Радиоактивные изотопы — изотопы, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад. Большинство известных изотопов радиоактивны (стабильными являются лишь около 300 из более чем 3000 нуклидов, известных науке). У любого химического элемента есть хотя бы несколько радиоактивных изотопов, в то же время далеко не у всех элементов есть хотя бы один стабильный изотоп; так, все известные изотопы всех элементов, которые в таблице Менделеева идут после свинца, радиоактивны.

Поскольку бета-распад любого типа не изменяет массовое число A изотопа, среди изотопов с одинаковым значением массового числа (изобаров) существует как минимум один бета-стабильный изотоп, отвечающий минимуму на зависимости избытка массы атома от заряда ядра Z при данном A (изобарической цепочке); бета-распады происходят по направлению к этому минимуму. Обычно для изотопов с нечётным A такой минимум один, тогда как для чётных значений A бета-стабильных изотопов может быть 2 и даже 3. Лёгкие бета-стабильные изотопы стабильны также и по отношению к другим видам радиоактивного распада и, таким образом, являются абсолютно стабильными (если не принимать во внимание до сих пор никем не обнаруженный распад протона, предсказываемый многими современными теориями-расширениями Стандартной Модели). Начиная с А=36 на чётных изобарических цепочках появляется второй минимум. Бета-стабильные ядра в локальных минимумах изобарических цепочек способны испытывать двойной бета-распад в глобальный минимум цепочки, хотя периоды полураспада по этому каналу очень велики (10¹⁹ лет и более). Тяжёлые бета-стабильные ядра могут испытывать альфа-распад (начиная с A≈140), кластерный распад и спонтанное деление.

За единицу активности (радиоактивности) радиоактивного вещества в Международной системе СИ принята скорость радиоактивного распада, равная 1 распаду в секунду, которая получила название беккерель — Бк (в английской версии Bq). Устаревшая, но по-прежнему используемая единица активности кюри — Ки (в английской версии Ci) — это активность препарата, эквивалентная активности 1 г металлического радия-226 и равная 3,7х1010 распадов в секунду, т.е. 3,7х1010 Бк.

Строго говоря, радиоактивный распад — это превращение ядра атома радиоактивного элемента, которое сопровождается выделением продуктов такого превращения. Например, электронный захват представляет собой поглощение электрона ядром с выделением γ-кванта, и такой тип "радиоактивного распада" более точно следует называть "ядерным превращением". Впрочем, оба термина используются в литературе на равных, несмотря на предпочтительность "ядерного превращения".
Основной закон радиоактивного распада описывается замечательной формулой:

где: N_t — количество распавшихся радиоактивных атомов; N₀ — начальное количество радиоактивных атомов; λ — константа скорости радиоактивного распада; t — время.

Из этой формулы следует сразу несколько довольно простых, но очень важных выводов и следствий, которые надо знать всем работающим с радиоактивными изотопами:

1. Количество радиоактивных атомов, распавшихся за некоторое время наблюдения, зависит только от их исходного количества и времени наблюдения (распада). Никакие другие параметры: астрономические, физические, химические, парапсихологические и "волшебные" на радиоактивный распад не влияют. Константа скорости радиоактивного распада [ λ ] (иногда ее называют константой распада) определяется только природой изотопа и для каждого изотопа имеет свою величину. Все попытки замедлить радиоактивный распад охлаждением (даже в жидком азоте) или ускорить распад нагреванием абсолютно бессмысленны. Вы можете влиять на стабильность химического соединения, меняя температуру его хранения, но количество радиоактивных атомов в препарате при этом не изменится.

2. Скорость радиоактивного распада меняется по экспоненте (т.е. нелинейно), и рассчитывать количество радиоактивного материала в вашем препарате надо с учетом этого факта, пользуясь либо вышеприведенной формулой, либо соответствующими таблицами распада (что обычно и делают на практике).

3. Представьте себе, что в формуле радиоактивного распада Nt = 1/2 N0 , т.е. распалась ровно половина радиоактивных атомов, содержащихся в препарате. Время этого процесса — константа Т1\2 — называется периодом полураспада. Физический смысл — время, за которое распадается половина радиоактивных атомов данного изотопа. Эта величина весьма полезна для работающих с радиоактивностью, т.к. позволяет быстро оценить "потери на распад" препарата.

4. Физический смысл константы скорости радиоактивного распада [ λ ] — это активность 1 моля (или ммоля) 100% радиоактивного изотопа и соответственно размерность этой константы — Бк/моль (Bq/mol) или Ки/ммоль (Ci/mmol). То есть, это теоретически достижимая молярная активность (активность одного моля радиоактивного вещества), знание которой позволяет оценить чувствительность метода и качество радиоактивного препарата. Ниже об этом будет сказано подробнее.

 

Это исторически самый первый и, по-прежнему, весьма популярный метод детекции различных радионуклидов. Главное преимущество авторадиографии — простота и доступность. Выдержите (проэкспонируйте) образец с рентгеновской пленкой, затем проявите пленку в стандартных условиях — и получите картину распределения радионуклида по поверхности образца: геля, тонкослойной хроматограммы и т.д.

Если полученная "картинка" не устраивает — можно повторить экспозицию с новой пленкой, увеличивая (или уменьшая) время по своему желанию. Обычно время экспозиции меняют в 2÷3 раза, так как изменение времени экспозиции на 20÷30% существенных изменений в картину не вносит.

Весь сиквенс ДНК и РНК с радиоактивным фосфором использовал исключительно авторадиографию. Флюоресцентная метка практически полностью вытеснила радиоактивные изотопы из секвенирования, однако авторадиография остается широко применяемым методом детекции.

Главный недостаток авторадиографии — сложности с количественной оценкой. При визуальном определении даже интуитивно ясно, что интенсивность "почернения" пленки пропорциональна количеству радиоактивных атомов в этом месте. Но вопрос об этой "пропорциональности" нуждается в пояснении. Существует несколько типов сканеров, позволяющих довольно точно определять интенсивность "зачернения" пленки и, следовательно, сравнивать пятна инструментально, а не "на глаз". Оказалось, что диапазон активности препарата, в котором интенсивность "зачернения" пленки прямо пропорциональна количеству радиоактивных атомов, очень невелик и зависит от времени экспозиции образца с пленкой, типа пленки, природы радионуклида (тип распада и энергия излучения) и даже от режима обработки пленки. Например, для фосфора-32 за ночь экспозиции линейная зависимость "зачернения" пленки от активности образца находится в диапазоне 0,5÷25 Бк на мм2 (примерно 30÷1500 имп/мин). Дальнейшее увеличение активности образца, например, до 100 Бк на мм2 не приводит к большей интенсивности "зачернения" — всё уже "зашкалило".

Очень полезной и эффективной оказалась "электронная авторадиография", возникшая сравнительно недавно, как результат развития микроэлектроники и компьютерной техники.
Фосфоимиджер — прибор для "электронной авторадиографии" фосфора-32. Кассета с многократно используемым экраном экспонируется с плоским образцом: гелем, хроматографической пластинкой и т.п. Затем экран помещается в прибор, в котором с помощью лазерного сканирования определяется местоположение и активность радиоактивного материала, экспонировавшегося с экраном.

Другой аналог — это использование газопроточных счетчиков для "электронной авторадиографии". Представьте себе щетку для одежды, каждый волосок которой диаметром 0,2 мм является индивидуальным газопроточным счетчиком. Если вы совместите такую "щетку" общим размером 18 х 24 см с исследуемым плоским образцом, то на экране компьютера в реальном времени вы сможете наблюдать количественную картинку распределения "радиоактивных веществ" на плоскости вашего образца. Разные модификации такого прибора позволяют работать практически со всеми радионуклидами, которые применяются в биологии.

Эффективность счета в этих приборах, конечно, не может быть высокой, однако для практической работы этот недостаток с лихвой компенсируется быстротой и удобством "электронной авторадиографии", а также возможностью получения результата сразу в электронном виде.