Un radioisòtop (radionúclid, núclid radioactiu, isòtop radioactiu o isòtop inestable) és un àtom que té un excés d'energia nuclear, cosa que el fa inestable.
Aquest excés d'energia pot ser utilitzat de tres maneres:
Durant aquests processos, es diu que el radioisòtop pateix una desintegració radioactiva.[1] Aquestes emissions es consideren radiació ionitzant perquè són prou potents com per alliberar un electró d'un altre àtom. La desintegració radioactiva pot produir un isòtop estable o de vegades produeix un nou radioisòtop inestable que pot patir una major desintegració. La desintegració radioactiva és un procés aleatori a nivell d'àtoms individuals; és impossible predir quan es desintegrarà un àtom en particular.[2][3][4][5] No obstant això, per a una col·lecció d'àtoms d'un sol element, la taxa de desintegració i, per tant, la semivida (t1/2) per a aquesta col·lecció es pot calcular a partir de les mesures de les seves constants de decaïment. El rang de vida mitjana dels àtoms radioactius no té límits coneguts i abasta un rang de temps de més de 55 ordres de magnitud.
Tots els elements químics poden existir com radioisòtops. Fins i tot l'element més lleuger, l'hidrogen, té un conegut radioisòtop, el triti. Els elements pesants com el plom, i els elements tecneci i prometi, només existeixen com radioisòtops (en teoria, els elements pesants com el disprosi existeixen només com radioisòtops, però la semivida d'alguns d'aquests elements (per exemple, or i platí) és massa llarga per determinar-la).
L'exposició no planificada als radioisòtops té generalment un efecte nociu sobre els organismes vius, inclosos els éssers humans, encara que els baixos nivells d'exposició es produeixen de manera natural i sense danys. El grau de dany dependrà de la naturalesa i extensió de la radiació produïda, de la quantitat i naturalesa de l'exposició (contacte proper, inhalació o ingestió) i de les propietats bioquímiques de l'element, i la conseqüència més habitual l'augment de el risc de càncer. No obstant això, els radioisòtops amb propietats adequades s'utilitzen en medicina nuclear, tant per al diagnòstic com per al tractament. Una imatge traçada amb radioisòtops es diu marcador radioactiu. Un medicament farmacèutic fet amb radioisòtops es diu radiofàrmac.
Els radioisòtops primordials es produeixen en la nucleosíntesi estel·lar i explosions de supernova juntament amb els isòtops estables. La majoria es desintegren ràpidament, però encara es poden observar astronòmicament i poden tenir un paper en la comprensió dels processos astronòmics. Els radioisòtops primordials, com ara l'urani i el tori, existeixen en l'actualitat perquè els seus períodes de semidesintegració són tan llargs (> 100 milions d'anys) que encara no s'han desintegrat completament. Alguns radioisòtops tenen una semivida tan llarga (moltes vegades l'edat de l'univers) que la desintegració només ha estat detectada recentment, i per a la majoria dels propòsits pràctics poden ser considerats estables, més notablement el 209Bi: la detecció d'aquesta desintegració significa que el bismut ja no es consideri estable. És possible que es pugui observar la desintegració en altres isòtops que s'afegeixen a aquesta llista de radioisòtops primordials.
Els radioisòtops secundaris són isòtops radiogènics derivats de la desintegració dels radioisòtops primordials. Tenen una semivida més curta que els radioisòtops primordials. Sorgeixen a la cadena de desintegració dels isòtops primordials 232Th, 235U i 238U. Els exemples inclouen els isòtops naturals de poloni i ràdi.
Molts d'aquests radioisòtops existeixen només en quantitats mínimes en la naturalesa, incloent tots els radioisòtops cosmogènics. Els radioisòtops secundaris es produiran en proporció a la seva semivida, de manera que els de curta durada seran molt rars. Així, el poloni pot trobar-se en els minerals d'urani a uns 0,1 mg/tona. (1 part en 10¹⁰).[7] A la natura poden ocórrer més radioisòtops en quantitats pràcticament indetectables com a resultat d'esdeveniments rars, com la fissió espontània o interaccions de raigs còsmics poc comuns.
A més de ser extrets dels residus radiactius, els radioisòtops poden ser produïts deliberadament amb reactors nuclears, explotant l'alt flux de neutrons presents. Aquests neutrons activen elements situats a l'interior del reactor. Un producte típic d'un reactor nuclear és 192Ir. Es diu que els elements que tenen una gran propensió a absorbir els neutrons en el reactor tenen una alta secció transversal de neutrons.
Els acceleradors de partícules, com el ciclotró, acceleren les partícules per bombardejar un objectiu i produir radioisòtops. Els ciclotrons acceleren els protons contra un objectiu per produir radioisòtops emissors de positrons, per exemple el 18F.
Els generadors de radioisòtops contenen un radioisòtop pare que es descompon per produir una filla radioactiva. La matriu es produeix generalment en un reactor nuclear. Un exemple típic és el generador de 99mTc utilitzat en medicina nuclear. El pare produït en el reactor és 99Mo.
Usos
Exemple d'ús d'un isòtop traçador. L'ús d'àtoms de 13C permet determinar el mecanisme en la reacció de conversió 1,2- a 1,3-didehidrobenzé del fenil substituit per precursor arí (1) a acenaftilè.[8]
Els radioisòtops s'utilitzen de dues maneres principals: bé només per la seva radiació (irradiació, bateries nuclears) o bé per la combinació de les seves propietats químiques i la seva radiació (traçadors, biofàrmacs).
En biologia, els radioisòtops de carboni poden servir com a traçadors radioactius perquè són químicament molt similars als isòtops no radioactius, de manera que la majoria dels processos químics, biològics i ecològics els tracten d'una manera gairebé idèntica. Un pot llavors examinar el resultat amb un detector de radiació, com un comptador Geiger, per determinar on es van incorporar els àtoms proveïts. Per exemple, es poden conrear plantes en un ambient en què el diòxid de carboni contingui carboni radioactiu; llavors les parts de la planta que incorporen carboni atmosfèric serien radioactives. Els radioisòtops poden ser utilitzats per monitorar processos com la replicació de l'ADN o el transport d'aminoàcids.
En la conservació d'aliments, la radiació s'utilitza per aturar la brotació d'arrels de plantes després de la collita, per matar paràsits i plagues, i per controlar la maduració de les fruites i verdures emmagatzemades.
En la indústria i en la mineria, els radioisòtops s'utilitzen per examinar soldadures, detectar fuites, estudiar la taxa de desgast, erosió i corrosió de metalls, i per a l'anàlisi d'una àmplia gamma de minerals i combustibles.
Els radioisòtops estan presents en moltes llars, ja que s'utilitzen dins dels detectors de fum domèstics més comuns. El radioisòtop utilitzat és 241Am, que es crea bombardejant plutoni amb neutrons en un reactor nuclear. Es descompon emetent partícules alfa i radiació gamma per a convertir-se en 237Np. Els detectors de fum utilitzen una quantitat ínfima de 241Am (aproximadament 0,29 micrograms per detector de fum) en forma de diòxid de americi (AmO₂). 241Am s'utilitza per a això perquè emet partícules alfa que ionitzen l'aire a la cambra d'ionització del detector. S'aplica una petita tensió elèctrica a l'aire ionitzat que dona lloc a un petit corrent elèctric. En presència de fum es neutralitzen alguns dels ions, disminuint així el corrent, el que activa l'alarma del detector.[12]
Contenidor de 241Am en un detector de fum
Càpsula de 241Am de l'interior d'un detector de fum. El cercle de metall més fosc al centre és 241Am; la caixa que l'envolta és d'alumini
Pateix una fissió espontània (3% de les desintegracions), el que el converteix en una potent font de neutrons, utilitzada com a iniciador de reactors i per a dispositius de detecció.
Impacte en els organismes
Els radioisòtops que s'introdueixen en el medi ambient poden causar efectes nocius, com la contaminació radioactiva. També poden causar mal si s'usen excessivament durant el tractament o si s'exposen d'altres maneres a éssers vius, per enverinament per radiació. El dany potencial a la salut per l'exposició als radioisòtops depèn d'una sèrie de factors, i pot danyar les funcions dels teixits i òrgans sans. L'exposició a la radiació pot produir efectes que van des del enrogiment de la pell i la pèrdua de cabell, fins cremades per radiació i síndrome d'irradiació aguda. l'exposició perllongada pot portar a que les cèl·lules es danyin, i al seu torn, al fet que es desenvolupi el càncer. Els signes de cèl·lules canceroses podrien no aparèixer fins a anys, o fins i tot dècades, després de l'exposició.[15]
Taula resum de les classes d'isòtops «estables» i radioactius
A continuació es presenta una taula resum de la llista total de núclids amb semivides majors a una hora. Noranta d'aquests 989 isòtops són teòricament estables, excepte la desintegració de protons (que mai ha estat observada). Al voltant de 252 isòtops mai han estat observats en desintegració i clàssicament són considerats estables.
Els radioisòtops tabulats restants tenen una vida mitjana superior a 1 hora, i estan ben caracteritzats (veure llista de núclids per a una tabulació completa). Inclouen 30 isòtops amb semivides més llargues que l'edat estimada de l'univers (13.800 milions d'anys),[16] i altres 4 isòtops amb semivida molt llarga (> 100 milions d'anys) com perquè siguin isòtops primordial radioactius, i puguin ser detectats a la Terra, havent sobreviscut de la seva presència en la pols interestel·lar des d'abans de la formació del Sistema Solar fa uns 4,6 milions d'anys. Altres més de 60 isòtops de vida curta poden ser detectats naturalment com a filles d'isòtops de vida més llarga o productes de raigs còsmics. La resta dels isòtops coneguts es coneixen únicament per transmutació nuclear.
Els números no són exactes, i poden canviar lleugerament en el futur, ja que s'observa que els «isòtops estables» són radioactius amb semivides molt llargues.
Aquesta és una taula resum dels 989 isòtops amb semivida superior a una hora (incloent els que són estables), donats en llista de núclids.
Tots els isòtops que són possibles completament estables (la fissió espontània mai s'ha observat per als isòtops amb un nombre màssic <232).
Energèticament inestable a un o més modes de desintegració coneguts, però encara no s'ha vist cap desintegració. Tots ells es consideren estables fins que es detecti la desintegració.
Els elements primordials totals inclouen U, Th, Bi, 87Rb, 40K, 128Te, més tots els isòtops estables.
Radioactius no primordials, però que ocorren naturalment a la Terra.
61
347
¹⁴C (i altres isòtops generats per raigs còsmics) i filles d'elements primordials radioactius, com ara Ra, Po, etc. 41 d'ells tenen una semivida mitjana superior a una hora.
Radioactiu sintètic (semivida ≥ 1,0 hora). Inclou els radiotraçadors més utilitzats.
Aquesta llista abasta els isòtops comuns, la majoria dels quals estan disponibles en quantitats molt petites per al públic en general en la majoria dels països. Uns altres que no són d'accés públic es comercialitzen als camps industrial, sanitari i científic, i estan subjectes a la regulació governamental.
↑Best, Lara; Rodrigues, George; Velker, Vikram. «1.3». A: Radiation Oncology Primer and Review (en anglès). Demos Medical Publishing, 2013. ISBN 978-1620700044.
↑Bagnall, K.W. The Chemistry of Polonium". Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry 4 (en anglès). Nova York: Academic Press, 1962, p. 197-226. DOI10.1016/S0065-2792(08)60268-X. ISBN 0-12-023604-4.
↑Blake, ME; Bartlett, K.L; Jones, M. Jr «A m-Benzyne to o-Benzyne Conversion Through a 1,2-Shift of a Phenyl Group» (en anglès). J. Am. Chem. Soc, 125, 2003, pàg. 6485.
«National Isotope Development Center]» (en anglès). U.S. Government source of radionuclides – production, research, development, distribution, and information.
