Radioisòtop

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:

• emesa des del nucli com radiació gamma.
• transferida a un dels seus electrons per alliberar-se com un electró de conversió interna.
• utilitzada per crear i emetre una nova partícula (partícula alfa o partícula beta) des del nucli.

Durant aquests processos, es diu que el radioisòtop pateix una desintegració radioactiva. 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. No obstant això, per a una col·lecció d'àtoms d'un sol element, la taxa de desintegració, i per tant la semivida (t_1/2) 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.

Els radioisòtops es produeixen naturalment o artificialment en reactors nuclears, ciclotrons, acceleradors de partícules o generadors de radioisòtops. Hi ha al voltant de 730 radioisòtops amb semivides de més de 60 minuts (vegeu llista de radioisòtops). Trenta-dos d'ells són radioisòtops primordials que van ser creats abans que es formés la Terra. Almenys altres 60 radioisòtops són detectables en la naturalesa, ja sigui com a fills de radioisòtops primordials o com radioisòtops produïts a través de la producció natural a la Terra per la radiació còsmica. Més de 2400 radioisòtops tenen una semivida inferior a 60 minuts. La majoria d'ells es produeixen només artificialment i tenen una semivida molt curta. Per a la comparació, hi ha prop de 252 isòtops estables (en teoria, només 146 d'ells són estables, i es creu que els altres 106 es desintegren (desintegració alfa, desintegració beta, doble desintegració beta, captura d'electró o doble captura d'electró)).

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.

Origen

Natural

A la Terra, els radioisòtops naturals es divideixen en tres categories: radioisòtops primordials, radioisòtops secundaris i radioisòtops cosmogènics.

• 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.
• Els radioisòtops cosmogènics, com ¹⁴C, són presents perquè s'estan formant contínuament en l'atmosfera a causa dels raigs còsmics.

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). 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.

Fissió nuclear

Núclid artificial de ²⁴¹Am que emet partícules alfa inserides a una cambra per a la seva visualització

Els radioisòtops es produeixen com a resultat inevitable de la fissió nuclear i explosions termonuclears. El procés de fissió nuclear crea un àmplia gamma de productes de la fissió nuclear, la majoria dels quals són radioisòtops. Es poden crear més radioisòtops a partir de la irradiació del combustible nuclear (creant un rang d'actínids) i de les estructures circumdants, produint productes d'activació. Aquesta complexa barreja de radioisòtops amb diferents químiques i radioactivitat fa que el maneig dels residus radiactius i el tractament de la pluja radioactiva sigui particularment problemàtic.

Sintèctic

Els radioisòtops sintètics es sintetitzen deliberadament utilitzant reactors nuclears, acceleradors de partícules o generadors de radioisòtops:

• 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.

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 medicina nuclear, els radioisòtops s'utilitzen per al diagnòstic, el tractament i la investigació. Els traçadors químics radioactius que emeten raigs gamma o positrons poden proporcionar informació diagnòstica sobre l'anatomia interna i el funcionament d'òrgans específics, incloent el cervell humà. Això es fa servir en algunes formes de tomografia: tomografia computada per emissió de fotó simple, tomografia per emissió de positrons (PET) i imatgeria de luminescència Cherenkov (CLI). Els radioisòtops són també un mètode de tractament en les formes hematopoiètiques dels tumors; l'èxit del tractament dels tumors sòlids ha estat limitat. Les fonts de raigs gamma més potents esterilitzen les xeringues i altres equips mèdics.
• 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.

• 
  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

• També s'utilitza ²⁴¹Am en parallamps radiactius, però molts països van començar a prohibir-los a partir de la dècada del 1980.
• A les naus espacials i en altres llocs, els radioisòtops s'utilitzen per subministrar energia i calor, en particular a través dels generadors termoelèctrics per radioisòtops (RTG).
• En astronomia i cosmologia, els radioisòtops tenen un paper en la comprensió del procés estel·lar i planetari.
• En física de partícules, els radioisòtops ajuden a descobrir noves físiques (física més enllà del model estàndard) mesurant l'energia i el moment dels seus productes de desintegració beta.
• En ecologia, els radioisòtops s'utilitzen per rastrejar i analitzar agents contaminants, per estudiar el moviment de les aigües superficials i per mesurar les escorrenties de pluja i neu, així com els cabals de rierols i rius.
• En geologia, arqueologia, i paleontologia, s'utilitzen els radioisòtops naturals per mesurar les edats de les roques, minerals i materials fòssils.

Exemples

En la següent taula s'enumeren les propietats dels radioisòtops seleccionats, il·lustrant la gamma de propietats i usos.

Isòtop	Z	N	semivida	Rad	Des. (keV)	Formació	Notes
T (³H)	1	2	12,3 anys	β−	19	Cosmogènic	És el radioisòtop més lleuger, usat en fusió nuclear artificial, per a la radioluminescència, i com a traçador de corrents oceànics. Sintetitzat a partir del bombardeig de neutrons de ⁶Li o de deuteri.
¹⁰Be	4	6	1.387.000 anys	β−	556	Cosmogènic	S'utilitza per examinar l'erosió del sòl, la formació de sòl a partir de regolites, i l'edat dels nuclis de gel.
¹⁴C	6	8	5.700 anys	β−	156	Cosmogènic	Usat per datació per radiocarboni
18F	9	9	110 minuts	β+, ε	633/1655	Cosmogènic	Font de positrons, sintetitzada per al seu ús com a traçador radioactiu en tomografies per emissió de positrons.
26Al	13	13	717.000 anys	β+, ε	4004	Cosmogènic	Datació per exposició de roques i sediments.
36Cl	17	19	301.000 anys	β−, ε	709	Cosmogènic	Datació per exposició de roques, i traçador d'aigües subterrànies.
40K	19	21	1,24×109 anys	β−, ε	1330 /1505	Primordial	Usat en la datació per potassi-argó, font d'argó atmosfèric, font de calor radiogènic, i la font més gran de radioactivitat natural.
41Ca	20	21	99.400 anys	ε		Cosmogènic	Datació per exposició de roques carbonatades.
60Co	27	33	5,3 anys	β−	2824	Sintèctic	Produeix raigs gamma d'alta energia, utilitzats per a radioteràpia, esterilització d'equips i irradiació d'aliments.
90Sr	38	52	28,8 anys	β−	546	Producte de fissió	Productes de fissió de vida mitjana; probablement el component més perillós de la pluja radioactiva.
99Tc	43	56	210.000 anys	β−	294	Producte de fissió	L'isòtop més comú de l'element inestable més lleuger, el més significatiu dels productes de fissió de llarga vida.
99mTc	43	56	6 hores	γ, CI	141	Sintèctic	El radioisòtop mèdic més comunament usat, usat com un traçador radioactiu.
129I	53	76	15.700.000 anys	β−	194	Cosmogènic	El producte de fissió més longeu; traçador d'aigua subterrània.
131I	53	78	8 dies	β−	971	Producte defissió	El risc més significatiu a curt termini per a la salut a causa de la fissió nuclear. Utilitzat en medicina nuclear i com traçador industrial.
135Xe	54	81	9,1 hores	β−	1160	Producte de fissió	El «verí nuclear» (absorbent de neutrons) més fort conegut, amb un efecte important en el funcionament dels reactors nuclears.
137Cs	55	82	30,2 anys	β−	1176	Producte de fissió	Un altre producte de fissió de vida mitjana d'interès.
153Gd	64	89	240 dies	ε		Sintèctic	Calibratge d'equips nuclears. Cribratge de la densitat òssia.
209Bi	83	126	2,01×1019 anys	α	3137	Primordial	Considerat estable durant molt de temps, la descomposició només es va detectar el 2003.
210Po	84	126	138 dies	α	5307	Producte de descomposició	Altament tòxic, usat en l'enverinament d'Aleksandr Litvinenko.
222Rn	86	136	3,8 dies	α	5590	Producte de descomposició	Gas, responsable de la major part de l'exposició pública a les radiacions ionitzants.Segona causa més freqüent de càncer de pulmó.
232Th	90	142	1,4×1010 anys	α	4083	Primordial	Base del cicle de combustible de tori.
235U	92	143	7×108 anys	α	4679	Primordial	És físsil i és el principal combustible nuclear.
238U	92	146	4,5×109 anys	α	4267	Primordial	Principal isòtop d'urani.
238Pu	94	144	87,7 anys	α	5593	Sintèctic	Utilitzats en generadors termoelèctrics per radioisòtops (RTGs) i escalfadors de radioisòtops com a font d'energia per a naus espacials.
239Pu	94	145	24.110 anys	α	5245	Sintèctic	Usat per la majoria de les armes nuclears modernes.
241Am	95	146	432 anys	α	5486	Sintèctic	Utilitzat en detectors de fum domèstics com a agent ionitzant.
253Cf	98	154	2,64 anys	α/SF	6217	Sintèctic	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.

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), 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.

Classe d'estabilitat	Nombre de núclids	Total en execució	Notes sobre el total en execució
Teòricament estable per a tots, menys per a la desintegració del protó	90	90	Inclou els primers 40 elements. La desintegració del protó encara no ha estat observada.
Teòricament estable a la desintegració alfa, desintegració beta, transició isomérica, i doble desintegració beta, però no fissió espontània, la qual cosa és possible per als isòtops estables ≥ 93Ni.	56	146	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.	106	252	Total dels isòtops clàssicament estables.
Isòtops primordials radiactius.	34	286	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.	662	989	Aquests 989 núclids estan llistats en l'article Llista de núclids.
Radioactiu sintètic (semivida <1,0 hora).	>2400	>3300	Inclou tots els isòtops sintètics ben caracteritzats.

Llista de radioisòtops disponibles al mercat

Vegeu també: Llista de núclids i Taula de núclids

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.

Només emissió de gamma

Isòtop	Activitat	Semivida	Energia (keV)
133Ba	9.694 TBq/kg (262 Ci/g)	10,7 anys	81,0; 356,0
109Cd	96.200 TBq/kg (2600 Ci/g)	453 dies	88,0
57Co	312.280 TBq/kg (8440 Ci/g)	270 dies	122,1
60Co	40.700 TBq/kg (1100 Ci/g)	5,27 anys	1173,2; 1332,5
152Eu	6.660 TBq/kg (180 Ci/g)	13,5 anys	121,8; 344,3; 1408,0
54Mn	287.120 TBq/kg (7760 Ci/g)	312 dies	834,8
22Na	237.540 Tbq/kg (6240 Ci/g)	2,6 anys	511,0; 1274,5
65Zn	304.510 TBq/kg (8230 Ci/g)	244 dies	511,0; 1115,5
99mTc	1,95×107 TBq/kg (5,7 × 10⁵ Ci/g)	6 hores	140

Només emissió beta

Isòtop	Activitat	Semivida	Energia (keV)
90Sr	5.180 TBq/kg (140 Ci/g)	28,5 anys	546,0
204Tl	17.057 TBq/kg (461 Ci/g)	3,78 anys	763,4
¹⁴C	166,5 TBq/kg (4.5 Ci/g)	5730 anys	49,5 (mitjana)
T (³H)	357.050 TBq/kg (9650 Ci/g)	12,32 anys	5,7 (mitjana)

Només emissió alfa

Isòtop	Activitat	Semivida	Energia (keV)
210Po	166.500 TBq/kg (4500 Ci/g)	138,376 dies	5304,5
238U	12.580 kBq/kg (0.00000034 Ci/g)	4.468 milions d'anys	4267

Múltiples emissors de radiació

Isòtop	Activitat	Semivida	Tipus de radiació	Energia (keV)
137Cs	3256 TBq/kg (88 Ci/g)	30,1 anys	Gamma i beta	G: 32; 661,6 B: 511,6; 1173.2
241Am	129,5 TBq/kg (3.5 Ci/g)	432,2 anys	Gamma i alfa	G: 59,5; 26,3, 13,9 A: 5485; 5443

Vegeu també

• Cisternograma radionuclear
• Datació radiomètrica
• Hiperacumuladors taula 3
• Radioactivitat en ciències de la vida
• Usos de la radioactivitat en els pous de petroli i gas

Bibliografia

• Carlsson, J; Forssell Aronsson, E; Hietala, SO; Stigbrand, T; Tennvall, J «Tumour therapy with radionuclides: assessment of progress and problems» (en anglès). Radiotherapy and Oncology, 66(2), 2003, pàg. 107–117. DOI: 10.1016/S0167-8140(02)00374-2. PMID: 12648782.
• «Radioisotopes in Industry» (en anglès). World Nuclear Association. Arxivat de l'original el 2013-02-27. [Consulta: 30 juny 2020].
• Martin, James. Physics for Radiation Protection: A Handbook (en anglès), 2006, p. 130. ISBN 978-3527406111. 
• Luig, H; Kellerer, A. M; Griebel, J. R. «Radionuclides, 1. Introduction». A: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (en anglès), 2011. DOI 10.1002/14356007.a22_499.pub2. ISBN 978-3527306732. 

Enllaços externs

• «EPA – Radionuclides» (en anglès). EPA's Radiation Protection Program: Information. Arxivat de l'original el 2015-07-11. [Consulta: 30 juny 2020].
• «FDA – Radionuclides» (en anglès). FDA's Radiation Protection Program: Information.
• «Interactive Chart of Nuclides» (en anglès). A chart of all nuclides. Arxivat de l'original el 2018-10-10. [Consulta: 30 juny 2020].
• «National Isotope Development Center]» (en anglès). U.S. Government source of radionuclides – production, research, development, distribution, and information.
• «The Live Chart of Nuclides» (en anglès). IAEA.
• «Radionuclides production simulator» (en anglès). IAEA.