Folosirea izotopilor radioactivi ca instrument de analiză

Diagnosticarea – folosirea unor izotopi radioactivi care emit raze gama asupra corpului uman. Aceste raze produc anumite modificări fiziologice specifice asupra porţiunilor din corp care se cercetează şi permit medicilor să diagnosticheze cazul respectiv.

Radioterapia – reprezintă tehnica de tratament folosită în majoritatea cazurilor de cancer. Cercetătorii au observat că în urma bombardării ţesuturilor afectate de cancer cu anumiţi izotopi radioactivi, cum ar fi, de exemplu, 131I sau 192Ir celulele canceroase sunt complet distruse.

Analize biochimice – pentru a determina prezenţa unor urme de elemente radioactive în corpul uman (în cazul unor boli profesionale, apărute în urma contactului cu elemente radioactive – minerii de la minele de plumb sau uraniu, lucrătorii de la centralele atomoelectrice) se folosesc teste cu izotopi radioactivi.

Efectele pozitive şi dăunătoare ale radiaţiilor în modificarea ţesuturilor vii

Izotopul de iod 191I poate fi folosit în studierea funcţiei tiroidiene. Se ştie că aproape tot iodul din hrană care nu este eliminat, ajunge în cele din urmă în tiroidă; administrând pacientului cantităţi infime de 131I şi măsurând apoi radiaţia emisă de tiroidă, se poate măsura activitatea acestui organ. Radiaţiile de energie mai înaltă sunt folosite pentru distrugerea selectivă a unor ţesuturi, cum sunt tumorile canceroase.

Riscurile sunt considerabile dar, întrucât boala poate fi fatală, în absenţa tratamentului cancerului şi al bolilor înrudite, se folosesc deseori izotopi artificiali. Unul dintre cei folosiţi în mod obişnuit este un izotop al cobaltului Co60, acesta se obţine prin bombardarea izotopului stabil Co59 cu neutroni, într-un reactor nuclear. Absorbţia neutronilor conduce la izotopul nestabil Co59 având Z=27 şi N=33; acesta este un nucleu „impar-impar” care se dezintegrează în Ni60 prin emisie beta şi gamma, cu timp de înjumătăţire de 5 ani. Astfel de surse artificiale prezintă anumite avantaje faţă de sursele radioactive naturale, având timpi de înjumătăţire mai mici, ele sunt surse mai intense; de asemenea, nu emit particule alfa care, de obicei, nu sunt dorite, iar electronii emişi pot fi uşor stopaţi de foi subţiri de metal, fără a atenua apreciabil intensitatea dorită a radiaţiei gamma. Prin folosirea trasorilor radioactivi se pot “marca” anumite părţi specifice ale moleculelor şi se pot urmării atomii radioactivi pe parcursul reacţiilor. O tehnică de analiză prin activitate de neutroni, foloseşte faptul că atunci când nucleele stabile sunt bombardate cu neutroni, unele nuclee absorb neutroni gamma, care urmează în mod obişnuit emisiei beta; măsurarea acestor energii permite determinarea elementelor prezente iniţial, chiar dacă se aflau în cantităţi infime. Interacţiile radiaţiei cu ţesuturile vii sunt cele solare, razele X şi radiaţiile nucleare care pot produce distrugerea ţesuturilor. În cazurile uşoare, această distrugere se manifestă ca o arsură de tipul celei provocate de razele soarelui; o expunere prelungită poate produce boli foarte grave sau moartea prin diferite mecanisme, dintre care unul constă în distrugerea componentelor măduvei osoase care produce globulele roşii din sânge. Riscul pentru sănătate al fumului de cărbune este bine cunoscut şi se crede că însăşi radioactivitatea fumului unei termocentrale cu cărbune este mai mare decât cea dintr-o centrală nucleară de putere asemănătoare care funcţionează corect. Este evident, imposibil să se elimine toate riscurile, alternativa cea mai bună fiind o abordare inteligentă a problemei reducerii la minim a riscurilor. Molibden-99 este folosit pentru producerea izotopului numit techneţium – 99m, care este cel mai des folosit izotop în medicină. Technetium-99m este folosit în cercetarea scheletului uman şi a muşchiului inimii, dar de asemenea, şi pentru cercetarea creierului, a glandei tiroide, a ficatului, a splinei, a presiunii sanguine. Crom-51 este utilizat la cercetarea sângelui (în special în cazurile de leucemie). Cobalt-61 este folosit în radioterapie. Cupru-64 este folosit pentru studierea bolilor genetice. Iod-125 este utilizat în tratamentul cancerului de creier. Iod-131 este folosit în cazurile de cancer al glandei tiroide.

Izotopii se folosesc pentru a determina localizarea şi mărimea pânzei de apă freatică. Măsurarea căderilor de apă este o aplicaţie folositoare în regiunile unde plouă mult. Măsurarea depunerilor de sedimente pe fundul mării în regiunile portuare este o altă aplicație. De asemenea măsurarea prezenţei substanţelor pesticide în sol. O aplicație esențială a izotopilor este producerea energiei nucleare în centralele atomo-electrice.Sunt folosiți și în industria aeronautică şi de automobile pentru testarea motoarelor. În construcţii, la determinarea densităţii suprafeţei şi a terenului pe care urmează să se construiască un drum sau o clădire. În industria petrolieră şi a gazelor naturale, în minerit – pentru determinarea compoziţiei zăcămintelor.

De această sursă de energie beneficiază în primul rând acele regiuni ale globului în care există izvoare de apă fierbinte. De pildă, încă din anul 1950, în regiunea italiană Toscana s-a început o exploatare sistematică, ajungându-se în prezent la circa 160 de puţuri care debitează peste 300 de tone de aburi pe oră, cu temperaturi variind între 130 şi 250 0C. Puterea instalată a centralelor geotermice a ajuns aici la circa 340000 kw, producându-se peste 3 miliarde kwh de energie ieftină.Exemplul Toscanei a început să se răspândească rapid: în Noua Zeelandă, peninsula Kamceatka, California, Japonia, unde în loc să se folosească sonde, aburul este captat direct din craterele a patru vulcani cu o adâncime variind între 900 şi 1200 m.  Capacitatea acestei uzine este de 200000 kw, furnizând o energie electrică cu 50% mai ieftină decât ce produsă în centralele cu combustibil clasic sau hidrocentrale.

După estimările specialiştilor, se pare că Pământul nostru are înmagazinat în el un potenţial geotermic cifrat la peste 4 x 1020 J (95,5 mld Gcal). Considerând, pentru producerea energiei electrice, un factor de conversie de numai 25%, de aici ar fi posibil să se obţină încă aproximativ trei milioane de Mw anual. 

Într-o lume în care problema creşterii consumului de energie electrică se pune în paralel cu cea a apariţiei diverselor forme de poluare, inclusiv cea termică, problema captării pe o scară tot mai ridicată a energiei solare prezintă un interes crescut.Soarele trimite spre planetă un flux de energie care reprezintă o putere de 2 x 10¹⁷ waţi. Din aceasta cantitate uriaşă, doar o mică fracţiune ajunge pe Pământ, ceea ce revine la circa 3,6 x 10²¹ calorii în 24 h. Puţin în raport cu ceea ce porneşte de la soare… totuşi enorm de mult! Cu toate acestea, energia solară este într-o măsura extrem de redusă, captată şi folosită de către om. Cercetări au existat şi există şi acum.

În prezent se cunosc câteva forme de conversie directă a energiei solare în energie electrică. Printre acestea se număra şi aşa-numitul efect fotovoltaic care transformă direct energia luminoasă în energie electrică.

În principiu, acest efect este provocat datorită a două fenomene fundamentale: crearea de perechi de electroni prin fotoionizarea unui semiconductor supus unei radiaţii luminoase şi separarea sarcinilor şi colectarea lor înainte să se combine.Dezvoltarea tehnicilor spaţiale a atras după sine şi intensificarea cercetărilor în realizarea generatoarelor de curent prin efect fotovoltaic. Sateliţii şi navele cosmice sunt sisteme autonome care trebuie să aibă la bord o sursă proprie de energie electrică.

Dacă puterea electrică furnizată de aceste dispozitive pe primii sateliţi artificiali era de numai câţiva waţi, astăzi s-a ajuns la puteri de sute de waţi şi se are în vedere ca în viitor să depăşească câteva zeci de kilowaţi.Problema principală care preocupă pe realizatorii acestor pile, este cea a creşterii puterii pe kilogramul de utilaj. Evoluţia lor este deosebit de promiţătoare.Astfel, dacă în 1964 se înregistra pentru fotopilele de siliciu o putere de 62w/kg, iar în 1968 s-a ajuns la 140w/kg, astăzi ne aflam în pragul obţinerii unei puteri de 200 w/kg.Se fac în prezent cercetări pentru utilizarea altor materiale active semiconductoare, ca straturile subţiri de CdS sau CdTe, care pot genera o putere specifică de 300W/kg.

De pildă firma “Boeing” are în studiu un generator de 46 kw, cu o suprafaţă fotoconductoare de 425 m² compus dintr-un număr de 1 milion de fotopile de siliciu.Ele au aplicabilitatea şi în anumite obiective terestre, cum ar fi de pildă, balizele radioelectronice pentru navigaţia aeriană, balizele optice pentru navigaţie, repere hertziene, staţii meteorologice, etc.