενετικών μεταβολών, από τη διατήρηση φυτικών προϊόντων έως τον έλεγχο του βαθμού πλήρωσης αδιαφανών δοχείων, από την πειραματική ακτινοβολία σε καλλιέργειες φυτών έως τον έλεγχο του πάχους χαρτιών και μεταλλικών ελασμάτων. Ένα σύνολο εφαρμογών σε διαφορετικούς και πολυάριθμους τομείς καθιστούν τα ραδιενεργά ι. πολύτιμο εργαλείο της επιστημονικής έρευνας και της σύγχρονης τεχνικής. (Ιατρ.) Στην ιατρική, τα ραδιενεργά ι. χρησιμοποιούνται σε τρεις διαφορετικούς τομείς: σε βιοχημικές και φυσιολογικές μελέτες, στη διαγνωστική και στη θεραπευτική. Στη βιοχημεία τα ραδιενεργά ι. χρησιμοποιούνται με τη στοιχειακή τους μορφή ή ενσωματωμένα σε μόρια λιγότερο ή περισσότερο πολύπλοκα για τη σήμανση μιας ουσίας, επιτρέποντας έτσι την παρακολούθηση της πορείας της μέχρι το επίπεδο των κυττάρων και προσφέροντας συγχρόνως τη δυνατότητα αναγνώρισης όλων των φάσεων του μεταβολισμού της, από τη χορήγηση έως την αποβολή της. Το ραδιοϊσότοπο ανιχνεύεται με ειδικές συσκευές ανίχνευσης και μέτρησης της ραδιενεργούς ακτινοβολίας που εκπέμπει το ραδιενεργό στοιχείο το οποίο περιέχεται σε προϊόντα των ιστών, των κυττάρων ή των συστατικών των κυττάρων. Μια άλλη μέθοδος επιτρέπει την ανίχνευση ενός ραδιενεργού στοιχείου στις λεπτές δομές του κυττάρου· πράγματι, αν ένα ιστολογικό παρασκεύασμα ιστού, που έχει ενσωματώσει ραδιενεργό ι., τοποθετηθεί πάνω σε ένα φωτογραφικό φιλμ, οι ακτινοβολίες που εκπέμπονται από αυτό θα αποτυπωθούν στο φιλμ, το οποίο όταν εμφανιστεί και τοποθετηθεί επάνω στο παρασκεύασμα, που θα έχει χρωματιστεί με τη συνηθισμένη τεχνική, θα επιτρέψει την αναγνώριση της ακριβούς θέσης του ι. στο εσωτερικό των κυττάρων: η μέθοδος αυτή είναι γνωστή με την ονομασία αυτοραδιογραφία. Άλλες φορές, και κυρίως για τη μελέτη θεμάτων φυσιολογίας, επάγεται η δέσμευση ενός ραδιοϊσοτόπου σε μορφολογικές οντότητες (π.χ. ερυθρά αιμοσφαίρια) που με αυτό τον τρόπο μαρκάρονται και έτσι μπορεί να παρακολουθηθεί η πορεία τους. Οι ίδιες τεχνικές χρησιμοποιούνται και στις κλινικές εφαρμογές συμβάλλοντας αποφασιστικά στη λύση διαγνωστικών προβλημάτων· με τα ραδιοϊσότοπα είναι δυνατόν να μελετηθεί η δραστηριότητα ενός οργάνου, όπως για παράδειγμα του θυρεοειδούς με τη χορήγηση ραδιενεργού ιωδίου· μπορεί να αναγνωριστεί η παρουσία ετεροπλαστικών ιστών από την ανομοιογενή δέσμευση του ραδιοϊσοτόπου σε ένα ορισμένο τμήμα του σώματος· μπορεί να μετρηθεί η διάρκεια ζωής διαφόρων κυττάρων, να λυθούν προβλήματα καρδιοκυκλοφορικής φυσιοπαθολογίας κ.ά. Στη θεραπευτική, τα ραδιοϊσότοπα χρησιμοποιούνται γιατί δίνουν τη δυνατότητα καθορισμού ακριβούς δοσολογίας των ακτινοβολιών που εκπέμπονται στον χώρο και στον χρόνο, όπως επίσης λόγω του ακριβούς εντοπισμού και της ευκολίας με την οποία χορηγούνται. Πρακτικά, στη θεραπευτική ακολουθούνται δύο αρχές: το ι. χορηγείται κατά τον συνηθισμένο τρόπο και ενσωματώνεται ειδικά στους ιστούς που θέλουμε να ακτινοβοληθούν ή, αντίθετα, μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας στους ιστούς είτε με στερεή μορφή είτε με τη μορφή διαλύματος. Η πρώτη τεχνική χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, στην πολυερυθραιμία με τη χρήση ραδιενεργού φωσφόρου που δεσμεύεται εκλεκτικά στα οστά και η ακτινοβόληση περιορίζεται πρακτικά στον μυελό των οστών. Στη θεραπευτική των νεοπλασιών, όταν επιδιώκεται η έντονη και περιορισμένη σε έκταση ακτινοβόληση, χρησιμοποιείται η τοπική εφαρμογή ραδιοϊσοτόπων με στερεή μορφή· σε περιπτώσεις εκτεταμένων νεοπλασιών κοίλων οργάνων όπου επιθυμείται έντονη και διάχυτη ακτινοβόληση, το ραδιενεργό στοιχείο χρησιμοποιείται με τη μορφή διαλύματος και εισάγεται στην κοιλότητα που πάσχει με ένεση. Τα ραδιενεργά ισότοπα, που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα ως προϊόντα πυρηνικών αντιδράσεων σχάσης ή σύντηξης (π.χ. εκρήξεις πυρηνικών βομβών), απορροφώνται από τους ζωντανούς οργανισμούς μαζί με τα αντίστοιχα σταθερά ισότοπα. Εκτός από την περίπτωση απευθείας απορρόφησης ραδιενεργούς σκόνης, που είναι σπάνια, τουλάχιστον σε περίοδο ειρήνης, ο άνθρωπος μπορεί να απορροφήσει, με τον μηχανισμό διατροφής, ραδιενεργά ισότοπα μικρότερης ζωής, τα οποία πέφτουν στο έδαφος. Τα ισότοπα αυτά μαζεύονται, όπως δείχνει η εικόνα, σε ορισμένα όργανα με βαρύτατες συνέπειες. Τα ραδιενεργά ισότοπα χρησιμοποιούνται σε πολλές περιπτώσεις. Μερικές από αυτές είναι: 1) απόλυτη χρονολόγηση πετρωμάτων, απολιθωμάτων και αρχαιολογικών ευρημάτων? 2) έλεγχος της απορρόφησης και υπολογισμός του βαθμού αφομοίωσης των λιπασμάτων? 3) έλεγχος της στάθμης των υγρών σε δυσπρόσιτα δοχεία (στο παράδειγμα της εικόνας, η στάθμη του χυμένου χάλυβα σε έναν μεταλλακτήρα)? 4) μέτρηση πάχους σιδηρών ελασμάτων, χαρτιού κλπ. σε συνεχείς επεξεργασίες? 5) μελέτη της ανάπτυξης των φυτών με το ενδιάμεσο των πεδίων γάμμα? 6) εντοπισμός επικίνδυνων ουσιών στα όργανα του ανθρώπινου σώματος.