21.6: Matumizi ya Radioisotopes

Last updated
Save as PDF

Page ID: 187973

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Orodha ya matumizi ya kawaida ya isotopu za

Isotopu za mionzi zina tabia sawa za kemikali kama isotopu imara za elementi moja, lakini hutoa mionzi, ambayo inaweza kugunduliwa. Ikiwa tunachukua nafasi moja (au zaidi) atomi (s) na radioisotopu (s) katika kiwanja, tunaweza kuwafuatilia kwa kufuatilia uzalishaji wao wa mionzi. Aina hii ya kiwanja inaitwa tracer ya mionzi (au lebo ya mionzi). Radioisotopu hutumiwa kufuata njia za athari za biochemical au kuamua jinsi dutu inavyosambazwa ndani ya kiumbe. Wafanyabiashara wa mionzi pia hutumiwa katika maombi mengi ya matibabu, ikiwa ni pamoja na utambuzi na matibabu. Wao hutumiwa kupima kuvaa inji, kuchambua malezi ya kijiolojia karibu na visima vya mafuta, na mengi zaidi.

Radioimmunossays (RIA), kwa mfano, kutegemea radioisotopu kuchunguza kuwepo na/au mkusanyiko wa antijeni fulani. Iliyotengenezwa na Rosalyn Sussman Yalow na Solomon Berson katika miaka ya 1950, mbinu hii inajulikana kwa unyeti uliokithiri, maana yake inaweza kuchunguza na kupima kiasi kidogo sana cha dutu. Kabla ya ugunduzi wake, kugundua zaidi sawa kulitegemea kiasi kikubwa cha kutosha kuzalisha matokeo yanayoonekana. RIA mapinduzi na kupanua maeneo yote ya utafiti, hasa hasa endocrinology, na ni kawaida kutumika katika kugundua narcotics, uchunguzi wa benki ya damu, uchunguzi wa kansa mapema, kipimo cha homoni, na utambuzi allergy. Kulingana na mchango wake mkubwa katika dawa, Yalow alipokea Tuzo ya Nobel, na kumfanya awe mwanamke wa pili kupewa tuzo ya dawa.

Radioisotopes zimebadilisha mazoezi ya matibabu (angalia Kiambatisho M), ambako hutumiwa sana. Zaidi ya milioni 10 taratibu za dawa za nyuklia na vipimo vya dawa za nyuklia zaidi ya milioni 100 hufanyika kila mwaka nchini Marekani. Mifano minne ya kawaida ya tracers mionzi kutumika katika dawa ni technetium-99 $(_{43}^{99} Tc)$ , thallium-201 $(_{81}^{201} Tl)$ , iodini-131 $(_{53}^{131} I)$ , na sodiamu-24 $(_{11}^{24} Na)$ . Tissue zilizoharibiwa ndani ya moyo, ini, na mapafu hupata misombo fulani ya technetium-99 kwa upendeleo. Baada ya kuingizwa, eneo la kiwanja cha technetium, na hivyo tishu zilizoharibiwa, zinaweza kuamua kwa kuchunguza mionzi γ iliyotolewa na isotopu ya Tc-99. Thallium-201 (Kielelezo 21.24) inakuwa kujilimbikizia katika tishu afya ya moyo, hivyo isotopu mbili, Tc-99 na Tl-201, hutumiwa pamoja ili kujifunza tishu za moyo. Iodini-131 huzingatia tezi ya tezi, ini, na sehemu fulani za ubongo. Kwa hiyo inaweza kutumika kufuatilia goiter na kutibu hali ya tezi, kama vile ugonjwa wa kaburi, pamoja na tumors ya ini na ubongo. Ufumbuzi wa chumvi zenye misombo ya sodium-24 huingizwa ndani ya damu ili kusaidia kupata vikwazo kwa mtiririko wa damu.

Picha inavyoonekana ya watu wawili, mmoja anatembea kwenye treadmill na waya mbalimbali zilizounganishwa na mkoa wake wa torso, na mwingine kukusanya data ya shinikizo la damu kutoka kwa mtu wa kwanza.

Kielelezo 21.24 Kusimamia thallium-201 kwa mgonjwa na hatimaye kufanya mtihani wa dhiki hutoa wataalamu wa matibabu fursa ya kuibua kuchambua kazi ya moyo na mtiririko wa damu. (mikopo: mabadiliko ya kazi na “Blue0ctane” /Wikimedia Commons)

Isotopu za radioisotopu zinazotumiwa katika dawa huwa na nusu-maisha mafupi-kwa mfano, TC-99m inayojulikana ina nusu ya maisha ya masaa 6.01. Hii inafanya TC-99m kimsingi haiwezekani kuhifadhi na ghali sana kusafirisha, hivyo inafanywa kwenye tovuti ya badala. Hospitali na vituo vingine vya matibabu hutumia Mo-99 (ambayo kimsingi hutolewa kutoka kwa bidhaa za U-235 za fission) ili kuzalisha Tc-99. Mo-99 inakabiliwa na kuoza β na nusu ya maisha ya masaa 66, na Tc-99 hutolewa kwa kemikali (Mchoro 21.25). Nuclide mzazi Mo-99 ni sehemu ya ion molybdate, ${MoO}_{4}^{2—};$ inapoharibika, huunda ioni ya pertechneti, ${TCo}_{4}^{-} .$ Hizi mbili ions maji mumunyifu ni kutengwa na chromatography safu, na juu malipo ya molybdate ion adsorbing kwenye alumini katika safu, na chini malipo pertechnetate ion kupitia safu katika ufumbuzi. Micrograms chache za Mo-99 zinaweza kuzalisha Tc-99 ya kutosha kufanya vipimo vingi kama 10,000.

Picha na picha ya microscopic huonyeshwa na kinachoitwa “a” na “b.” Picha a inaonyesha mkono wa mtu akiwa na silinda iliyohitimu ambayo ina kioevu wazi, isiyo na rangi na kuimarisha silinda ili kuimimina ndani ya tube ya kioo ya wima, ya cylindrical. Bomba lina vipengele vingi vya kioo tofauti na hufanyika mahali pa kamba ya tube ya mtihani. Picha b inaonyesha wingi wa vidogo, dots nyekundu kwenye background nyeusi. Dots hukusanywa katika mikoa minne na kutawanyika mahali pengine.

Kielelezo 21.25 (a) Jenereta ya kwanza ya TC-99m (karibu 1958) hutumiwa kutenganisha Tc-99 kutoka Mo-99. Ya

{MoO}_{4}^{2—}

ni kubakia na tumbo katika safu, ambapo

{TCo}_{4}^{-}

hupita na hukusanywa. (b) Tc-99 ilitumika katika skanisho hili la shingo la mgonjwa mwenye ugonjwa wa Grave. Scan inaonyesha eneo la viwango vya juu vya Tc-99. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Idara ya Nishati; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “MBQ” /Wikimedia Commons)

Radioisotopes pia inaweza kutumika, kwa kawaida katika dozi ya juu kuliko kama tracer, kama matibabu. Tiba ya mionzi ni matumizi ya mionzi ya juu-nishati kuharibu DNA ya seli za saratani, ambayo huwaua au inawazuia kugawanya (Kielelezo 21.26). Mgonjwa wa saratani anaweza kupokea tiba ya mionzi ya boriti ya nje iliyotolewa na mashine nje ya mwili, au tiba ya mionzi ya ndani (brachytherapy) kutoka kwa dutu ya mionzi ambayo imeanzishwa ndani ya mwili. Kumbuka kuwa chemotherapy ni sawa na tiba ya mionzi ya ndani kwa kuwa matibabu ya saratani huingizwa ndani ya mwili, lakini inatofautiana kwa kuwa chemotherapy hutumia kemikali badala ya vitu vyenye mionzi kuua seli za saratani.

Michoro mbili zinaonyeshwa na zimeandikwa “a” na “b.” Mchoro a inaonyesha mwanamke amelala meza ya usawa na anaingizwa kwenye mashine ya umbo la dome. Mchoro b inaonyesha mtazamo wa karibu wa kichwa cha mwanamke na torso ya juu katika mashine. Mfululizo wa mihimili, iliyoitwa “mionzi ya Gamma,” imeonyeshwa kutoka kwenye slits kwenye kando ya mashine, iliyoitwa “cobalt ya mionzi,” na kupenya kichwa chake, kinachoitwa “Target.”

Kielelezo 21.26 cartoon katika (a) inaonyesha mashine cobalt-60 kutumika katika kutibu kansa. Mchoro katika (b) unaonyesha jinsi gantry ya mashine ya Co-60 inavyozunguka kupitia arc, ikilenga mionzi kwenye eneo lililolengwa (tumor) na kupunguza kiasi cha mionzi inayopita kupitia mikoa ya karibu.

Cobalt-60 ni radioisotopu ya synthetic inayozalishwa na uanzishaji wa neutroni wa Co-59, ambayo kisha inakabiliwa β kuoza kuunda Ni-60, pamoja na chafu ya mionzi γ. Mchakato wa jumla ni:

_{27}^{59} mwenzi +_{0}^{1} n ⟶_{27}^{60} mwenzi ⟶_{28}^{60} Ni +_{-1}^{0} β + 2_{0}^{0} γ

Mpango wa kuoza kwa jumla kwa hili umeonyeshwa graphically katika Kielelezo 21.27.

Chati inaonyesha mstari usawa katika kona ya juu kushoto iliyoandikwa “superscript 60 subscript 27 C o” na “5.272 a” na mishale miwili inakabiliwa kulia na chini inayoongoza kutoka humo. Mishale hii ni kinachoitwa “1.48 M e v beta 0.12 asilimia ishara” na “0.31 M e v beta 99.88 asilimia ishara.” Juu ya mishale miwili inaonyesha mstari usio na usawa na mshale wa chini unaonyesha mstari wa pili wa usawa. Mshale unaoelekea chini unao katikati ya mistari miwili ya usawa na inaitwa “1.1732 M e V gamma.” Mstari wa nne wa usawa uongo chini ya mchoro chini ya mistari ya pili na ya tatu. Mshale unaoelekea chini unao katikati yake na mstari wa tatu wa usawa. Ni kinachoitwa “1.3325 M e V gamma.” Chini ya mstari wa mwisho wa usawa ni lebo “superscript 60 subscript 28 N i.”

Kielelezo 21.27 Co-60 hupata mfululizo wa kuoza kwa mionzi. Uzalishaji γ hutumiwa kwa tiba ya mionzi.

Radioisotopes hutumiwa kwa njia mbalimbali za kujifunza utaratibu wa athari za kemikali katika mimea na wanyama. Hizi ni pamoja na uwekaji mbolea katika tafiti za matumizi ya virutubisho na mimea na ukuaji wa mazao, uchunguzi wa michakato ya utumbo na maziwa katika ng'ombe, na masomo juu ya ukuaji na kimetaboliki ya wanyama na mimea.

Kwa mfano, radioisotopu C-14 ilitumika kufafanua maelezo ya jinsi usanisinuru unatokea. Majibu ya jumla ni:

{6CO}_{2} (g) + {SAA 6}_{2} O (l) ⟶ C_{6} H_{12} O_{6} (s) + {6O}_{2} (g),

lakini mchakato ni ngumu zaidi, unaendelea kupitia mfululizo wa hatua ambazo misombo mbalimbali ya kikaboni huzalishwa. Katika tafiti za njia ya mmenyuko huu, mimea ilionekana kwa CO ₂ iliyo na mkusanyiko mkubwa wa $_{6}^{14} C$ . Kwa vipindi vya kawaida, mimea ilichambuliwa ili kuamua ni misombo ya kikaboni iliyo na kaboni-14 na kiasi gani cha kila kiwanja kilikuwapo. Kutoka mlolongo wa wakati ambapo misombo ilionekana na kiasi cha kila sasa kwa vipindi vya wakati fulani, wanasayansi walijifunza zaidi kuhusu njia ya majibu.

Matumizi ya kibiashara ya vifaa vya mionzi ni tofauti (Kielelezo 21.28). Wao ni pamoja na kuamua unene wa filamu na karatasi nyembamba za chuma kwa kutumia nguvu za kupenya za aina mbalimbali za mionzi. Dosari katika metali zinazotumiwa kwa madhumuni ya kimuundo zinaweza kugunduliwa kwa kutumia mionzi ya gamma ya juu-nishati kutoka cobalt-60 kwa mtindo sawa na jinsi X-rays hutumika kuchunguza mwili wa binadamu. Katika aina moja ya udhibiti wa wadudu, nzizi hudhibitiwa na kuzaa nzizi za kiume na mionzi γ ili wanawake wanaozalisha nao wasizalishe watoto. Vyakula vingi vinahifadhiwa na mionzi inayoua microorganisms zinazosababisha vyakula kuharibu.

Picha mbili zinaonyeshwa na kinachoitwa “a” na “b.” Picha inaonyesha mtu akiangalia picha iliyopigwa kwenye ukuta. Picha b inaonyesha jordgubbar kwenye ukanda conveyor kuacha katika mfululizo wa vyumba ukusanyaji.

Kielelezo 21.28 Matumizi ya kawaida ya kibiashara ya mionzi ni pamoja na (a) uchunguzi wa X-ray wa mizigo kwenye uwanja wa ndege na (b) kuhifadhi chakula. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Idara ya Navy; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Idara ya Kilimo ya Marekani)

Americium-241, emitter α yenye nusu ya maisha ya miaka 458, hutumiwa kwa kiasi kidogo katika detectors ya moshi ya aina ya ionization (Kielelezo 21.29). Uzalishaji α kutoka Am-241 ionize hewa kati ya sahani mbili za electrode katika chumba cha ionizing. Betri hutoa uwezekano unaosababisha harakati za ions, hivyo kujenga umeme mdogo wa sasa. Wakati moshi unapoingia kwenye chumba, harakati za ions zimezuiwa, kupunguza conductivity ya hewa. Hii inasababisha kushuka kwa alama kwa sasa, na kusababisha kengele.

Picha na mchoro huonyeshwa. Picha inaonyesha mambo ya ndani ya detector ya moshi. Kipande cha mviringo cha plastiki katika sehemu ya chini ya detector kinachoitwa “Alarm” wakati disk ya chuma upande wa juu kushoto wa picha inaitwa “chumba cha ionization.” Betri iko juu ya haki ya detector. Mchoro unaonyesha mtazamo uliopanuliwa wa chumba cha ionization. Ndani ya casing cylindrical ni mbili usawa, sahani mviringo kinachoitwa “Metal sahani”; juu ni lebo na ishara chanya na chini na ishara hasi. Wiring huonyeshwa kushikamana na sahani na vituo vya betri kwenye nje ya chumba. Disk chini ya chumba kinachoitwa “Americium chanzo” na mishale minne, iliyoitwa “chembe za Alpha,” inakabiliwa na wima kutoka kwenye diski hii, kupitia shimo kwenye sahani hasi, na kwenye nafasi ya juu ya chumba. Molekuli mbili, pamoja na ishara chanya, linajumuisha nyanja mbili za bluu na molekuli mbili, na ishara chanya, linaloundwa na nyanja mbili nyekundu, pamoja na nyanja mbili za njano zilizoandikwa na ishara hasi na mishale inakabiliwa chini. Dots kumi na moja nyeupe zinazunguka mbili za molekuli upande wa kulia wa picha na zinaitwa “chembe za moshi”. Juu ya upande wa kushoto wa picha ni maneno “Hakuna moshi, chembe za kushtakiwa zinakamilisha mzunguko” wakati maneno juu ya upande wa kulia wa picha inasema “Moshi uncharges chembe, mzunguko umevunjika, kengele husababishwa.”

Kielelezo 21.29 Ndani ya detector ya moshi, Am-241 hutoa chembe α ambazo ionize hewa, na kujenga umeme mdogo wa sasa. Wakati wa moto, chembe za moshi huzuia mtiririko wa ions, kupunguza sasa na kuchochea kengele. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Muffet” /Wikimedia Commons)