Fizikai Szemle 2000/3. 77.o.

AZ ATOMMAGFIZIKA AZ EMBERISÉG SZOLGÁLATÁBAN

Syed M. Qaim
Institut für Nuklearchemie, Forschungszentrum Jülich

A magfizika olyan területeken járult hozzá érzékelhetően az emberiség számos szükségletének kielégítéséhez, mint az élelmezés, a mezőgazdaság, a környezetvédelem, az energiatermelés, az egészség, a gyógyítás, valamint nem utolsó sorban az "intellektuális igény" kielégítése tekintetében is. Ezeket számos példával igazolhatjuk. A nukleáris tudományok szerepe sok helyen már jól kialakult, más területeken még nem. Ebben az írásban röviden áttekintjük az elért eredményeket, a lehetőségeket, ugyanakkor körvonalazzuk a korlátokat és a problémás területeket is,

<>

A magfizika a tudománynak, az a speciális területe, amely az atommagot alkotó részek tulajdonságaival, és kölcsönhatásaival foglalkozik. Az atommag felfedezését követő 100 éven belül a tudományág alapjai kiszélesedtek, alkalmazásuk az élet szinte minden területére kiterjed.

Minden tudomány általános célja, hogy olyan ismereteket adjon az emberek kezébe, amelyekkel az egész emberiség eredményesebb lesz. Az, hogy gyakran visszaélnek a tudomány eredményeivel, nem a tudomány hibája, hanem az emberi elmének egy olyan beteg állapota, amely állapotban az elnyomás és birtoklás hajlama vezet ahhoz, hogy a tudomány eredményeit becstelen módon használja fel. Sajnos ez megtörténhet bármely tudománnyal, ez alól az atommagok tudománya sem kivétel!

Az emberiség számára az a fontos, hogy az adott tudományágnak milyen lehetőségei vannak arra, hogy az emberi lét feltételeit javítsa azáltal, hogy az emberiség néhány alapvető, az életfeltételekkel összefüggő igényét kielégíti.

Az ember szükséglete sokféle. Véleményem szerint az alábbiak a legfontosabbak közé tartoznak: az élelmezéssel, a mezőgazdasággal, a környezetvédelemmel, az energiatermeléssel, az egészséggel és gyógyászattal kapcsolatosak, valamint maga az intellektuális igény. Talán vannak, akik az utóbbi fontosságát vitatják.

Akárhogyan is, a véleményem az, hogy az alapkutatásban megtestesülő intellektuális vágy átvitt értelemben olyan tápláléka az emberi agynak, mint az élelem a testnek. Azok az emberi közösségek, amelyek nem tekintenek előre és nem támogatnak hosszú távú alapkutatásokat, feledésbe merülnek.

Nos, próbáljuk meg elemezni az atommagtudományok szerepét a fenti igények kielégítése szempontjából. A cél az, hogy röviden összegezzük az eredményeket és a lehetőségeket, ugyanakkor körvonalazzuk a tudományág alkalmazásának korlátjait és problémás területeit is.

Élelmezés és mezőgazdaság

Az emberi létezés alapfeltétele a megfelelő minőségű és elegendő mennyiségű táplálkozás. Ugyanekkor a Föld lakosságának egy hatoda szenved az alultápláltságtól, illetve az éhezéstől. Az élelmezés problémájának megoldása nem egyszerű feladat, arra minden elérhető ismeretet fel kell használni. Eltekintve a megfelelő irányelvektől és szabályoktól, ahhoz, hogy növelhessük a globális, világméretű élelmiszer ellátást, az élelmiszertartósítás terén jobb eszközökre, és a mezőgazdasági termelés hatékonyságának fokozását célzó erőfeszítésekre van szükség. Az előző néhány évtized alatt a nukleáris technika az alábbiakban járult hozzá a helyzet javításához.

Élelmiszertartósítás

Ismeretes, hogy gyümölcsöket és más élelmiszerféleségeket hosszabb időre lehet tartósítani besugárzással (például gamma-sugarak alkalmazásával), ebből adódóan nagyobb távolságokra el lehet szállítani, azokra a területekre is, ahol ezekből hiány van. Az elmúlt tíz évben elvégzett széleskörű vizsgálatok megmutatták, hogy a besugárzásos technológia teljesen biztonságos és hatékony eljárás az élelmiszerek minőségének biztosítására. Ennek ellenére, a besugárzott élelmiszerek használata számos ipari országban még nem engedélyezett.

Bizonyított, hogy ilyen besugárzások alatt radioaktív termék nem képződik, az azonban nem teljesen kizárt, hogy bizonyos gerjesztett sugárkémiai folyamatok létrejöhetnek. Az élelmiszerek eltarthatósága tekintetében a gamma-sugárzás alkalmazása egyenértékű a hűtéssel. A magas életszínvonalat nyújtó társadalmak, amelyeknek elegendő elektromos energiájuk van, valamint rendelkeznek hatékony szállítóeszközökkel, eltekinthetnek a sugárzásos technológiától. Ezzel szemben, a világ kevésbé fejlett területein ez az elérhető, és igazán hatékony eljárás. A szerzőnek az a véleménye, hogy a sugárzás okozta kémiai effektusoktól való félelem megalapozatlan. A hőkezelés segítségével történő, minőségromlás megakadályozását szolgáló tartósítás mellett a sugárzásos technológia egy biztonságos eljárás a gyümölcslegyek és egyéb kártevők ellen is.

Ez utóbbi alkalmazás 1996-ban nagy lendületet kapott attól, hogy az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériuma elfogadta az eljárást, amely lehetővé tette különböző gyümölcsök Hawii-ról az Államok szárazföldi részébe való szállítását. A Nemzetközi Atomenergia Ügynökség és az Egészségügyi Világszervezet is elfogadta a sugárzásos technológiát, és ez nagyon fontos a fejlődő országok számára akkor, amikor termékeiket a világpiacon szeretnék értékesíteni [1].

Állati kártevők elleni védekezés

Az USA, Mexikó, Dél Amerika és Afrika néhány szarvasmarha-tenyésztő területe igen jelentős veszélyben volt bizonyos legyek miatt, amelyek betegségeket terjesztettek az állatok között. Az elpusztításukhoz használt hagyományos módszerek, mint például a befogás, rovarirtó szerek alkalmazása, nem vezettek eredményre. Az újabban kifejlesztett, sugárzáson alapuló módszer, az úgynevezett Steril Insect Technique (SIT) nagyon ígéretesnek tűnik. Az eljárás során hím legyeket tenyésztenek, sterilizálnak és bocsátanak szabadon a kívánt területen úgy, hogy a sterilizált egyedek száma messze meghaladja a területen természetes körülmények között jelenlévő hím legyek számát. A nőstény legyek ezekkel is párosodnak, de így csak megtermékenyítetlen tojásokat raknak.

Termésmennyiség és termelékenység növelés

A termelékenység növelésére, valamint a különböző betegségek elleni védekezésre számos agrokémiai eljárás használatos. Ezek környezeti hatásai nagyon előnyösen vizsgálhatók jelölt vegyületekkel.

A növények fiziológiájának vizsgálata nagyon érdekes terület abból a szempontból, hogy megértsünk néhány alapvető jelenséget, amelyek hosszú távon segítenek a termés mennyiségének és minőségének növelésében. A magnézium- és a nátrium-hiány hatásának vizsgálatához ²⁸Mg (T_1/2 = 21 h) és ⁴²K (T_1/2 = 12,4 h) izotópokat használnak. Ehhez hasonlóan vizsgálják a CO₂ asszimilációját különböző stresszhelyzetekben. A CO₂ molekulákat rövid felezési idejű, (β⁺ bomló ¹¹C (T_1/2 = 20,3 min) izotóppal jelölik meg [2]. A CO₂ asszimilációja az alapvető kulcsfolyamat a vegetációban. A "CO₂ használatára alapozott vizsgálatok új távlatokat nyitnak a mezőgazdasági, a biológiai és a környezettudományi kutatásokban.

A nukleáris technika felhasználásával a termésfejlesztésnek és a hozamnövelésnek két megközelítése lehetséges. Egyik a mutációs változatok bevezetése, a másik a biotrágyázás.

Mutációs tenyésztéssel a növények új jellemzőit lehet kialakítani, mint például szárazságtűrést vagy a nagyobb hozamot. Ha a magokat gamma-sugarakkal besugározzuk, az változásokat okozhat a növény öröklött genetikai jellemzőiben. Az árpa jó példa a mutációs változásokra (UNA-LA Molina 95). Az ősök előnyein kívül több különleges tulajdonsággal rendelkezik: nagyjából három héttel hamarabb hoz termést, tok nélküli magokat hoz, amelyeknek nagyobb a proteintartalmuk. Hasonlóan ígéretes eredmények vannak számos növényre, mint például az afrikai rizsre, a cirokra, yamgyökérre és másokra vonatkozóan.

A biotrágyázás a nitrogén megkötésének egy természetes módját is magában foglalja. Felismerték, hogy a rhizobium családhoz tartozó baktériumok, amelyek csomókat képeznek a hüvelyesek gyökerén, a levegő nitrogéntartalmát a növény számára használható formájúvá alakítják át. Ez hasonlít ahhoz a folyamathoz, amelyet a vegyi üzemekben használnak urea tartalmú műtrágya előállításánál. Napjainkban jelentős figyelmet fordítanak a nitrogén megkötésének ilyen biológiai módjára. A megkötés mechanizmusának vizsgálatához jelzőként a stabil ¹⁵N izotópot használják. A folyamat maga csak közvetett kapcsolatban van a radioaktivitással, de a lényege hasonló az izotóphígításos analízisben használtakéhoz.

Haszonállatok termelékenységének növekedése

A haszonállatok termelékenységének növelése érdekében az állatok szteroid hormonjainak radioimmunológiai vizsgálatát fejlesztették ki. A nyert információk alapján a trópusi és szubtrópusi környezetben élő, tejtermelő állatok részére táplálékkiegészítési stratégiát dolgoztak ki. Az eljárás eredményeként például Mexikóban a napi tejhozamban mintegy 63%-os növekedést lehetett elérni [3].

Összefoglalva, levonhatjuk azt a következtetést, hogy a nukleáris technikák igen jelentősen hozzájárultak az élelmezési és mezőgazdasági kutatások eredményességéhez. Azt is nyugodtan mondhatjuk, hogy a lehetőségek még nincsenek teljesen kihasználva.

Környezetvédelem

Az iparosodás világméretű növekedésével folyamatosan jelen van annak a veszélye, hogy az éghajlati viszonyokban nagy változás következik be. Éppen ezért, nagyon fontos, hogy valamennyi ismert vagy gyanúsnak látszó tényezőt folyamatosan és kritikusan figyelemmel kísérjünk. Szintén nagyon fontos a mérgező, illetve veszélyes anyagok, például a nehézfémek, az üzemek által kibocsátott szennyező anyagok, a hosszú felezési idejű radioaktív izotópok jelenlétének, illetve mennyiségének figyelemmel kísérése, Nem kevesebb figyelmet kell fordítani az üvegházhatást okozó gázok (GHG) kibocsátására. Végül is a geofizikai, a geológiai, a hidrológiai és az atmoszférikus jelenségek működésének tökéletesebb megértéséhez a modellezési technikákat még fejleszteni kell.

A nukleáris technika mind közvetlen, mind közvetett formában hozzájárul a környezetvédelemhez. A vízben vagy a levegőben található veszélyes anyagok sokaságát ki lehet mutatni, illetve a mennyiségét meg lehet határozni neutron-aktivációs módszerrel, mely módszer igen érzékeny és pontos. A hosszú élettartamú izotópokat, mint a ⁹⁹Tc (T_1/2 = 2,1 ˇ10⁵ év), a ¹²⁹I (T_1/2 = 1,6 ˇ10⁷ év), és a ²²⁶Ra (T_1/2 = 1600 év; a természetben megtalálható), meg lehet határozni radiometriás módszerekkel.

A modellvizsgálatok közül számosat el lehet végezni radioaktív izotópok felhasználásával, amelyek már bizonyították, hogy használható jelzői az éghajlathoz kapcsolódó paramétereknek, egyebek között a felületi levegő hőmérsékletének, a relatív páratartalomnak, vagy a csapadék mennyiségének.

A nukleáris energia közvetett hozzájárulása a környezetvédelemhez azon alapszik, hogy az energiatermelő maghasadási folyamat alatt nincs CO₂ kibocsátás, így az atmoszféra szennyezése ki van zárva.

1. táblázat

2. táblázat

Energiatermelés

Egy ország fejlettségének fontos mutatója az elektromos energiához való hozzáférhetőség. Az 1. táblázatban láthatjuk néhány ország lakosságának egy főre eső elektromos energia fogyasztását 1996-ban [4]. A táblázat a háztartási és az ipari fogyasztást egyaránt tartalmazza. Nyilvánvaló, hogy az iparilag fejlett országok több energiát fogyasztanak, míg a fejlődők lényegesen kevesebbet. Az USA kiemelkedően magas fogyasztása feltehetően azért van, mert a nyári hónapokban nagyon elterjedt a légkondicionálás. Nyugat-Európában ez közel sem ennyire elterjedt, továbbá a téli hónapokban elsősorban gázzal, vagy olajszármazékkal fűtenek.

Az előrejelzések szerint az iparilag fejlett országokban az energiaigény, illetve a fogyasztás lényegében ezen a szinten fog maradni. A világ energiaigénye viszont rohamosan növekszik a következő évszázadban. Előre látható, hogy a növekedés a fejlődő országokban lesz a leggyorsabb, hogy lépést tudjanak tartani a népesség növekedésével és a gazdasági növekedéssel.

Fűtőanyag és hulladék

Ha egy globális skálán nézzük, ma az energiafogyasztás erősen a fosszilis tüzelőanyagokhoz kötődik. A nukleáris erőművek részesedése a villamos energia termelésében 17% körül van, míg a teljes energiafelhasználást tekintve (figyelembe véve a Nap és egyéb természetes energiaforrásokat is) mindössze 2%. A fosszilis fűtőanyagok nem igazán hatékony energiatermelő források. A 2. táblázatban láthatunk egy összehasonlítást arról, hogy a különböző fűtőanyagokból milyen mennyiség szükséges 1000 kWh elektromos energia előállításához [5]. Teljesen nyilvánvaló, hogy az urán, mint a hasadáson alapuló reaktor fűtőanyaga, nagyon hatásos forrás. Három gramm, 3%-os dúsítású urán elegendő annyi elektromos energia előállításához, amennyit például Pakisztánban egy négytagú család használ egy teljes év alatt. Más ehhez hasonló hatékonyságú energiaforrás jelenleg nem áll rendelkezésre.

1. ábra. A fűtőanyagfelhasználás és hulladékképződés összehasonlítása 1 GW teljesítményű erőművekben [6].

2. ábra. Különböző típusú erőművek CO ₂kibocsájtása [7].

Az energiatermelés mindig problémákkal párosul. A fűtőanyagok és hulladékok egy összehasonlítását az 1. ábra mutatja. Egyrészt, a hagyományos erőművek igen nagymennyiségű vegyi anyagot bocsátanak ki, másrészt, az atomerőművek jelentős mennyiségű radioaktív hulladékot halmoznak fel [6].

CO₂ kibocsátás

A CO₂ kibocsájtást az igen súlyos környezeti problémák közé kell sorolni, hiszen meg van annak a veszélye, hogy globális felmelegedést, illetve az éghajlati viszonyok lényeges megváltozását okozza. Az energiatermeléshez kapcsolódó kibocsátott széndioxid mennyisége mintegy 75%-a az ember által előállított összes, üvegházhatást okozó gázmennyiségnek. Az elektromos energia előállításához használt különböző források más-más mennyiségben bocsátanak ki széndioxidot [7]. A 2. ábra mutatja a különböző források CO₂ kibocsátását. Nyilvánvaló, hogy a széntüzelésű erőművek bocsátják ki a legtöbbet, mintegy 1000 g CO₂-ot minden kWh előállításánál. Az olaj, illetve a földgáz kevesebbet, míg a maghasadási folyamat egyáltalán nem termel széndioxidot. Csupán a rend kedvéért jegyezzük meg, hogy a fűtőelemek előállításánál keletkezik egy teljesen elhanyagolható mennyiségű széndioxid.

A fentiek számbavétele ahhoz a következtetéshez vezet, hogy napjainkig az atommaghasadás az elektromos energia előállításának nem csupán a leghatékonyabb forrása, hanem egyben a legtisztább eljárás is.

3. ábra. Az atomerőművek részesedése a teljes elektromos energiatermelésből [8].

Nukleáris erőmű kapacitás

1996 végéig 442 atomerőmű működött, 32 országban. Mint már korábban említettük, a világ teljes elektromos energia termelésének 17%-át az atomerőművek adják. Ugyanakkor, az atomerőművek mintegy 85%-a OECD (Organisation for Economic Cooperation and Development) 16 tagállamában van. A 3. ábra az OECD tagállamokra vonatkozóan mutatja az atomerőművek részesedését a teljes elektromos energia előállításban [8]. Az összehasonlítás kedvéért néhány, a szervezetbe nem tartozó ország adatát is feltüntettük. 18 országban az atomerőművek aránya eléri, vagy meghaladja a 25%-t. Tehát az iparilag fejlett országokban az atomerőmű lényeges részét képezi a teljes elektromos energiatermelésnek.

Az természetes, hogy az atomerőmű az elektromos energia előállítás szerves része lett. A nagy hatásfok, a tisztaság, az effektív gazdasági megvalósíthatóság miatt igen előnyös energiaforrás. Ugyanakkor a biztonság, a biztonsági rendszer, a radioaktív hulladék kezelése folyamatos erőfeszítéseket kíván. A hulladékkezelés új koncepcióira, mint például elválasztás és más izotópokká alakítás (transzmutáció), amely utóbbi egy speciális gyorsítóra alapozott módszer, fokozott figyelmet kell majd fordítani.

Egészség és gyógyászat

A radioaktivitás felfedezését követően szinte azonnal megindult annak vizsgálata, hogy hogyan lehetne ezt a jelenséget a gyógyításban is alkalmazni. Ma a nukleáris módszerek általában, míg a radioaktivitás részben egyre növekvő alkalmazást nyer mind a gyógyításban, mind a diagnosztikában.

Sugárterápia

Napjainkban a külső sugárforrásokból, például elektrongyorsítókból, vagy gamma-forrásokból, származó sugárzásokat széles körben használnak szinte valamennyi nukleáris orvosi központban. A radioterápia, a sebészeti és kemoterápiás beavatkozások mellett, fontos kiegészítő szerepet tölt be a rosszindulatú daganatok kezelésében. A mélyen fekvő daganatok kezelése megoldható gyors neutronokkal, illetve még precízebben protonok vagy nehezebb gyorsított ionok alkalmazásával is.

4. ábra. A pozitron emissziós tomográfia elve.

Napjainkban a külső gyógyítási eljárások mellett a belső gyógyítási eljárások is egyre nagyobb figyelmet kapnak. Ebben az eljárásban egy gyógyászati izotóppal jelzett biomolekulát juttatnak a véráramba. A molekula szállító szerepet tölt be, és az izotópot oda juttatja a szervezetben, ahova terapikus hatást tervezték. A gyógyításnak ez a módja óriási lehetőségeket hordoz, de jelenleg még gyermekcipőben jár [9]. A belső sugárforráson alapuló eljárásnak egy másik módja bórvegyületek és neutronok felhasználásán alapszik. A véráramba juttatott bórvegyület valamely speciális szervben gyülemlik fel. Ezt követően az illető szervet külső forrásból származó neutronokkal sugározzák be. A reakcióból származó intenzív , illetve Li-ion áram hozza létre a helyi gyógyító hatást.

Diagnosztikai vizsgálatok: Emissziós Tomográfia

A fenti diszkusszióban a sugárterápia jelentőségét húztuk alá. A diagnosztikus nukleáris medicina talán még nagyobb jelentőségű, mivel sok esetben nincs helyettesítő, hasonló előnyökkel és érzékenységgel bíró, nem nukleáris módszer. A -sugárzás detektálásán alapuló computer tomográfia (CT) például az egyik legszélesebb körben használt diagnosztikai eljárás. A hordozómentes radioaktív izotópok alkalmazása teszi lehetővé az emissziós tomográfiát, mivel egy adott szervben felgyülemlett radioizotóp által emittált sugárzás a testen kívülről detektálható. Ez az emissziós tomográfia néhány előnyét biztosítja, mint például

- dinamikus vizsgálatok lehetősége

- szervfunkció lokalizálása

- nem zavarja a szervezet biológiai egyensúlyát

- nagy felbontású képek készítése.

Az emissziós tomográfiának két fajtája van: foton emissziós computer tomográfia (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT) és pozitron emissziós tomográfia (PET). Az előbbi olyan radioizotópokat használ, amelyek a 70-250 keV energiatartományban emittálnak sugárzást. Ezek közül a leggyakrabban használatosak a

99mTc (T_1/2 = 6,0 h), a ¹²³I (T_1/2 = 13,2 h) és a ²⁰¹Tl (T_1/2 = 73,2 h). A beruházási költségek SPECT esetén nem olyan magasak, így ez a technika a világ legtöbb országában ma már elérhető. A PET technikával szembeni fő hátrányai: a) viszonylag rosszabb feloldás, b) alacsonyabb időbeli felbontás és c) nem kvantitatív eredmények. Másrészről a műszer folyamatos fejlesztés alatt áll, néhány éven belül várható gyorsabb és nagyobb felbontású tomográfok megjelenése, amelyek a mainál kvantitatívabb adatokat fognak majd szolgáltatni.

5. ábra. Rövidéletű izotópokkal jelzett radiofarmakonok előállításának folyamatábrája.

Az utóbbi évtizedben a PET jelentősége, különösen a biológiai funkciók vizsgálatában, folyamatosan növekszik. Ez a gyors és kvantitatív technika következménye. A PET elve a 4. ábrán látható. A pozitront emittáló radioizotópot tartalmazó radiofarmakont a vérbe injektálják. Ennek jelentős része szelektíven felszaporodik egy adott szervben. A bomlás során (például a ¹⁸F-ból) emittálódó pozitron a szövetben történő lelassulása után egy elektronnal ütközik, miközben két 511 keV energiájú foton távozik 180 fokos szögben. Az aktivitás mérése egy detektor-gyűrűvel történik, ahol az egymással szemben lévő detektorok csak a koincidenciában beérkező eseményeket regisztrálják. Így pontosan behatárolható a koincidencia helye. Természetesen az alkotott kép feloldása függ az emittált pozitronok energiájától, valamint a PET saját feloldásától. Modern tomográfokkal, megfelelő radiofarmakonok használata esetén 4 mm feloldás elérése is lehetséges.

A PET vizsgálatok során rövid felezési idejű szerves izotópokat használnak, mint a ¹¹C (T_1/2 = 20 min), ¹³N (T_1/2 = 10 min), ¹⁵O (T_1/2 = 2 min) és ¹⁸F (T_1/2 = 110 min). Ezek előállítása alacsony energiájú magreakciókka1 - (p, n), (d, n) és (p, a) - történik, amihez a gyorsított töltött részecskéket ciklotronban nyerik. A specifikus radiofarmakonok szintézise gyors, speciális radiokémiai eljárást kíván meg. Ezért az ideális PET centrum három fő egység, nevezetesen a ciklotron, a radiokémiai laboratórium és maga a tomográf kombinációja. A rövid felezési idejű radiofarmakonok előállításának folyamatábrája az 5. ábrán látható.

Jelenleg nagyintenzitású feladatorientált ciklotronok kifejlesztése van folyamatban, a céltárgyak kezelése és kémiája igen fejlett szintet ért el. A céltárgyban termelt radioizotóp a kiindulási kémiai formából (prekurzor) egy vagy több köztes terméken keresztül alakul át a kívánt termékké. Tisztítás és minőségi ellenőrzés után a termék orvosi alkalmazásra kész. A pozitront emittáló izotóp rövid felezési ideje miatt nagy kiindulási aktivitást kell használni, ezért nagyon gyors jelzési eljárások kidolgozása szükséges. Az utóbbi néhány évben a radiokémiának ez a speciális ága gyors fejlődésen ment keresztül [9], és ma már, a legáltalánosabban használt radiofarmakonok esetében, automatikusan működő szintetizáló berendezések szerezhetők be a kereskedelemben. A radiofarmakonok alkalmazása kiterjed a neurológia, a kardiológia és az onkológia területére. Így mára a PET a betegvizsgálatok területén elfogadott technikává vált.

Egyre növekvő verseny van a nukleáris és a nem nukleáris (mint az MRI, Magnetic Resonance Imaging) technikák között, de a PET néhány különleges előnnyel rendelkezik. Ismét érdemes kihangsúlyozni a PET előnyeit a dinamikus in vivo vizsgálatokban. Agyi aktivációs vizsgálatok [10] például ¹⁵O(H₂O) és ¹⁵O (butanol) radiofarmakonokkal azt mutatták, hogy a véráramlást a motoros funkciók területén az ujj egyszerű megmozdítása is befolyásolja. Az ilyen vizsgálatok eredményei arra utalnak, hogy bizonyos betegségek kifejlődését a PET-tel molekuláris szinten lehet tanulmányozni. Ez biztos előnyt jelent az orvosi diagnosztikai kutatásokban, mivel jelenleg a nem-nukleáris módszerek erre nem alkalmasak.

Röviden összefoglalva: nyilvánvaló, hogy a nukleáris tudományok nagymértékben hozzájárulnak az orvosdiagnosztikai és terápiás vizsgálatok fejlődéséhez. További korszerűsítésük a koncentrált erőfeszítések folytatásától várható. Maximálisan figyelembe kell azonban venni, hogy a vizsgált betegek által kapott sugárdózis kritikus tényezőként jelenik meg. Minden erővel e dózis értékének a lehetőségek szerinti legalacsonyabb szinten való tartására kell törekedni.

Intellektuális tevékenység: alapkutatások

A nukleáris tudományok területéhez tartozó alapkutatások meglehetősen szerteágazóak. Nem lehetséges, de nincs is szándékomban ezeket a területeket itt mind áttekinteni. Mint magkémikus, a szerző megpróbál egy területet kiemelni, nevezetesen a legnehezebb elemek jellemzését, ahol a nukleáris tudományok jelentősen hozzájárultak azok kémiai tulajdonságainak megértéséhez.

A fő problémák a legnehezebb elemek (Z 103) kémiai jellegének meghatározásával kapcsolatban a következők:

• az előállítási magreakció hatáskeresztmetszete nagyon alacsony (nb), így a termelt atomok száma nagyon kevés. Sok esetben csak néhány atom keletkezik, azok is egyesével. Az alkalmazott kémia így egyedi atomok kémiájának nevezhető.
• ezeknek a nuklidoknak a stabilitása igen kicsi, azaz nagyon rövid felezési idejűek.
• a közeg aktivitása magas, főleg a párhuzamos hasadási reakciók következtében.
• az atomok növekvő méretének következtében a legtávolabbi vegyérték-elektronok kötése gyengébb lehet. Ez relativisztikus hatásokhoz vezethet, ami nem teszi lehetővé a kémiai tulajdonságok előzetes becslését.

Ezek után a kihívás az új elem csupán néhány atomja tulajdonságának a tanulmányozása, és - egyszerű kémiai elválasztási kísérletek alapján, amit csak a rendelkezésre álló rövid idő alatt lehet elvégezni - a kémiai tulajdonságok meghatározása [11].

3. táblázat

A szupernehéz elemek karakterizációja (Z = 103-106)
Elem	103(Lr)	104(Rf)	105(Db)	106(Sg)
Csoport	IIIa (An)	IVa (Eka-Hf)	Va (Eka-Ta)	VIa (Eka-W)
Elektron konfiguráció [Rn]	5f146d7s2 vagy 5f147s27p1	5f146d27s2 vagy 5f146d17s27p1	5f146d37s2 vagy 5f146d27s27p1	5f146d47s2
Leghosszabb életű izotóp (T1/2)	260Lr (3 min)	261Rf (65 s)	263Db (34 s)	266Sg (10-30 s)
Előállítás	249Bk(18O, 3n)	249Cm(18O, 5n)	249Bk(18O, 4n)	248Cm(22Ne, 4n)
Kémiai jelleg megállapítása	Ioncsere	Kloridok volatilizálása	Extrakciós kromatográfía	Ioncsere

Tisztán fizikai multiparaméteres kísérletek alapján azonosított eddigi legnehezebb elem a 112-es volt. A mai napig szintetizált összes elem, ahol Z> 106, nagyon rövid felezési idejű (T_1/2 ms). Legújabban a 114-es elem azonosítását jelentették be. Az életideje viszonylag hosszú (30 s), ami alátámasztja a szupernehéz elemek mágikus szigetéről alkotott feltételezést a 114-es rendszámnál. Az összes ilyen kísérlet azonban az azonosított elem nukleáris tulajdonságaival foglalkozik. Semmi sem ismeretes a kémiai tulajdonságokról, mivel az elektronburok szerkezetének kialakulásában relativisztikus effektusnak is fontos szerepe van, amelynek figyelembe vétele rendkívül nehéz. Nyilvánvaló, hogy kémiai munkához hosszabb felezési idejű izotópok szükségesek. Ez idáig kémiai azonosítást ezért csak a Z = 106 rendszámig lehetett végezni.

6. ábra. A Ta, Nb, Pa, Zr/Hf és Db elúciós görbéi a HCl molaritásának függvényében TIOA-HCl/0,03 M HF rendszerben [11].

Egy tipikus kísérletet mutatunk be a következőkben, amellyel a 105-ös elemet azonosították Darmstadtban. A ²⁴⁹Bk(¹⁸O,4n)²⁶⁵Db magreakció visszalökött termékét. He vivőgázzal transzportálták és egy tri-izo-oktilamint tartalmazó Voltalef oszlopon választották le. A homológ elemek elúciós tulajdonságainak vizsgálata során nyert Zr/Hf, Pa, Nb és Ta elemekre vonatkozó elúciós görbéket a HCl molaritásának függvényében a 6. ábrán reprodukáltuk. Hasonló vizsgálatot végeztek el a 105-ös elemmel is (amit nemrégen Dubniumnak neveztek el), és ennek eredményét szintén feltüntettük a 6. ábrán. Érdemes megemlíteni, hogy 1700 komplett kísérleti ciklus során (besugárzás, transzport, kémiai elválasztás, aktivitásmérés) mindössze 230 atom volt regisztrálható. Mindazonáltal az eredmények arra utalnak, hogy a 105-ös elem viselkedése inkább a Nb és Pa elemekéhez hasonlít, mint a Ta-hoz, azaz eltér a várakozástól. Egy feltételezés szerint a képződött komplex (DbOCl₄) volt, ellentétben a (TaCl₆) formával. Mostanában kémiailag azonosították a 106-os elemet is, és tulajdonságait a Mo-hez és a W-hoz hasonlónak találták [12]. Ezt az élemet Seaborgiumnak (Sg) nevezték el.

A hozzáférhető információkat a legnehezebb elemek kémiai jellegéről a 3. táblázatban összegeztük. Úgy tűnik, hogy a relativisztikus hatás mégsem olyan erős, mint várták, így az új elemek sok tulajdonsága extrapolálható az ismert elemek periódusos rendszere alapján. Azonban meg kell ismételnünk, hogy akármilyen kémiai információ is érhető el jelenleg a nehéz elemekről, azok olyan nukleáris vizsgálatok eredményei, amelyek csak néhány atom vizsgálatán alapulnak.

Következtetések és kilátások

A nukleáris tudományok jelentősen hozzájárulnak az agrár- és élelmiszerkutatáshoz, valamint sok környezeti jelenség megértéséhez. A nukleáris tudományok legnagyobb hatása azonban az energiatermelésben mutatkozik, lévén a maghasadás effektív, megbízható és tiszta energiaforrás. Tény, hogy a nukleáris energia effektív eszköz lehet a környezeti stresszhatások csökkentésében.

A nukleáris tudományok forradalmasították a diagnosztikus nukleáris medicinát is. A PET új lehetőséget adott az agy, a szív és a daganatok biokémiájának tanulmányozásához. Kutatási eszközként szolgál in vivo tanulmányokhoz a molekuláris medicinában.

A legnehezebb elemek kémiai jellegének meghatározása is csak a nukleáris technika segítségével lehetséges, ami egy nagy kihívást jelentő intellektuális feladat.

Irodalom

1. International Atomic Energy Agency (IAEA) Bulletin. Vienna (1997) 39(3) 14-17.
2. ROEB, G. W. FÜHR, F.: Use of short lived ¹¹C radioisotope in phytophysiological research, Plant Research and Development 32 (1990) 55-70.
3. International Atomic Energy Agency (IAEA). (1997) Annual Report, 26 Vienna.
4. United Nations. 1994. Energy Statistics Yearbook, New York, (1996); partly adapted by Verein Deutscher Elektrizitätswerke (VDEW).
5. Deutsches Atom- und Industrieforum, Handbuch. (1996) Bonn.
6. MOUROGOV, V.M.: Nuclear power development: global challenges and strategies, In: IAEA Bulletin, Vienna (1997) 39(2) 2-8.
7. STEVENS, G.H.: Nuclear energy in relation to sustainable development, In: OECD-Nuclear Energy Agency Newsletter, Paris (1997) 15(1) 14-17.
8. Nuclear development and the fuel cycle. In: 25^th Annual Report of the OECD-Nuclear Energy Agency, (1997) Paris, pp. 16-20.
9. STÖCKLIN, G.S., QAIM, M., RÖSCH, F.: The impact of radioactivity on medicine, Radiochimica Acta (1995) 70/71 249-272.
10. HERSCOVITCH, P.: Functional mapping of the human brain, In Principles of Nuclear Medicine, (1995) Eds. WAGNER, H.N. JR., SZABO, Z. AND BUCHANAN, J.W. 2^nd ed. pp. 514-531. W.B. Saunders Company, Philadelphia.
11. SCHÄDEL, M.: Chemistry of the transactinide elements, Radiochimica Acta (1995) 70/71 207-223.
12. SCHÄDEL, M., BRÖCHLE, W., SCHAUSTEN, B., SCHIMPF, E., JÄGER, E., . WIRTH, G., GÜNTHER, R., KRATZ, J.V., PAULUS, W., SEIBERT, A., THÖRLE, P., TRAUTMANN, N., ZAUNER, S., SCHUMANN, D., ANDRASSY, M., MISIAK, R., GREGORICH, K.E., HOFFMAN, D.C., LEE, D.M., SYLWESTER, E.R., NAGAME, Y., OURA, Y.: First aqueous chemistry with Seaborgium (Element 106), Radiochimica Acta (1997) 77 149-159.

________________________

A fenti címmel tartott díszdoktori székfoglaló elhangzott 1999. november 3-án a Kossuth Lajos Tudományegyetemen. Fordították: Cserpák Ferenc, Debreceni Egyetem és Kovács Zoltán, MTA Atommagkutató Intézete.