В чем польза и вред изотопов
Сплошные преимущества
В основе этого метода обследования лежит способность радиоактивных изотопов к излучению. Сейчас чаще всего проводят компьютерное радиоизотопное исследование – сцинтиграфию. Вначале пациенту в вену, в рот или ингаляционно вводят радиоактивное вещество. Чаще всего используются соединения короткоживущего изотопа технеция с различными органическими веществами.
Излучение от изотопов улавливает гамма-камера, которую помещают над исследуемым органом. Это излучение преобразуется и передается на компьютер, на экран которого выводится изображение органа. Современные гамма-камеры позволяют получить и его послойные «срезы». Получается цветная картинка, которая понятна даже непрофессионалам. Исследование проводится в течение 10–30 минут, и все это время изображение на экране меняется. Поэтому врач имеет возможность видеть не только сам орган, но и наблюдать за его работой.
Все другие изотопные исследования постепенно вытесняются сцинтиграфией. Так, сканирование, которое до появления компьютеров было основным методом радиоизотопной диагностики, сегодня применяется все реже. При сканировании изображение органа выводится не на компьютер, а на бумагу в виде цветных заштрихованных строчек. Но при этом методе изображение получается плоским и к тому же дает мало информации о работе органа. Да и больному сканирование доставляет определенные неудобства – оно требует от него полной неподвижности в течение тридцати-сорока минут.
Точно в цель
С появлением сцинтиграфии радиоизотопная диагностика получила вторую жизнь. Это один из немногих методов, который выявляет заболевание на ранней стадии. К примеру, метастазы рака в костях обнаруживаются изотопами на полгода раньше, чем на рентгене. Эти полгода могут стоить человеку жизни.
В некоторых случаях изотопы – вообще единственный метод, который может дать врачу информацию о состоянии больного органа. С их помощью обнаруживают заболевания почек, когда на УЗИ ничего не определяется, диагностируют микроинфаркты сердца, невидимые на ЭКГ и ЭХО-кардиограмме. Порой радиоизотопное исследование позволяет врачу «увидеть» тромбоэмболию легочной артерии, которая не видна на рентгене. Причем этот метод дает информацию не только о форме, строении и структуре органа, но и позволяет оценить его функциональное состояние, что чрезвычайно важно.
Если раньше с помощью изотопов обследовали только почки, печень, желчный пузырь и щитовидную железу, то сейчас положение изменилось. Радиоизотопная диагностика применяется практически во всех областях медицины, включая микрохирургию, нейрохирургию, трансплантологию. К тому же эта диагностическая методика позволяет не только поставить и уточнить диагноз, но и оценить результаты лечения, в том числе вести постоянное наблюдение за послеоперационными больными. К примеру, без сцинтиграфии не обойтись при подготовке больного к аортокоронарному шунтированию. А в дальнейшем она помогает оценить эффективность операции. Изотопы выявляют состояния, угрожающие жизни человека: инфаркт миокарда, инсульт, тромбоэмболию легочной артерии, травматические кровоизлияния в мозг, кровотечения и острые заболевания органов брюшной полости. Радиоизотопная диагностика помогает отличить цирроз от гепатита, разглядеть злокачественную опухоль на первой стадии, выявить признаки отторжения пересаженных органов.
Под контролем
Противопоказаний к радиоизотопному исследованию почти нет. Для его проведения вводится ничтожное количество короткоживущих и быстро покидающих организм изотопов. Количество препарата рассчитывается строго индивидуально в зависимости от веса и роста пациента и от состояния исследуемого органа. А врач обязательно подбирает щадящий режим исследования. И самое главное: облучение при радиоизотопном исследовании обычно даже меньше, чем при рентгенологическом. Радиоизотопное исследование настолько безопасно, что его можно проводить несколько раз в год и сочетать с рентгеном.
На случай непредвиденной поломки или аварии изотопное отделение в любой больнице надежно защищено. Как правило, оно расположено далеко от лечебных отделений – на первом этаже или в подвале. Полы, стены и потолки в нем очень толстые и покрыты специальными материалами. Запас радиоактивных веществ находится глубоко под землей в специальных просвинцованных хранилищах. А приготовление радиоизотопных препаратов производится в вытяжных шкафах со свинцовыми экранами.
Также ведется постоянный радиационный контроль с помощью многочисленных счетчиков. В отделении работает обученный персонал, который не только определяет уровень радиации, но и знает, что предпринять в случае утечки радиоактивных веществ. Кроме сотрудников отделения, уровень радиации контролируют специалисты СЭС, Госатомнадзора, Москомприроды и УВД.
Простота и надежность
Определенных правил во время радиоизотопного исследования должен придерживаться и пациент. Все зависит от того, какой орган предполагается обследовать, а также от возраста и физического состояния больного человека. Так, при исследовании сердца пациент должен быть готов к физическим нагрузкам на велоэргометре или на дорожке для ходьбы. Исследование будет более качественным, если его делать на голодный желудок. Ну и, конечно, нельзя принимать лекарственные препараты за несколько часов до исследования.
Перед сцинтиграфией костей пациенту придется выпить много воды и часто мочиться. Такая промывка поможет вывести из организма изотопы, которые не осели в костях. При исследовании почек тоже надо выпить побольше жидкости. Сцинтиграфию печени и желчных путей делают на голодный желудок. А щитовидная железа, легкие и головной мозг исследуются вообще без всякой подготовки.
Радиоизотопному исследованию могут помешать металлические предметы, оказавшиеся между телом и гамма-камерой. После введения препарата в организм надо подождать, пока тот достигнет нужного органа и распределится в нем. Во время самого исследования пациент не должен двигаться, иначе результат будет искажен.
Простота радиоизотопной диагностики дает возможность обследовать даже крайне тяжелых больных. Ее применяют и у детей, начиная с трех лет, в основном им исследуют почки и кости. Хотя, конечно, дети требуют дополнительной подготовки. Перед процедурой им дают успокаивающее, чтобы во время исследования они не вертелись. А вот беременным радиоизотопное исследование не проводят. Это связано с тем, что развивающийся плод очень чувствителен даже к минимальной радиации.
Смотрите также:
- Нюансы томографии. Что эффективнее: КТ или МРТ? →
- Что такое УЗИ и для чего оно необходимо? →
- Рентген: бояться или нет? →
О радиации широко заговорили лишь после аварии на Чернобыльской АЭС, до этого же времени вред радиации хоть и учитывался, но только лишь врачами. Однако, с момента катастрофы на ЧАЭС прошло уже немало времени, и люди, по большей части, стали забывать о радиации и она осталась лишь, по большей части, эдакой «страшилкой». Но излучение окружает нас повсюду, и в некоторых случаях его уровень оказывается даже высоким, что вызывает значительные проблемы со здоровьем. Причем радиация не в виде чистого излучения, а в виде радионуклидов — химических веществ, которые мы потребляем с водой, воздухом, пищей.
Вред радиации: радионуклиды имеют свойство накапливаться в организме
Радионуклиды представляют собой химический элемент, который способен к радиоактивным превращениям, то есть имеет свойство переходить в нуклид другого элемента, или же в нуклид того же элемента. При этом происходит распад нуклида, соответственно с определенным вредом для здоровья.
То есть, основное негативное свойство радионуклидов — радиация, излучаемая при их распаде. Вещества, находящиеся в окружающей природной среде, практически неопасны для организмов, и они являются одними из источников естественного радиационного фона. Там, где радионуклидов скапливается достаточно много, фон повышается. То есть не происходит ничего, что выходило бы за рамки, заложенные природой, ведь радиоактивное излучение было «учтено» при зарождении и развитии жизни на Земле. Живые организмы в ходе долгой эволюции подстраивались под него, и потому в естественном виде вред радиация нанести не может.
Но вмешательство человека существенно исказило природу, и в итоге опасные элементы стали попадать в наши тела — с воздухом, с пищей, с водой. Курильщики и люди, что их окружают, с каждой затяжкой потребляют изотопы цезия и стронция; любители грибов рискуют «скушать» половину годовой нормы, просто собрав (или купив) грибов не в том месте. И это, к сожалению, негативно отразится на их здоровье — тем и коварно радиоактивное излучение, что его не видно, и узнается о нем постфактум.
Но самое страшное, действительно страшное — это то, что радионуклиды имеют неприятное свойство накапливаться внутри организма, и тело подвергается облучению даже в изолированной от любых воздействий камере, что уж говорить о нормах радиации, которые получаются в естественной среде? Вред от радиации наступит, в таком случае, точно и гарантированно. Пусть не в виде лучевой болезни, но последствия вряд ли будут приятными.
Рассмотрим, для примера, стронций-90. Вещество накапливается в скелете, причем с первых дней появления костной ткани, то есть ещё даже до рождения. И чем большую дозу стронция получит человеческий организм в материнской утробе, тем больший вред будет нанесен еще несозревшему телу.
Стронций облучает постоянно, и «атаке» подвергается:
- скелет;
- костный мозг;
- кровь;
- кроветворная система.
Под большой угрозой оказывается иммунная и репродуктивная система. И это притом, что внешне вроде как всё в порядке, ведь ни излучение, ни сам стронций-90 выявить в лабораторных условиях у живого человека невозможно. Вред радиации, образуемой изотопом стронция-90, проявляется в анемии, хронической усталости (в том числе и в виде синдрома хронической усталости), аутоиммунных процессах.
Если рассматривать цезий в виде изотопа (цезий-137), то он, подобно стронцию, умеет «прятаться» в тканях человеческого тела, то есть его наличие и объем неопределим до самой смерти! Вызывает же цезий-137 достаточно «милый» список болезней и патологий, к которым, в первую очередь, относится:
- мигрень. Самое безобидное, но наиболее частое явление;
- вегетососудистая дистония по гипер или гипотипу. Мало приятного, да и риск инфаркта или инсульта возрастает в десятки и сотни раз;
- аритмия и/или тахикардия. Предвестники инфаркта, между прочим;
- цирроз печени. Да-да, можно прожить трезвенником всю жизнь, но при этом умереть от цирроза печени. Цезий-137 будет стараться, гарантированно;
- проблемы с ЖКТ и системой пищеварения в целом.
Однако, несмотря на столь внушительный список, вред радиации в случае с цезием не столь уж «плачевен». Если его поток в организм прекратится, то тело выведет опасный радионуклид в течение всего лишь 200 дней. Стронций, к примеру, не выводится никак и ни за какие сроки.
И это всего лишь два опасных элемента. А ведь их — великое множество! И все это «дело» мы потребляем с пищей, с водой, с воздухом. Но мало этого, мы сами себя специально травим изотопами, закуривая сигареты, или позволяя другим курить в своём присутствие. Мы не требуем никаких сертификатов, приобретая строительные и отделочные материалы. А потом начинаются болезни, поиски их источника… тогда как он всегда с нами. Тем и коварна радиация, что вред от нее можно оценить лишь по факту облучения.
Не стоит думать, что радионуклиды можно выявить при помощи обычного дозиметра. «Счетчик Гейгера» реагирует лишь на излучение, в то время, как объем излучения указанных элементов невысок, и чувствительности у прибора не хватит. Радионуклиды можно выявить в лабораторных условиях, причем для этого придется использовать сложное оборудование.
Снижение потребления радионуклидов, или пара слов о профилактике
Для того, чтобы не потреблять этих донельзя активных элементов, важно помнить, что их концентрация предельно низка в одном случае, и высока в другом. А значит, вред от радиации окажется существенно меньше в случае, если радионуклидов будет вокруг гораздо меньше. Поэтому стоит запомнить, что из продуктов питания наиболее высокие показатели по содержанию опасных включений будут в:
- речная рыба, особенно хищники и придонные виды рыб (сом, к примеру);
- раки, пойманные в естественной среде;
- грибы, особенно те, что растут вдоль дорог и автомагистралей;
- молоко, из-под коровы, необработанное;
- яйца куриные;
- мясо.
Но стоит сделать важную оговорку. Продукты, перечисленные выше, лишь условно относятся к тем, которые накапливают более всего радионуклидов. Однако, если грибы произрастают в чистом лесу, если водоем, в котором выловлена рыба или пойман рак, не используется для сброса промышленных или любых других отходов, если коровы пасутся на чистом пастбище, а зимой поедают качественные корма, если куры не попадают в зараженные районы, а бегают вокруг дома, который расположен в удалении от оживленной улицы, то такие продукты содержат минимальную концентрацию активных включений, которая не представляет ровным счетом никакой опасности для здоровья.
Радионуклиды можно «получить» и вместе с водой, если пить ее из источника, происхождение которого неизвестно. Вред радиации, однако, можно минимизировать, если воду вскипятить — часть элементов испарится вместе с паром. И, конечно же, воду перед и после кипячения следует пропустить через самый примитивный фильтр.
Нельзя забывать и о жилищах — в них также может быть большое количество излучающих предметов. Они могут попасть в жилище извне, а могут быть в составе отделочных или строительных материалов.
И последнее. Не стоит бояться радионуклидов — они являются частью нашего мира. Следует опасаться лишь их чрезмерного количества в доме, в рационе, в воздухе. Вы можете обратиться в специализированную лабораторию, что бы проверить свой дом, воду, которую вы пьёте и продукты, что произрастают на грядках, на предмет наличия радионуклидов. Продукты питания, которые вы приобретаете, должны иметь сертификат качества, но если сомнения есть — также несите их в лабораторию. Уж лучше один раз потратить немного денег на исследования, чем потом на себе или, тем более, на своих детях ощутить вред радиации.
Однозначно искусственными элементами, или изотопами, можно считать только элементы тяжелее америция (95-го). Причем плутоний (номер 94) еще можно обнаружить в природе, хотя его там очень мало: в самом «богатом» его «месторождении», урановой руде, содержится полторы стомиллиардные доли этого вещества. Остальные элементы распадаются так быстро, что для исследования их можно получить только на ускорителях.
Нестабильная стабильность
Изотопией называют наличие у одного химического элемента атомных ядер разного состава. Так как число протонов у одного элемента фиксировано, его изотопы отличаются только числом нейтронов, и оно не может быть слишком большим или слишком маленьким: недостаток, а равно избыток нейтронов делает атомное ядро нестабильным. Изотопы обозначают названием элемента с числом, которое показывает суммарное количество нуклонов, протонов и нейтронов: например, уран-235 или гелий-3. В первом 92 протона и 143 нейтрона, во втором два протона и один нейтрон.
Тритий, водород-3, получают при облучении лития, и он в сочетании с дейтерием, стабильным изотопом водород-2, легче всего вступает в термоядерную реакцию. Энергетика будущего, как считают создатели международного экспериментального термоядерного реактора ITER, а также еще ряд коллективов, будет именно термоядерной. Дейтерия много в обычной воде, а лития для синтеза трития тоже предостаточно — этот элемент сейчас активно используется в аккумуляторных батареях, и его добыча давно освоена в промышленном масштабе. Термоядерные электростанции пока не построены из-за того, что мы пока не умеем долго удерживать плазму с температурой в десятки миллионов градусов. Однако ряд крупномасштабных проектов, вроде ITER или National Ignition Facility в США, позволяют всерьез рассматривать тритий как потенциальный энергоноситель будущего.
Другие нестабильные изотопы уже сегодня применяются в медицине. На их основе синтезируют вещества, которые вводят в кровь пациента при поиске злокачественных опухолей. Радиоактивная метка накапливается раковыми клетками и «выдает» их при томографическом обследовании. Организм при этом получает некоторую дополнительную дозу облучения, однако связанные с этим риски несопоставимы с выгодами от своевременной диагностики.
Некоторые искусственные радиоактивные изотопы применяются в производстве компактных источников излучения, вживляемых прямо внутрь опухоли. Если изотоп дает альфа-лучи, которые хорошо задерживаются биологической тканью, источник выжигает только прилегающую к нему опухоль и почти не вредит здоровой ткани. Изотопы, дающие гамма-лучи, например кобальт-60, применяют и для дистанционного облучения опухолей.
Еще искусственные радионуклиды используют при производстве радиоактивных источников для всевозможных технических исследований. Это и дефектоскопия, просвечивание различных деталей, и проверка состояния стенок скважины. Кроме того, ионизирующим излучением от кобальта-60 стерилизуют бинты и лекарственные препараты, а также уничтожают поселившихся в музейных экспонатах насекомых — радиация во многих случаях оказывается безопаснее ядохимикатов и сильных антисептиков.
Стронций-90 также применяют для изготовления радиоизотопных источников электроэнергии. Раскаленный энергией радиоактивного распада металл греет термоэлектрический преобразователь, который превращает тепло непосредственно в электрический ток. КПД такой схемы невысок, но зато она компактна и надежна, ее можно использовать для электроснабжения радиомаяков где-нибудь в далекой тундре. Или для электроснабжения космической техники.
За ураном и до фермия
Самые известный и полученный в наибольших количествах элемент после урана — плутоний. Он применяется в ядерном оружии, а также в описанных выше радиоизотопных термоэлектрических генераторах, РИТЭГах. Именно на плутонии работают многие аппараты, отправленные в дальний космос, а также марсоход Curiosity.
Между ураном и плутонием находится нептуний, который применяется только как промежуточный продукт для получения плутония. Следом идет америций, который используется в ряде компактных радиоактивных источников, например во многих детекторах дыма. Всего нескольких десятых долей микрограмма достаточно для ионизации воздуха в детекторе. Ионизированный воздух начинает проводить ток, а при задымлении сила тока меняется и это заставляет сигнализацию срабатывать.
За америцием идет кюрий, который используется в РИТЭГах, а также в качестве источника альфа-излучения для анализа химического состава различных веществ методом альфа-спектроскопии. Альфа-спектрометры с кюрием стоят на марсоходах и некоторых иных космических аппаратах.
Берклия, калифорния и эйнштейния на сегодня удается синтезировать столь мало, что использовать их на практике затруднительно. Что же касается фермия, занимающего сотую ячейку таблицы Менделеева, то его — как и все более тяжелые элементы — вообще не удалось получить в весовых количествах. Иными словами, даже взвесить полученный фермий не на чем: самые чувствительные весы для этой задачи непригодны. Соответственно, нельзя измерить плотность, не получается определить температуру плавления, цвет и другие характеристики.
Редкие и потому дорогие трансурановые (идущие после урана в периодической таблице) элементы интересны либо своим высоким энерговыделением, либо способностью давать только чистое альфа-излучение, которое сравнительно легко экранировать даже плотной фольгой. По этим причинам они могут оказываться предпочтительнее более распространенных радионуклидов, дающих излучение с большей проникающей способностью и требующих намного более сложной биологической защиты.
От фермия и далее
Элементы тяжелее фермия получаются в ничтожно малом и не допускающем никакого практического применения количестве, и пока что задача их синтеза относится к категории фундаментальной науки. Никто не может уверенно сказать, принесут ли такие исследования пользу в будущем. Однако то же самое говорили в начале XX века про работы, посвященные строению атома. Сто лет назад ученые уже открыли атомное ядро, но еще не знали ни о существовании нейтронов, ни о фундаментальных законах квантовой механики, которым подчиняются атомы. Спустя всего три десятка лет были запущены первые ядерные реакторы и взорвана первая ядерная бомба.
В исследованиях трансфермиевых элементов и их изотопов ключевую роль играет такое понятие, как «остров стабильности». Это предполагаемые ядра атомов, которые будут если не стабильны, то хотя бы достаточно долгоживущи. Гипотеза о существовании «острова стабильности» отчасти подкрепилась синтезом в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне элементов от 114-го и далее, но у ученых нет на сегодня методики, которая позволяет заранее рассчитать характеристики всех возможных атомных ядер. Работы по синтезу все более и более тяжелых атомных ядер могут помочь в создании более полной модели атомного ядра, а это уже вполне конвертируемое в технологии знание.
Например, одним из возможных решений проблемы радиоактивных отходов является их трансмутация, процесс, отчасти напоминающий синтез искусственных элементов. Если облучать отработанное ядерное топливо, то часть наиболее опасных изотопов в нем «выгорает», превращаясь в менее активные и потому не столь опасные вещества. Управление этим процессом требует хорошего понимания устройства ядра атомов.
До урана, в природе не встречается
Перед ураном в таблице Менделеева стоят несколько элементов, которые тоже практически отсутствуют в природе.
Технеций, само название которого обозначает «искусственный», используют в медицине для самых разнообразных исследований с использованием изотопных меток. Причем, что особенно интересно, технеций стоит в таблице не рядом с ураном, а между молибденом и рутением, его порядковый номер всего лишь 43 против 92 у урана.
Под номером 84 идет печально знаменитый полоний, крайне токсичный из-за своей очень высокой радиоактивности. Впрочем, ему тоже находили вполне мирное применение: к примеру, советский «Луноход» долгими лунными ночами согревал именно полоний.
В 85-й ячейке расположен астат. На основе его положения в таблице Менделеева можно сделать вывод, что его свойства должны быть аналогичны йоду или брому, но астат чрезвычайно нестабилен и в силу этого назван: от греческого ἄστατος, «неустойчивый». На вид это темно-синие кристаллы, которые в сколько-нибудь значимых количествах синтезировать не удалось. Химики даже не знают, может ли астат формировать двухатомные молекулы подобно хлору или брому. Столь же загадочен франций — никто толком не знает, как он выглядит. По всей видимости, это серебристый металл с температурой плавления всего 27 градусов Цельсия. Если бы он не был столь радиоактивен и редок, то, вероятно, таял бы в руках.
Актиний — номер 87 — в природе встречается тоже крайне редко, поэтому его обычно синтезируют в ядерных реакторах. Несмотря на редкость, элементу нашли несколько вариантов применения: в источниках гамма-излучения, а также в медицинских исследованиях.
Алексей Тимошенко