I 1896 oppdaget Henri Becquerel en ny, gåtefull stråling. I motsetning til røntgenstråling som forsvant når røntgenrøret ble slått av, ble denne nye strålingen, som ble observert fra uran, sendt ut hele tiden. Videre undersøkelser av Pierre og Marie Curie viste at andre grunnstoffer hadde den samme egenskapen. I 1898 fant de blant annet disse egenskapene hos polonium og radium.

Pierre og Marie Curie fant raskt en anvendelse for denne egenskapen, og radium ble brukt på sykehus allerede i 1901. Man innså at strålingen fra radium har gunstig virkning på mange hudsykdommer, blant annet kreft.

Pierre og Marie Curie i laboratoriet sitt, Paris 1898.

Den nye strålingen hadde sitt opphav i atomkjernen. Noen kjerner sender spontant ut α-partikler (heliumkjerner), β-partikler – det kan være elektroner (β^-) eller positroner (β⁺) – og/eller γ-stråling (gammastråling) (dvs. høyenergetiske fotoner). Et slikt atom med en ustabil kjerne, som kjennetegnes ved et overskudd av energi, kalles en radionuklide eller radioaktiv nuklide, og omtales også som en radioisotop eller radioaktiv isotop.

Naturlige radioisotoper er for eksempel ²³⁸U (uran), ⁴⁰K (kalium), ²³²Th (thorium) og datterkjernene deres ²²⁶Ra (radium), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (polonium). Noen radioisotoper dannes kontinuerlig ved at kosmisk stråling virker på de øvre lagene av atmosfæren, for eksempel ¹⁴C (karbon), ³H (tritium) eller ⁷Be (beryllium).

Irène og Frédéric Joliot-Curie var de første som framstilte kunstige radioisotoper i 1933. De brukte en naturlig α-kilde til å bombardere aluminium-27 og framstille radiogrunnstoffet fosfor-30, som betahenfaller til silisium-30. Dette skjedde ved at kjernene i aluminiumsatomene fikk ekstra protoner fra heliumkjernene (α-partiklene).

Siden den gang er det framstilt mange nye radioisotoper, noe som har åpnet for en rekke nye anvendelser og gitt bedre forståelse av kjernematerie og kjernekrefter. I 1936 var det framstilt omkring 200 radionuklider. I dag kjenner man til omkring 250 stabile nuklider. De framstilles ved hjelp av partikkelstråler, alt fra protoner til ²³⁸U, som akselereres i syklotroner eller lineærakseleratorer.

Den første akseleratoren (en syklotron) ble bygd i Berkeley i USA i 1932 av Ernest O. Lawrence. Han og broren John Lawrence, som var lege, så snart svært viktige medisinske anvendelser og framstilte radioaktive isotoper til biologisk og medisinsk forskning og til behandling av kreft. Den første europeiske syklotronen ble bygd av Frédéric Joliot (1939) ved Collège de France i Paris.

Kart over kjernelandskapet. Dryppelinjene markerer grensen for kjernenes stabilitet mot utsendelse av n eller p.

Fysikerne har framstilt mange nye isotoper som ligger stadig lenger fra den naturlige stabilitetsdalen. I dag finnes det mange anlegg som bruker stråler av radioaktive ioner. Etterspørselen etter medisinske radioisotoper er et verdensomspennende fenomen, og i de industrialiserte landene har den vokst eksponentielt siden 1995.

Nobelprisen i kjemi for 1943 gikk til G. de Hevesy, som var den første som brukte naturlige (og senere kunstige) radioaktive grunnstoffer som sporstoffer for å studere stabile grunnstoffer i biologiske systemer. En svært liten mengde av et radioaktivt grunnstoff kan lett følges i menneskekroppen. Dette kan også oppnås med kjemiske sporstoffer, men da trengs langt større mengder kjemikalier, noe som gjør prosedyren langt mer risikabel for pasienten.

Ved en typisk nukleærmedisinsk undersøkelse gis pasienten et sporstoff, og γ-strålene som sendes ut av sporstoffets nuklide, registreres med en rekke strålingsdetektorer. Dette kalles emisjonstomografi. Sporstoffet velges vanligvis slik at det avsettes selektivt i et bestemt organ, og de registrerte γ-strålene gir da et detaljert bilde av det aktuelle området. For et trent øye kan bildene avsløre strukturelle eller metabolske avvik, noe som gir bedre diagnoser. I nukleærmedisinen brukes et stort utvalg av isotoper, hver rettet spesielt mot bestemte organer i menneskekroppen.

Bildet over: PET brukt i nevrofysiologi (verbalt arbeidsminne i hjernen), San Raffaele-sykehuset, Milano.

Svulster kan lokaliseres med teknikker som enkeltfotonemisjonstomografi (SPECT) eller positronemisjonstomografi (PET) (der kjerner som sender ut positroner (β+), brukes til å produsere energirike γ-stråler gjennom annihilasjon). SPECT- og PET-teknikker er standard i diagnostikk av svulster og i funksjonelle studier av den normale, friske hjernen.

Bilde fra en computertomografi med røntgenstråler fra et jodsporstoff (Hôpital Erasme, Brussel).

Blant de radioaktive grunnstoffene spiller jod (I) en helt spesiell rolle, siden det binder seg til skjoldbruskkjertelvevet med stor affinitet og selektivitet. I lave doser kan det brukes til diagnostikk, eller så kan stråling fra radioaktivt jod som bare binder seg til vevet i skjoldbruskkjertelen, brukes til å behandle kreft i skjoldbruskkjertelen.

¹³¹I (beta- og gammaradioaktivitet, med en halveringstid på 8 dager) har i over 50 år vært brukt til å studere aktiviteten i skjoldbruskkjertelen. Tc-99m (en metastabil eksitert tilstand av technetium-99-kjernen med en halveringstid på 6 timer) er også et svært godt sporstoff som brukes til å studere organer som hjernen, leveren og lungene. Radium og strontium brukes til å studere knokler og skjelettet.

De fysiologisk mest interessante grunnstoffene, som C (karbon), N (nitrogen) og O (oksygen), har kortlivede β⁺-emitterende isotoper som brukes i PET-teknikker. De mest brukte betaemitterende nuklidene er ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O og ¹⁸F (fluor).

Bildet til høyre: scintigrafi av aktiviteten i skjoldbruskkjertelen med technetium.

SPECT står for Single Photon Emission Computed Tomography (enkeltfotonemisjonstomografi). Ved denne prosedyren avbildes organene ved at man måler fordelingen av et injisert radioaktivt sporstoff med et gammakamera koblet til en datamaskin. Ved SPECT-avbildning roterer en rekke gammadetektorer rundt pasienten for å gjøre målinger fra mange vinkler. Med denne teknikken bestemmer man posisjonen og konsentrasjonen i fordelingen av radionukliden. Ved SPECT brukes radioisotoper som ^99mTc eller ¹²³I, som sender ut ett enkelt γ-foton (på 140 keV).

Bildet til venstre: En hjerneskade lokaliseres tydelig med en SPECT-skanning (til venstre). Gliomet (en type hjernesvulst) er dårlig avgrenset på røntgentomografien (til høyre), men kan ses som en tydelig mørk flekk på et SPECT-bilde tatt med Tc-99m.

SPECT har mange anvendelser, både i behandling og som hjelpemiddel i behandling. SPECT-skanninger med en radioisotop som ikke tas opp av vevet, men i stedet følger blodstrømmen, kan brukes til å se hvordan blodet strømmer til bestemte vev og organer. Dette er særlig nyttig ved skanning av hjernen og hjertet.

Ved positronemisjonstomografi (PET) er de mest brukte isotopene ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C og ¹⁸F. Disse har korte halveringstider på omkring henholdsvis 2, 10, 20,4 og 110 min, så radioisotopene må framstilles nær stedet der de brukes. Derfor har mange sykehus en liten syklotron i nærheten eller til og med på selve sykehuset, spesialbygd for å framstille disse isotopene. Isotopen bindes deretter til et naturlig kjemisk stoff som glukose, vann eller ammoniakk, som så føres inn i kroppen ved injeksjon eller eventuelt pustes inn som gass. Radioisotopen følger med til den delen av kroppen som bruker det kjemiske stoffet den er bundet til, og derfor brukes mange ulike typer kjemiske stoffer.

Skjematisk framstilling av PET-teknikken. En ring av detektorer registrerer de to gammastrålene som stammer fra en e⁺ - e^--annihilasjon.

Elementærpartikler har tilsvarende antipartikler. En partikkels antipartikkel er i praksis den samme partikkelen, men med motsatt elektrisk ladning. Når en partikkel og antipartikkelen dens kolliderer, annihilerer de, og det sendes ut ren energi.

Isotopene som vanligvis brukes ved en PET-skanning, er β⁺-emittere. Når isotopen henfaller inne i pasientens kropp, beveger hvert utsendte positron (β⁺) seg bare et kort stykke i vevet (vanligvis mindre enn 1 mm, men det avhenger av isotopen) før det annihilerer med et elektron (β^-). Energien som frigjøres ved annihilasjonen, sendes ut som et par gammafotoner (γ) som går ut i 180° vinkel i forhold til hverandre og har en energi på 511 keV hver. Når de to γ-strålene registreres samtidig av to detektorer, kan man lokalisere henfallet til linjen som forbinder de to detektorene.

PET-skanninger brukes ofte til å diagnostisere kreft, hjertesykdommer og noen hjernesykdommer som epilepsi eller Alzheimers sykdom. PET brukes også til å vurdere responsen på kreftbehandling. I tillegg brukes PET-skanninger i forskning, for eksempel i studier av virkningene av rusmisbruk eller aldring.

Risikoen ved en PET-skanning er svært liten, men som ved de fleste typer skanninger er den ikke alltid egnet for gravide eller ammende kvinner. Fordi det finnes et radioaktivt stoff i kroppen deres, råder sykehusene pasientene til å unngå nær kontakt med gravide kvinner eller små barn i minst noen timer etter en PET-skanning.

PET-bilde som viser skjelettkreft (Hôpital Erasme, Brussel).

Sammenlignet med andre diagnostiske avbildningsteknikker, som røntgen eller MR, studerer PET kroppens funksjon heller enn anatomien. Hittil kan ingen diagnostisk avbildningsteknikk konkurrere med den når det gjelder dynamisk samspill. Denne medisinske avbildningsteknikken gjør det mulig å følge kvantitativ informasjon over tid om farmakokinetikken og farmakodynamikken til et merket biomolekyl som er injisert (eller inhalert) i et levende dyr eller et menneske. PET er nyttig for å studere stoffskiftet (sukkeropptak, innbygging av aminosyrer i proteiner osv.), enzymatiske reaksjoner og molekylære vekselvirkninger. I likhet med PET gir SPECT informasjon om konsentrasjonen av radionuklider som er tilført pasientens kropp.

SPECT-avbildning er dårligere enn PET når det gjelder oppnåelig oppløsning og følsomhet. For PET er den beste romlige oppløsningen som kan oppnås i dag, omkring 6 mm, altså 2 til 3 ganger bedre enn med SPECT. Fordi de henfaller så raskt, må i praksis alle PET-isotoper framstilles på stedet (med unntak av ¹⁸F, som har en halveringstid på 110 min). SPECT-isotoper som ¹²³I har derimot en lang nok halveringstid (13,2 timer) til at de kan framstilles sentralt på steder langt unna og deretter leveres med ekspresspost.

En annen teknikk som brukes i medisinsk diagnostikk, er magnetresonanstomografi (MR). De første kliniske MR-instrumentene (som først ble kalt NMR, for kjernemagnetisk resonans) ble bygd på 1980-tallet.

Den største fordelen med MR er at det ikke brukes noe radioaktivt stoff. MR viser fordelingen av vann (H₂O) i kroppen og organene der det er lagret. En MR-maskin er i bunn og grunn et stort rør med kraftige magneter inni. Det er fordi protonene i H-kjernene oppfører seg som bitte små magneter. Når det legges et ytre magnetfelt rundt pasienten (noe som ikke er skadelig), trekkes alle disse små magnetene i vannet i én retning. Når protonene smetter tilbake i posisjon, sender de ut radiobølger som MR-skanneren så kan registrere og måle for å lage et 2D-bilde av kroppen. MR brukes ofte til diagnostikk av hjernen eller hjertet, men kan brukes til å skanne nesten alle deler av kroppen.

MR-teknologien videreutvikles for å kunne løse et bredere spekter av kliniske diagnostiske problemer. Polarisert Xe-129 eller He-3 kan for eksempel brukes til å avbilde luftveiene i lungene med høy romlig og tidsmessig oppløsning. MR av blodårer og organer i hodet og overkroppen.

Nobelprisen i medisin for 2003 gikk til Paul Lauterbur og Sir Peter Mansfield for arbeidet deres og bidraget deres til magnetresonanstomografi.

De fleste moderne sykehus og universitetssykehus bruker i dag MR og PET sammen med andre avbildningsteknikker. Ved mange kjernefysiske institutter finnes det grupper som arbeider med og forsker på spesifikke medisinske anvendelser og pasientbehandling, for eksempel ved GSI (Tyskland), PSI (Sveits), GANIL (Frankrike), HMI (Tyskland) eller LARN (Belgia).

Partikkelterapi går ut på å rette ioniserte partikler mot svulsten. Ioniseringen skader cellenes DNA uten å skille mellom dem. Men kreftceller er dårligere til å reparere seg selv og rammes hardere av slike skader.

Partiklene som brukes, er blant annet protoner, nøytroner eller positivt ladde ioner. Hver partikkeltype har ulik energi og kan derfor trenge ulikt langt inn i menneskekroppen. Derfor brukes ulike typer partikler til ulike prosedyrer. Den vanligste typen partikkelterapi er protonterapi.

Et grunnleggende problem ved strålebehandling er behovet for å gjøre dosen som gis til svulsten, så stor som mulig og samtidig skade det friske vevet rundt den så lite som mulig. Ved elektromagnetisk stråling (røntgen- eller gammastråling) treffer en stor del av dosen det friske vevet langs strålebunten foran og bak svulsten.

Strålebehandlingen forbedres nå ved hjelp av høyenergetiske partikkelstråler (p, tunge ioner), fordi dosen fra ionestråler øker med inntrengningsdybden opp til et maksimum ved slutten av partiklenes rekkevidde. Ionestråleterapi gjør det mulig å avsette en større og mer effektiv dose i svulsten enn noen annen type ekstern behandling.

Bildet over til høyre viser en sammenligning av to prosedyrer. Fotonterapi (a) avsetter en høy stråledose i det friske vevet foran svulsten. Med en partikkelstråle (b) holdes det meste av dosen innenfor svulsten.

Bildet til venstre viser en skanning av hjernekreft før og seks uker etter strålebehandling med fotoner og karbonioner.

Til nå er mer enn 50 000 pasienter verden over behandlet med protonstråler. Behandling av øyesvulster med protonstråler gir det klart beste kliniske resultatet. Protonterapi er også ideelt når svulsten ligger nær et kritisk organ, fordi strålen kan rettes svært nøyaktig. Jo bedre det bestrålte volumet stemmer overens med målvolumet, desto bedre blir resultatene. Dette gjelder også for stråler av tunge ioner, der man kan oppnå enda bedre samsvar enn med protoner. Terapi med tunge ioner ble tatt i bruk for første gang i 1974 ved Lawrence Berkeley Laboratory. De første behandlingene brukte Ar-ioner (argon) og senere Si-ioner (silisium) og Ne-ioner (neon). De bestrålte svulstene lå nær kritiske organer i hjernen, hodet eller halsen. Resultatene var utmerkede og førte til at det ble bygd egne medisinske akseleratorer for tunge ioner.

Brakyterapi er en form for strålebehandling der radioaktivt materiale plasseres inne i kroppen, nær svulsten. Fordelen med denne prosedyren er at strålingen ikke behøver å gå fra utsiden av kroppen gjennom friskt vev for å nå svulsten, men bare påvirker et avgrenset område. Det betyr at man kan gi relativt høye doser med minimal risiko. Pasienten kan dessuten bevege seg fritt mens behandlingen pågår. Hele behandlingen tar som regel kortere tid enn andre prosedyrer, så kreftcellene får mindre tid til å formere seg mellom behandlingene.

Brakyterapi er en standardteknikk ved enkelte gynekologiske kreftformer som livmorhalskreft, ved prostatakreft og ved visse stadier av kreft i hode og hals. Ved prostatasykdommer har man brukt ulike tilnærminger, og de bestemmes hovedsakelig av hvilken isotop som velges. ¹²⁵I (med en halveringstid på 60 dager) og ¹⁰³Pd (med en halveringstid på 17 dager) brukes til permanente implantater. Disse isotopene kan framstilles ved nøytroninnfangning i reaktorer. ¹⁰³Pd kan framstilles mer effektivt i syklotroner (med protonstråler på 14 MeV). I USA finnes det kliniske data fra mer enn 10 års bruk av ¹⁰³Pd i brakyterapi av prostata. Denne kliniske suksessen, sammen med fraværet av bivirkninger, har gjort det til et svært populært valg i behandlingen.

Sola gir energien jorda trenger for å kunne huse liv. Solas energi produseres i kjernen, der kjernereaksjoner skjer ved temperaturer på omkring 15 millioner °C. Energien som produseres i p-p-kjeden, føres bort av fotoner og av nøytrinoer, som slipper ut uten å bli absorbert. Det kan ta 2 millioner år for disse fotonene å komme fra Solas kjerne til overflaten, men deretter når de jorda på omkring 8 minutter.

Sola sender ut synlig lys, infrarød stråling som vi merker som varme, og ultrafiolett stråling, som dessverre kan være farlig. Ultrafiolett stråling kan forårsake melanom (hudkreft). Melanom er en av de vanligste kreftårsakene, og i 2008 tok det for eksempel livet av omkring 46 000 mennesker verden over.

Mikroskopbilde av frisk hud (til venstre) og hud skadet av stråling (til høyre).

Antallet diagnostiserte tilfeller av ondartet melanom er firedoblet de siste 30 årene. Det forekommer oftest hos personer med hudkreft i familien, hos lyshårede og lyshudede personer og hos personer over 40 år. Men alle kan få kreft, uansett etnisk bakgrunn, alder eller gener. De fleste hudskader oppstår før 20-årsalderen, men viser seg ofte ikke før i 40-årsalderen, så selv om du ikke ser at du blir solbrent, skader du likevel huden. Derfor er det så viktig å bruke solkrem og holde seg unna sola når den er sterkest (mellom kl. 11 og 15).