I 1896 opdagede Henri Becquerel en ny, mystisk stråling. I modsætning til røntgenstrålerne, som forsvandt, når røntgenrøret blev slukket, blev denne nye stråling fra uran udsendt hele tiden. Pierre og Marie Curies videre undersøgelser afslørede, at andre grundstoffer havde samme egenskab. I 1898 fandt de især disse egenskaber hos polonium og radium.

Pierre og Marie Curie fandt hurtigt en anvendelse for denne egenskab, og allerede i 1901 blev radium brugt på hospitalerne. Man erkendte, at strålingen fra radium havde gavnlige virkninger på mange hudsygdomme, herunder kræft.

Pierre og Marie Curie i deres laboratorium, Paris 1898.

Den nye stråling havde nuklear oprindelse. Nogle kerner udsender spontant α-partikler (heliumkerner), β-partikler – det kan være elektroner (β^-) eller positroner (β⁺) – og/eller γ-stråler (gammastråler) (dvs. højenergetiske fotoner). Et sådant atom med en ustabil kerne, der er karakteriseret ved et energioverskud, kaldes et radionuklid eller en radioaktiv nuklid og omtales også som en radioisotop eller en radioaktiv isotop.

Naturlige radioisotoper er for eksempel ²³⁸U (uran), ⁴⁰K (kalium), ²³²Th (thorium) og deres datterkerner ²²⁶Ra (radium), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (polonium). Nogle radioisotoper dannes hele tiden ved den kosmiske strålings påvirkning af de øverste lag af vores atmosfære, som for eksempel ¹⁴C (kulstof), ³H (tritium) eller ⁷Be (beryllium).

Irène og Frédéric Joliot-Curie var de første, der fremstillede kunstige radioisotoper, i 1933, ved at bruge en naturlig α-kilde til at beskyde aluminium-27 og fremstille radiogrundstoffet fosfor-30, som ved β-henfald omdannes til silicium-30. Det skyldtes, at aluminiumatomernes kerner fik ekstra protoner fra heliumkernerne (α-partiklerne).

Siden da er der fremstillet mange nye radioisotoper, hvilket har åbnet for en række nye anvendelser og ført til en bedre forståelse af kernestof og kernekræfter. I 1936 var der fremstillet omkring 200 radionuklider. I dag kender man omkring 250 stabile nuklider. De fremstilles ved hjælp af partikelstråler, lige fra protoner til ²³⁸U, der accelereres i cyklotroner eller lineære acceleratorer.

Den første accelerator (en cyklotron) blev bygget i Berkeley i USA i 1932 af Ernest O. Lawrence. Han og hans bror John Lawrence, som var læge, indså hurtigt nogle meget vigtige medicinske anvendelser og fremstillede radioaktive isotoper til biologisk og medicinsk forskning og til behandling af kræft. Den første europæiske cyklotron blev bygget af Frédéric Joliot (1939) på Collège de France i Paris.

Kort over kernelandskabet. Driplinjerne markerer grænsen for kernernes stabilitet mod udsendelse af n eller p.

Fysikerne har fremstillet mange nye isotoper, der ligger længere og længere væk fra den naturlige stabilitetsdal. I dag findes der mange anlæg, der anvender stråler af radioaktive ioner. Efterspørgslen efter medicinske radioisotoper er et verdensomspændende fænomen, og i de udviklede lande er den vokset eksponentielt siden 1995.

Nobelprisen i kemi i 1943 blev tildelt G. de Hevesy, fordi han som den første brugte naturlige (og senere kunstige) radioaktive grundstoffer som sporstoffer til at studere stabile grundstoffer i biologiske systemer. En meget lille mængde af et radioaktivt grundstof kan let følges i menneskekroppen. Det kan også gøres med kemiske sporstoffer, men så skulle der bruges langt større mængder kemikalier, hvilket ville gøre proceduren langt mere risikabel for patienten.

Ved en typisk nuklearmedicinsk undersøgelse gives patienten et sporstof, og de γ-stråler, som sporstoffets nuklid udsender, registreres med en række strålingsdetektorer. Det kaldes emissionstomografi. Sporstoffet vælges som regel, så det aflejres selektivt i et bestemt organ, og de registrerede γ-stråler giver så et detaljeret billede af det område, man er interesseret i. For det trænede øje kan billederne afsløre strukturelle eller stofskiftemæssige afvigelser, hvilket giver bedre diagnoser. Inden for nuklearmedicin bruges en lang række isotoper, som hver især er målrettet bestemte organer i menneskekroppen.

Billedet ovenfor: PET anvendt i neurofysiologi (verbal arbejdshukommelse i hjernen), San Raffaele-hospitalet, Milano.

Svulster kan lokaliseres med teknikker som enkeltfoton-emissionscomputertomografi (SPECT) eller positronemissionstomografi (PET) (hvor man bruger kerner, der udsender positroner (β+), til – via annihilation – at danne energirige γ-stråler). SPECT og PET er standardteknikker til diagnosticering af svulster og til funktionsundersøgelser af den normale, raske hjerne.

Billede fra en computertomografi med røntgenstråler og et jodholdigt sporstof (Hôpital Erasme, Bruxelles).

Blandt de radioaktive grundstoffer spiller jod (I) en særlig rolle, da det binder sig til skjoldbruskkirtlens væv med stor affinitet og selektivitet. I lave doser kan det bruges til diagnostiske formål, eller strålingen fra radioaktivt jod, der udelukkende binder sig til skjoldbruskkirtlens væv, kan bruges til at behandle kræft i skjoldbruskkirtlen.

¹³¹I (β- og γ-radioaktivitet, med en halveringstid på 8 dage) har i over 50 år været brugt til at undersøge skjoldbruskkirtlens aktivitet. Tc-99m (en metastabil exciteret tilstand af kernen technetium-99 med en halveringstid på 6 timer) er også et meget godt sporstof, der bruges til at undersøge organer som hjernen, leveren og lungerne. Radium og strontium bruges til at undersøge knogler og skelettet.

De fysiologisk mest interessante grundstoffer som C (kulstof), N (kvælstof) og O (ilt) har kortlivede isotoper, der udsender β⁺, og som bruges i PET-teknikker. De almindeligt anvendte betaudsendende nuklider er ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O og ¹⁸F (fluor).

Billedet til højre: Scintigrafi af skjoldbruskkirtlens aktivitet med technetium.

SPECT står for Single Photon Emission Computed Tomography (enkeltfoton-emissionscomputertomografi). Ved denne procedure afbildes organerne ved at måle fordelingen af et indsprøjtet radioaktivt sporstof med et gamma‘kamera’, der er koblet til en computer. Ved SPECT-billeddannelse roteres en række gammadetektorer rundt om patienten, så der måles fra mange vinkler. Med denne teknik bestemmer man radionuklidfordelingens placering og koncentration. Ved SPECT bruger man radioisotoper som ^99mTc eller ¹²³I, hvor der udsendes en enkelt γ-foton (på 140 keV).

Billedet til venstre: En læsion i hjernen er tydeligt lokaliseret ved en SPECT-scanning (til venstre). Gliomet (en type hjernesvulst) er dårligt afgrænset på røntgentomografien (til højre), men kan ses som en tydelig mørk plet på et SPECT-billede taget med Tc-99m.

SPECT har mange anvendelser, både i behandling og som hjælpemiddel i behandling. SPECT-scanninger med en radioisotop, der ikke optages af vævene, men i stedet føres rundt med blodet, kan bruges til at se, hvordan blodet strømmer til bestemte væv og organer. Det er især nyttigt ved scanninger af hjernen og hjertet.

Ved positronemissionstomografi (PET) er de almindeligt anvendte isotoper ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C og ¹⁸F. De har korte halveringstider på henholdsvis omkring 2, 10, 20,4 og 110 min, så radioisotoperne skal fremstilles tæt på, hvor de bruges. Derfor har mange hospitaler en lille cyklotron i nærheden eller endda på selve hospitalet, specielt bygget til at fremstille disse isotoper. Isotopen bindes derefter til et naturligt kemisk stof som glukose, vand eller ammoniak, der så tilføres kroppen ved en indsprøjtning eller eventuelt ved at blive indåndet som gas. Radioisotopen føres hen til den del af kroppen, der bruger det kemiske stof, den er bundet til, og derfor bruges der mange forskellige typer kemiske stoffer.

Skematisk fremstilling af PET-teknikken. En ring af detektorer registrerer de to gammastråler, der stammer fra en e⁺ - e^--annihilation.

Elementarpartikler har tilsvarende antipartikler. En partikels antipartikel er reelt den samme partikel, men med modsat elektrisk ladning. Når en partikel og dens antipartikel støder sammen, annihilerer de, og der udsendes ren energi.

De isotoper, der typisk bruges ved en PET-scanning, er β⁺-udsendere. Når isotopen henfalder inde i patientens krop, bevæger hver udsendt positron (β⁺) sig kun et kort stykke i vævet (typisk mindre end 1 mm, men det afhænger af isotopen), før den annihilerer med en elektron (β^-). Den energi, der frigøres ved annihilationen, udsendes som et par gammafotoner (γ), der udsendes i en vinkel på 180° i forhold til hinanden og hver har en energi på 511 keV. Når de to γ-stråler registreres samtidig af to detektorer, kan man lokalisere henfaldet på linjen mellem de to detektorer.

PET-scanninger bruges almindeligvis til at diagnosticere kræft, hjertesygdomme og visse hjernesygdomme som epilepsi eller Alzheimers sygdom. PET bruges også til at vurdere virkningen af kræftbehandling. Desuden bruges PET-scanninger i forskning, for eksempel i undersøgelser af virkningerne af stofmisbrug eller aldring.

Risikoen ved en PET-scanning er meget lille, men som ved de fleste typer scanninger er den ikke altid egnet til gravide eller ammende kvinder. Da patienten har et radioaktivt stof i kroppen, råder hospitalerne patienterne til ikke at være i tæt kontakt med gravide kvinder eller små børn i mindst nogle timer efter en PET-scanning.

PET-billede, der viser knoglekræft i skelettet (Hôpital Erasme, Bruxelles).

Sammenlignet med andre diagnostiske billeddannelsesteknikker som røntgen eller MR-scanning studerer PET kroppens funktion snarere end dens anatomi. Til dato kan ingen anden diagnostisk billeddannelsesteknik konkurrere med den, når det gælder dynamisk vekselvirkning. Denne medicinske billeddannelsesteknik gør det muligt på forskellige tidspunkter at følge kvantitative oplysninger om farmakokinetikken og farmakodynamikken for et mærket biomolekyle, der er indsprøjtet (eller indåndet) i et levende dyr eller et menneske. PET er nyttig til at studere stofskiftet (optagelse af sukker, indbygning af aminosyrer i proteiner osv.), enzymatiske reaktioner og molekylære vekselvirkninger. Ligesom PET indsamler SPECT oplysninger om koncentrationen af radionuklider, der er tilført patientens krop.

SPECT-billeddannelse er PET underlegen, hvad angår opnåelig opløsning og følsomhed. For PET er den bedste rumlige opløsning, man i dag kan opnå, omkring 6 mm, altså 2 til 3 gange bedre end med SPECT. På grund af deres hurtige henfald skal stort set alle PET-isotoper fremstilles på stedet (med undtagelse af ¹⁸F med en halveringstid på 110 min). SPECT-isotoper som ¹²³I har derimod en tilstrækkeligt lang halveringstid (13,2 timer) til, at de kan fremstilles centralt langt væk og derefter leveres med ekspresforsendelse.

En anden teknik, der bruges til medicinsk diagnose, er magnetisk resonans-scanning (MR-scanning, på engelsk MRI). De første kliniske MR-apparater (som først blev kaldt NMR, for nuklear magnetisk resonans) blev bygget i 1980'erne.

Den største fordel ved MR-scanning er, at den ikke bruger noget radioaktivt stof. MR-scanninger viser fordelingen af vand (H₂O) i kroppen og de organer, hvor det findes. MR-scanneren er grundlæggende et stort rør med kraftige magneter indeni. Det skyldes, at protonerne i H-kernerne opfører sig som bittesmå magneter. Når der lægges et ydre magnetfelt omkring patienten (hvilket ikke er skadeligt), trækkes alle disse bittesmå magneter i vandet i samme retning. Når protonen springer tilbage på plads, udsender den radiobølger, som MR-scanneren kan registrere og måle for at danne et 2D-billede af kroppen. MR-scanninger bruges almindeligvis til diagnoser af hjernen eller hjertet, men kan bruges til at scanne næsten enhver del af kroppen.

MR-teknologien videreudvikles, så den kan løse en bredere vifte af kliniske diagnostiske problemer. For eksempel kan polariseret Xe-129 eller He-3 bruges til at afbilde luftvejene i lungerne med høj rumlig og tidsmæssig opløsning. MR-scanning af blodkar og organer i hovedet og overkroppen.

Nobelprisen i medicin i 2003 blev tildelt Paul Lauterbur og Sir Peter Mansfield for deres arbejde og bidrag til magnetisk resonans-scanning.

De fleste moderne hospitaler og universitetshospitaler bruger i dag MR- og PET-scanning sammen med andre billeddannelsesteknikker. På mange kernefysiske institutter findes der grupper, hvis aktiviteter og forskning er helliget bestemte medicinske anvendelser og behandling af patienter, for eksempel ved GSI (Tyskland), PSI (Schweiz), GANIL (Frankrig), HMI (Tyskland) eller LARN (Belgien).

Partikelterapi går ud på at rette ioniserede partikler mod den svulst, der skal behandles. Ioniseringen beskadiger cellernes DNA uden forskel. Kræftceller er dog dårligere til at reparere sig selv og påvirkes mere af disse skader.

Der bruges blandt andet protoner, neutroner eller positivt ladede ioner. Hver type partikel har en forskellig energi og kan derfor trænge forskellige afstande ind i menneskekroppen. Derfor bruges forskellige typer partikler til forskellige procedurer. Den mest almindelige form for partikelterapi er protonterapi.

Et grundlæggende problem ved strålebehandling er behovet for at give svulsten den størst mulige dosis og samtidig gøre mindst mulig skade på det raske væv omkring den. Ved elektromagnetisk stråling (røntgen- eller γ-stråler) rammer en stor del af dosis det raske væv langs strålebundtet foran og bag svulsten.

Strålebehandlingen er nu blevet forbedret ved at bruge højenergetiske partikelstråler (p, tunge ioner), fordi doserne for ionstråler vokser med indtrængningsdybden op til et maksimum ved slutningen af partiklernes rækkevidde. Ionstrålebehandling gør det muligt at afsætte en større og mere effektiv dosis i svulsten end nogen anden form for ekstern behandling.

Billedet øverst til højre viser en sammenligning af to procedurer. Fotonterapi (a) afsætter en høj strålingsdosis i det raske væv foran svulsten. Med en partikelstråle (b) er det meste af dosis begrænset til svulsten.

Billedet til venstre viser en scanning af en hjernekræft før og seks uger efter strålebehandling med fotoner og kulstofioner.

Til dato er mere end 50 000 patienter i hele verden blevet behandlet med protonstråler. Behandling af øjensvulster med protonstråler giver langt de bedste kliniske resultater. Protonterapi er også ideel, når svulsten ligger tæt på et kritisk organ, da den kan rettes meget præcist. Jo bedre det bestrålede volumen svarer til målvolumenet, desto bedre resultater. Det gælder også for stråler af tunge ioner, hvor man kan opnå en endnu bedre overensstemmelse end med protoner. Behandling med tunge ioner blev udviklet som pionerarbejde i 1974 ved Lawrence Berkeley Laboratory. De første behandlinger brugte Ar-ioner (argon) og senere Si-ioner (silicium) og Ne-ioner (neon). De bestrålede svulster lå tæt på kritiske organer i hjernen, hovedet eller halsen. Resultaterne var fremragende og gav anledning til opførelsen af særlige medicinske acceleratorer til tunge ioner.

Brachyterapi er en form for strålebehandling, hvor radioaktivt materiale anbringes inde i kroppen tæt på svulsten. Fordelene ved denne procedure er, at strålingen ikke skal bevæge sig udefra gennem rask væv for at nå svulsten, men i stedet kun påvirker et afgrænset område. Det betyder, at der kan gives relativt høje doser med minimal risiko. Desuden kan patienten bevæge sig frit under hele behandlingen. Den samlede behandling tager som regel kortere tid end andre procedurer, så kræftcellerne har mindre tid til at formere sig mellem behandlingerne.

Brachyterapi er en standardteknik ved visse kræftformer som livmoderhalskræft eller prostatakræft og ved visse stadier af kræft i hoved og hals. Ved prostatasygdomme har man brugt forskellige fremgangsmåder, som hovedsageligt afhænger af den valgte isotop. ¹²⁵I (med en halveringstid på 60 dage) og ¹⁰³Pd (med en halveringstid på 17 dage) bruges til permanente implantater. Disse isotoper kan fremstilles ved neutronindfangning i reaktorer. ¹⁰³Pd kan fremstilles mere effektivt i cyklotroner (med protonstråler på 14 MeV). I USA findes der kliniske data fra mere end 10 års brug af ¹⁰³Pd i brachyterapi af prostata. Denne kliniske succes, sammen med fraværet af bivirkninger, har gjort det til et meget populært valg i behandlingen.

Solen leverer den energi, Jorden har brug for for at kunne rumme liv. Solens energi dannes i kernen, hvor der finder kernereaktioner sted ved temperaturer på omkring 15 millioner °C. Den energi, der dannes i p-p-kæden, føres bort af fotoner og af neutrinoer, som slipper ud uden at blive absorberet. Fotonerne kan være 2 millioner år om at komme fra Solens kerne til overfladen, men derefter når de Jorden på omkring 8 minutter.

Solen udsender synligt lys, infrarød stråling, som vi mærker som varme, og ultraviolet stråling, som desværre kan være farlig. Den ultraviolette stråling kan forårsage modermærkekræft (melanom). Modermærkekræft er en af de hyppigste kræftårsager og dræbte for eksempel i 2008 omkring 46.000 mennesker på verdensplan.

Mikroskopbillede af rask hud (til venstre) og hud, der er beskadiget af stråling (til højre).

Antallet af diagnosticerede tilfælde af ondartet melanom er firedoblet i løbet af de sidste 30 år. Det ses oftest hos personer, hvor der er hudkræft i familien, hos lyshårede og lyshudede personer og hos personer over 40 år. Men alle kan udvikle kræft uanset race, alder eller arvelige anlæg. De fleste hudskader opstår før 20-årsalderen, men viser sig ofte først omkring 40-årsalderen, så selv om du ikke selv kan se, at du bliver solskoldet, skader du stadig din hud. Derfor er det så vigtigt at bruge solcreme og holde sig ude af solen, når den er stærkest (mellem kl. 11 og 15).