Streven. Jaargang 11
(1957-1958)– [tijdschrift] Streven [1947-1978]–
[pagina 228]
| |
Wetenschappelijke kroniek
| |
Wat zijn Isotopen?Om een summiere uiteenzetting te kunnen geven van wat isotopen zijn, moeten we even in herinnering roepen, dat het atoom is gebouwd uit een kern en elektronen. De elektronen zijn negatief geladen deeltjes; de kern draagt een even grote positieve lading als de negatieve lading van de gezamenlijke elektronen, zodat het atoom als geheel elektrisch neutraal is. De kern is opgebouwd uit protonen en neutronen. Deze laatsten zijn elektrisch neutraal; de (positieve) lading van het proton is even groot als de (negatieve) lading van het elektron. Daar het atoom neutraal is, volgt dus dat het aantal protonen van de kern even groot is als het aantal elektronen van de elektronenwolk. Nu is uit een veelomvattende ervaring gebleken, dat de chemische eigenschappen van een stof uitsluitend afhangen van de configuratie der elektronen, en deze laatste wordt weer bepaald door het aantal elektronen. De scheikundige geaardheid van een element kunnen we dus aangeven door een getal, nl. dat van het aantal elektronen of van het aantal protonen (die twee getallen zijn immers gelijk). De bekende rangschikking der elementen volgens onderlinge verwantschap, het z.g. periodieke systeem van Dimitri Mendelejew (1869) en Lothar Meyer (1870) bleek later te berusten op een plaatsing volgens opklimmend aantal protonen of elektronen. Hierbij heeft het eerste element, waterstof, één proton en elk volgend element steeds een proton meer, zodat het laatste (92ste) element, uranium, 92 protonen heeft. De plaats van een element | |
[pagina 229]
| |
in het periodiek systeem komt dus overeen met het aantal protonen in de kern en dit weer met het aantal elektronen in de elektronenwolk. Dit belangrijke getal heeft men de naam ‘atoomnummer’ gegeven. Door het atoomnummer zijn dus de chemische eigenschappen bepaald. Nu moet nog een enkel woord worden gezegd over het gewicht of de massa van de elementair-deeltjes. Protonen en neutronen hebben praktisch dezelfde massa; de massa van het elektron daarentegen is zeer veel geringer, nl. ongeveer het 2000ste deel van de massa van een proton of neutron. We mogen dan ook zeggen, dat de elektronen op de massa van het atoom geen invloed uitoefenen; de massa wordt bepaald door de kern. Dus: de eigenschappen van het atoom worden bepaald door het aantal protonen; de massa door het aantal protonen + neutronen. We kunnen de neutronen beschouwen als een soort balast om het atoom te verzwaren. Men heeft nu de ontdekking gedaan, dat bij een bepaald atoomnummer (= aantal protonen) niet altijd een even groot aantal neutronen behoort. M.a.w. er komen atomen voor met precies dezelfde chemische eigenschappen, maar met verschillende massa. Dit was de ontdekking der isotopen (Soddy, 1910). Men kan ze definiëren als atoomsoorten, waarvan de kernen gelijke aantallen protonen bevatten (en dus de schil gelijke aantallen elektronen), daarentegen verschillende aantallen neutronen. De naam wordt duidelijk als men bedenkt, dat de plaats in het periodiek systeem wordt bepaald door het atoomnummer (= aantal protonen): ofschoon de gewichten dezer atomen verschillen, staan ze toch op dezelfde plaats in het periodiek systeem. Deze ontdekking gaf o.a. een verklaring van het vreemde verschijnsel, dat sommige atomen gewichten schenen te hebben, die niet in een geheel veelvoud van de massa van protonen of neutronen konden worden uitgedrukt (hetgeen in tegenspraak was met het voorgaande). Het atoomgewicht van chloor bijv. is 35,5; d.w.z. dat een atoom chloor 35,5 maal zo zwaar weegt als een proton of neutron. Men heeft later gevonden dat chloor een mengsel is van twee isotopen met atoomgewicht 35 en 37, die resp. 75 en 25% van het mengsel uitmaken. Het gemiddelde atoomgewicht is dan juist 35,5. Waterstof bleek uit een mengsel van twee isotopen te bestaan: een kern bestaande uit alleen een proton, en een kern bestaande uit een proton + een neutron. Zij komen voor in de verhouding 10.000: 2. De zeldzame isotoop geeft met zuurstof het bekende ‘zwaar water’. Koolstof bestaat uit 3 isotopen; tin heeft er zelfs tien. Ook zuurstof, waarvan men het atoomgewicht als basis van de schaal der atoomgewichten had gekozen, bleek uit een mengsel van isotopen te bestaan. Dit leidde tot een discrepantie tussen de schaal der fysische atoomgewichten, waarvan de standaard werd de zuurstof-isotoop met 8 protonen en 8 neutronen, en de schaal der chemische atoomgewichten, die bleef berusten op de standaard van het atoomgewicht van het isotopen-mengselGa naar voetnoot1). Omdat de chemische eigenschappen van isotopen van één element geen verschil vertonen, is scheiding van isotopen alleen mogelijk langs fysische weg. Men heeft verschillende methodes uitgewerkt, die alle berusten op het enige onderscheid dat tussen isotopen bestaat, nl. het verschil in massa. Een van de bekendste scheidingsmethodes heeft geleid tot de constructie van de z.g. massaspectrograaf van Aston, die door Lawrence werd geperfectioneerd. | |
[pagina 230]
| |
Verder onderzoek heeft geleerd, dat men de isotopen nog moet onderscheiden in stabiele en instabiele of radio-actieve. Men vond nl. dat er isotopen voorkomen, die spontaan ontleden en daarbij in andere elementen overgaan. Dit uiteenvallen van de instabiele isotopen geschiedt door uitzending van radio-actieve straling (vandaar de naam radio-actieve isotopen), die grofweg kan worden onderverdeeld in α-straling (uitzending van 2 protonen + 2 neutronen) en β-straling (uitzending van een elektron uit de kern, doordat een neutron overgaat in een proton). In beide gevallen verandert het aantal protonen der kern en ontstaat dus een nieuw element. Daarnaast kent men nog de z.g. γ-straling, die men kan beschouwen als golven van een zeer kleine golflengte en zeer hoge energie; zij zijn te vergelijken met de bekende röntgenstraling. Het zijn vooral de radio-actieve isotopen (kortweg radio-isotopen), die de laatste jaren stormenderhand een zeer belangrijke plaats veroveren in de fysische en technische wereld. De grondslag van hun belangwekkendheid ligt in het feit dat zij hun aanwezigheid voortdurend verraden door hun radio-actieve straling. Hierbij moet worden opgemerkt, dat het nog steeds mysterieuze verschijnsel der radio-activiteit onafhankelijk is van alle ons bekende fysische omstandigheden. Men heeft (nog?) geen enkel middel ontdekt om dit onverstoorbare fenomeen te beïnvloeden. We kunnen alleen maar vaststellen, dat een bepaalde radio-actieve constellatie een constante ontledingssnelheid bezit. Men is gewoon om deze snelheid uit te drukken in de z.g. halfwaarde-tijd; dat is de tijd, waarin van de oorspronkelijke hoeveelheid radio-actieve stof nog 50% over is. Deze halfwaarde-tijd heeft voor verschillende stoffen zeer uiteenlopende, doch constante waarden; bijv. voor uranium I: 5 miljard jaar; voor thorium C': minder dan een miljoenste seconde. Dikwijls is het vervalprodukt, dat overblijft na de uitzending van de α- of β-straling zelf weer radio-actief. Op die manier ontstaan soms z.g. stambomen van radio-actieve elementen. Het eindprodukt van zo'n stamboom is uiteraard stabiel, en is voor de drie eerst ontdekte stambomen steeds lood, maar met drie verschillende atoomgewichten; dus drie lood-isotopen (deze drie lood-isotopen hebben tot de ontdekking der isotopen geleid). Op het ogenblik kent men van alle elementen meerdere isotopen, dikwijls meer dan tien van één element. In de handboeken der atoomfysica vindt men ze in tabellen bijeen; tevens wordt, voorzover het over radio-isotopen gaat, de halfwaardetijd vermeld. Veruit de meeste radio-actieve isotopen uit deze tabel zijn kunstmatig gefabriceerd: men kent reeds meer dan 800 verschillende kunstmatige isotopen. De kunstmatige bereiding geschiedt in theorie doordat men atoomkernen bombardeert met neutronen uit bijv. een uranium-zuil, of met protonen die bijv. door een cyclotron zijn versneld. Voor de industrie is alleen de eerste weg van belang, omdat daarbij alleen merkbare hoeveelheden ontstaan. Zo is de kernreactor de grote isotopen-bron; zowel door beschieting met neutronen als door het achterblijven van de brokstukken van het oorspronkelijke uranium uit de uranium-zuil. De bereiding van deze kunstmatige isotopen heeft zich in korte tijd tot een belangrijke industrie ontwikkeld, juist omdat de toepassingsmogelijkheden ervan zo buitengewoon groot zijn. Vanuit Harwell in Engeland en vanuit Oak Ridge in de U.S.A. worden alle mogelijke isotopen verzonden, vanzelfsprekend in speciale lood-verpakking en, - wanneer de halfwaarde-tijd gering is -, per vliegtuig. Ook Rusland kent zijn isotopenfabrieken, terwijl Oost-Duitsland in Dresden een isotopen-centrum ontwikkelt. In principe kan | |
[pagina 231]
| |
men overigens in elke reactor met weinig moeite een aantal eenvoudige isotopen produceren als nevenprodukten. | |
Toepassingen van Isotopen.We zullen hier enkel spreken over het gebruik van radio-actieve isotopen, omdat deze in de praktijk verreweg de grootste rol spelen. Door de straling die zij voortdurend uitzenden is hun aanwezigheid gemakkelijk vast te stellen met behulp van speciaal daarvoor ontwikkelde apparaten, waarvan de Geiger-Müller-teller wel de meest bekende is. De gevoeligheid van deze instrumenten is reeds zover opgevoerd, dat men vaak de aanwezigheid van één biljoenste gram kan constateren. Wanneer men dit gegeven combineert met de reeds vermelde eigenschap, dat verschillende isotopen van één element precies hetzelfde chemische gedrag vertonen, dan is hiermee het beginsel aangegeven van een zeer belangrijke toepassing, nl. van het gebruik als indicator (of ‘tracer’ zoals de Engelse vakliteratuur zegt). Aan een bepaalde stof kan ik een gering percentage van radio-isotoop van diezelfde stof toevoegen; beide samenstellende delen van het ‘mengsel’ gedragen zich op precies dezelfde wijze, alleen verraadt het radio-isotoop steeds zijn aanwezigheid, waarvan ook de plaats zich nauwkeurig laat bepalen. Het is alsof van de oorspronkelijke stof een kleine hoeveelheid met een gemakkelijk waarneembaar en onuitwisbaar merkteken is gemerkt, zonder dat dit de eigenschappen van de stof heeft veranderd. Het ligt voor de hand, dat men vrij spoedig na de ontdekking der isotopen op het idee van deze toepassing is gekomen. Inderdaad publiceerden von Hevesy en Paneth hierover reeds in 1913. Maar een grote vlucht kon dit gebruik pas nemen, toen men gemakkelijk van allerlei gewenste stoffen isotopen kon bereiden; en die tijd kwam toen de kernreactor zijn intrede deed. Een andere toepassing van de radio-isotopen bestaat hierin, dat men de isotopen gebruikt als goedkope bron van radio-actieve straling. Voor vele doeleinden is bijv. het gebruik van een cobalt-isotoop à raison van 17.500 dollar even effectief als van een hoeveelheid radium ter waarde van 50 miljoen dollar. Laten we enkele voorbeelden van toepassingen geven, zonder ook maar in het minst volledigheid na te streven. Om met enkele technische voorbeelden te beginnen: met behulp van radio-isotopen is men in staat om de dikte van metaal-, papier-, rubber-, of kunsthars-bladen continu te meten, zonder het materiaal aan te raken. Onder de lopende band waarop de bladen liggen, plaatst men een geschikt radio-isotoop. Men weet uit experimenten, hoeveel van de radio-actieve straling door de laag stof van de vereiste dikte moet worden geabsorbeerd, en hoe sterke straling dus boven de onderzochte stof in het meetapparaat moet worden waargenomen. Door koppeling van het meetapparaat aan bijv. de walsmachine kan men ook de walsdikte automatisch regelen. Op deze wijze is men in staat om bij metaalplaten van 7 mm dikte verschillen van 0,15 mm waar te nemen. Een soortgelijk procédé past men toe om te controleren of verpakkingen de vereiste inhoud hebben, of sigaretten de gewenste vastheid bezitten, e.d. Een eenvoudige oplossing bieden de radio-isotopen voor het zeer hinderlijke probleem van de elektrostatische verontreinigingen, waarmee bijv. papier- en textielindustrieën te kampen hebben. Tijdens de bewerking wordt het materiaal nl. door wrijving elektrisch geladen, waardoor niet slechts brandgevaar ontstaat, | |
[pagina 232]
| |
maar ook veel verontreinigingen worden aangetrokken, die later soms niet meer te verwijderen zijn. Een aangebrachte radio-isotoop kan voor ionisering der omgevende lucht zorgen en daarmee voor een constante neutralisatie der elektrostatische lading. De inwerking van intensieve γ-straling op kunstharsen schijnt op deze wonderlijke produkten buitengewoon merkwaardige invloed te hebben, zoals sterke verhoging van de elasticiteit, beter bestand-zijn tegen verwarming en soms zelfs volledig doorzichtig-worden. Hier hebben we te doen met een combinatie van twee technische procédé's die beide gloed-nieuw zijn; de mogelijkheden die uit deze samenwerking voortkomen zijn op het ogenblik nog niet te overzien. Ook verandering van het elektrisch geleidingsvermogen van metalen, legeringen en halfgeleiders door radio-actieve straling is een onderzoekingsveld met grote beloften. Technische toepassingen van radio-indicatoren zijn al veel verder gevorderd. Om ook hier een eenvoudig voorbeeld te noemen: het onderzoek van een produkt op scheuren, poriën en andere oneffenheden. Men vermengt een kleine hoeveelheid van een radio-isotoop in een geschikte vet-soort, perst dit vet op het te onderzoeken oppervlak en verwijdert het weer zorgvuldig. In de oneffenheden blijft vet achter, dat met zeer grote nauwkeurigheid via de radio-actieve straling kan worden opgespoord. Men kan zelfs een fotografische film op het oppervlak leggen, waarop de radio-actieve straling inwerkt, en zo een nauwkeurige plattegrond van de oneffenheden verkrijgen. Door de buitengewone nauwkeurigheid waarmee men ook zeer kleine hoeveelheden radio-actieve stof kan meten, lenen radio-isotopen zich om in korte tijd slijtage- en corrosie-metingen te verrichten aan metalen, kogellagers, rubber en andere materialen. Daartoe mengt men weer radio-isotopen in het te onderzoeken materiaal en meet hoeveel van het radio-isotoop zich na een bepaalde (korte) tijd op het wrijvingsoppervlak bevindt. Zoals steeds berust ook hier weer het gebruik van isotopen als indicatoren op het feit dat verschillende isotopen van één stof precies dezelfde mate aan het slijtage-proces onderhevig zijn als de normale stof. Op soortgelijke wijze kan men de waterdichtheid bepalen van allerlei stoffen (met name van kunstharsen), en verder ook controle uitoefenen op verontreinigingen. Interessant en waardevol is het gebruik van radio-isotopen om lekkages in ondergrondse leidingen op te sporen. Men brengt daartoe in de leiding een radio-actief olie-isotoop (wanneer het om olie-leidingen gaat) en zal dan op de plaats van het lek een sterk verhoogde radio-activiteit waarnemen, die men ook bovengronds met stralingsmeters kan constateren. Ook controle op mengsels en legeringen berust op ditzelfde beginsel (indien gewenst is hier automatische regeling mogelijk). Verder het meten van de vloeistof-hoogte in ontoegankelijke reservoirs en automatische regeling hiervan. Daar de radio-isotopen op dezelfde wijze kunnen worden gebruikt als röntgenstralen, ligt opnieuw een heel veld van toepassingen open: materiaal-controle van gietstukken, glaswerk, etc., al of niet met fotografische opnamen. Vanzelfsprekend is ook de produktie van goedkope lichtgevende verf mogelijk. Maar laten we, om ons niet te verliezen in de industrie, liever even aandacht schenken aan het gebruik van radio-isotopen in de landbouw. Ook daar kan een kleine hoeveelheid radio-isotoop als indicator dienen en zo zeer kostbare inlichtingen verschaffen. Op deze wijze heeft men bijv. onderzocht, welke kunstmest | |
[pagina 233]
| |
een bepaalde plant opneemt; waar, wanneer en hoe snel die opname plaats heeft en hoe de kunstmest in de plant wordt gedistribueerd. Gelijksoortige onderzoekingen zijn ook reeds gedaan voor natuurlijke voedingsstoffen, voor de inwerking van insecten-dodende stoffen en voor de verspreiding van besmettelijke plantenziekten. Met behulp van een kleine Geigerteller kan men de bewegingen van de plantensappen continu volgen. Zo heeft men o.a. geconstateerd, dat radio-isotopen die in de wortel van een eik werden opgenomen na 15 minuten reeds in de twijgen en bladeren aanwezig waren, op een afstand van 12 meter van de wortels. Ook heeft men gevonden dat de opname van voedingsstoffen door de bladeren (na besproeiing) 10 tot 30 maal zo effectief was als de opname door de wortels, en dat niet alleen de bladeren, maar ook de vruchten zelf voedingsstoffen opnemen, en dat 's winters zelfs door de bast heen voedingsstoffen worden opgenomen. Naast het gebruik van isotopen als tracers kent men ook in de landbouw het gebruik van isotopen als stralingsbronnen, en wel van een straling die mutaties veel frequenter doet voorkomen. Zo is men er in geslaagd in zeer korte tijd graansoorten met kortere halmen en andere nuttige eigenschappen te kweken, alsook nieuwe fruitsoorten. In beginsel heeft men hier te doen met de vanouds bekende selectie-methode voor het kweken van nieuwe soorten, maar doordat bepaalde radio-actieve straling in hoge mate bevorderend werkt op het ontstaan van mutaties, kan men nu beduidend sneller tot verbeterde soorten met de gewenste eigenschappen komen (vooral: immuniteit tegen ziekten). Het zeer duistere, maar ook uiterst belangrijke proces van de fotosynthese is dank zij de radio-isotopen voor onderzoek toegankelijk geworden. Het bladgroen vormt nl. onder invloed van het zonlicht uit koolzuur en water suikers en andere hogere verbindingen, waaraan wij alle plantaardig (en indirect ook alle dierlijk) voedsel danken. Ondanks de vele tussenprodukten die men heeft ontdekt, is er nog geen bevredigende verklaring van deze zo enorm belangrijke fotosynthese gegeven. Onlangs zijn zowel Amerikaanse als Russische geleerden een uitgebreid onderzoek begonnen om te achterhalen, hoe het mogelijk is om uit water en koolzuur zulke kostbare stoffen te doen ontstaan. Tenslotte zij nog een enkel woord gewijd aan de medische toepassingen van radio-isotopen, omdat hier de nieuwe hulpmiddelen wel zeer in het oog springende resultaten opleveren. Op de eerste plaats maakt men natuurlijk een uitgebreid gebruik van de indicatoren om de kennis van de stofwisseling, bloedsomloop, enzymwerking, hersenprocessen, etc. te vergroten. Wanneer men een isotoop met een kleine halfwaardetijd ter beschikking heeft, dan hoeft men zelfs na afloop van het onderzoek de isotoop niet uit het lichaam te verwijderen, omdat de radio-actieve straling dan binnen korte tijd vanzelf uitdooft. Langs deze weg heeft men nu al resultaten bereikt die ondenkbaar waren vóór het tijdperk der isotopen. Maar er is meer. Ook voor het stellen van een diagnose bieden radio-isotopen ongekende mogelijkheden. Een hersentumor bijv. neemt fosfor sneller op dan het gezonde weefsel dat doet. Deze eigenschap stelt de medicus in staat om van de tumor nauwkeurig plaats en grootte te bepalen, door radio-actief fosfor in het lichaam te brengen; met een Geigerteller kan hij dan het gezwel ‘aftasten’. Een soortgelijke eigenschap heeft een te hevig functionerende schildklier ten opzichte van jodium, zodat ook hier een snelle en nauwkeurige bepaling mogelijk is zonder operatief ingrijpen. Verder gebruikt men calcium-isotopen voor maagonderzoek, xenon-isotopen voor long- | |
[pagina 234]
| |
onderzoek, terwijl jodium-isotopen de geneesheren in staat stellen om tijdig kankergezwellen op het spoor te komen. Voor de therapie maakt men o.a. van radio-isotopen gebruik door ze als vervanging van röntgenstralen te laten dienen. Een voordeel boven de gewone röntgenstralen is, dat men nu met veel eenvoudiger en gemakkelijker hanteerbare stralingsapparaten kan volstaan. Een belangrijker voordeel is echter dat men nu de stralingsbron ook in het lichaam kan brengen. De sterkte van de straling kan men nauwkeurig vooruit bepalen, zodat men kan voorkomen dat nabijgelegen weefsels of organen worden aangetast. Ook de tijd waarin de straler praktisch is uitgewerkt kan men berekenen. Op deze wijze kan men bijv. een te sterke activiteit van de schildklier (met alle desastreuze gevolgen daaraan verbonden) aanzienlijk verminderen, door de patiënt een glas water met een nauwkeurig berekende dosis jood-isotoop te laten drinken. Het jodium verzamelt zich in het aangetaste orgaan en vormt daar een inwendige radio-actieve stralingsbron die genezend werkt. Na een bepaalde tijd volgt dan een tweede ‘behandeling’, en het bleek dat een derde dosis slechts zelden nodig was. Voor sommige bloedziekten heeft men in radio-actief fosfor een geneesmiddel gevonden, terwijl hersentumor soms met radio-actief goud te genezen bleek. De genezende werking op kanker vormt een terrein dat uiteraard met bijzondere zorg wordt onderzocht en waarvoor verschillende isotopen worden beproefd (cobalt, caesium, europium, e.a.). De beste resultaten kan men melden van de behandeling van huid-tumor met radio-cobalt. Voor de gezondheid is ook nog van belang dat men door middel van radio-isotopen instrumenten en medicamenten kan steriliseren. Verpakking vormt voor de straling geen bezwaar, zodat nu eerst het hele bereidingsproces normaal kan worden afgewerkt, definitieve verpakking kan worden aangebracht en pas daarna kan de inhoud gesteriliseerd worden (een methode die ook al bij de levensmiddelen-fabricage wordt toegepast). In de wetenschappelijke research wordt natuurlijk ook op velerlei wijze gebruik gemaakt van radio-isotopen. Zo is men in staat om door vergelijking van het percentage radio-actieve koolstof met het percentage stabiele koolstof een verantwoorde schatting te doen van de ouderdom van archeologische vondsten. Nu pas heeft men antwoord gekregen op vragen als bijv.: ‘verliest bij de vorming van een ester de alcohol of het zuur een zuurstof-atoom?’, een vraag die tot nog toe onoplosbaar was. Met de tracer-methode is vastgesteld, dat het de alcohol is, die een zuurstof-atoom verliest. Ook andere chemische reacties zijn op deze wijze inzichtelijker geworden. Oplosbaarheidsbepalingen, meting van kristallisatiesnelheden, dichtheidsbepalingen, bestudering van polymerisatie-verschijnselen, viscositeitsbepalingen, meting van zeer kleine dampspanningen e.a. zijn aanzienlijk vereenvoudigd. Maar hopelijk is vermelding van deze meer specifiek wetenschappelijke toepassingen niet meer nodig om de lezer de indruk te geven dat isotopen buitengewoon belangwekkend zijn door de grote toepassingsmogelijkheden die zij in zich bergen. En dit overzicht wil geenszins meer pretenderen dan enig idee te geven van wat isotopen zijn en van wat men er mee kan doen. |
|