År 1896 upptäckte Henri Becquerel en ny, mystisk strålning. Till skillnad från röntgenstrålningen, som försvann när röntgenröret stängdes av, sändes denna nya strålning från uran ut hela tiden. Pierre och Marie Curies fortsatta undersökningar visade att andra grundämnen hade samma egenskap. År 1898 fann de dessa egenskaper hos polonium och radium.

Pierre och Marie Curie hittade snabbt en användning för denna egenskap, och redan 1901 användes radium på sjukhusen. Man insåg att strålningen från radium hade gynnsamma effekter på många hudsjukdomar, bland annat cancer.

Pierre och Marie Curie i sitt laboratorium, Paris 1898.

Den nya strålningen hade sitt ursprung i atomkärnan. Vissa kärnor sänder spontant ut α-partiklar (heliumkärnor), β-partiklar – det kan vara elektroner (β^-) eller positroner (β⁺) – och/eller γ-strålning (gammastrålning) (dvs. högenergetiska fotoner). En sådan atom med en instabil kärna, som kännetecknas av ett överskott av energi, kallas en radionuklid eller radioaktiv nuklid och kallas också en radioisotop eller radioaktiv isotop.

Naturliga radioisotoper är till exempel ²³⁸U (uran), ⁴⁰K (kalium), ²³²Th (torium) och deras dotterkärnor ²²⁶Ra (radium), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (polonium). Vissa radioisotoper bildas ständigt genom den kosmiska strålningens inverkan på de övre lagren av vår atmosfär, som till exempel ¹⁴C (kol), ³H (tritium) eller ⁷Be (beryllium).

Irène och Frédéric Joliot-Curie var de första som framställde konstgjorda radioisotoper, år 1933, genom att använda en naturlig α-källa för att beskjuta aluminium-27 och framställa radiogrundämnet fosfor-30, som genom β-sönderfall omvandlas till kisel-30. Det berodde på att aluminiumatomernas kärnor fick ytterligare protoner från heliumkärnorna (α-partiklarna).

Sedan dess har många nya radioisotoper framställts, vilket har öppnat för en rad nya tillämpningar och lett till en bättre förståelse av kärnmateria och kärnkrafter. År 1936 hade omkring 200 radionuklider framställts. I dag känner man till omkring 250 stabila nuklider. De framställs med hjälp av partikelstrålar, alltifrån protoner till ²³⁸U, som accelereras i cyklotroner eller linjäracceleratorer.

Den första acceleratorn (en cyklotron) byggdes i Berkeley i USA 1932 av Ernest O. Lawrence. Han och hans bror John Lawrence, som var läkare, insåg snart några mycket viktiga medicinska tillämpningar och framställde radioaktiva isotoper för biologisk och medicinsk forskning och för behandling av cancer. Den första europeiska cyklotronen byggdes av Frédéric Joliot (1939) vid Collège de France i Paris.

Karta över kärnlandskapet. Dropplinjerna markerar gränsen för kärnornas stabilitet mot utsändning av n eller p.

Fysikerna har framställt många nya isotoper som ligger allt längre bort från den naturliga stabilitetsdalen. I dag finns det många anläggningar som använder strålar av radioaktiva joner. Efterfrågan på medicinska radioisotoper är ett världsomspännande fenomen, och i de utvecklade länderna har den ökat exponentiellt sedan 1995.

Nobelpriset i kemi 1943 tilldelades G. de Hevesy för att han som den förste använde naturliga (och senare konstgjorda) radioaktiva grundämnen som spårämnen för att studera stabila grundämnen i biologiska system. En mycket liten mängd av ett radioaktivt grundämne kan lätt följas i människokroppen. Det kan också göras med kemiska spårämnen, men då skulle det behövas mycket större mängder kemikalier, vilket skulle göra undersökningen mycket mer riskfylld för patienten.

Vid en typisk nuklearmedicinsk undersökning ges patienten ett spårämne, och den γ-strålning som spårämnets nuklid sänder ut registreras med en uppsättning strålningsdetektorer. Det kallas emissionstomografi. Spårämnet väljs vanligen så att det lagras selektivt i ett visst organ, och den registrerade γ-strålningen ger sedan en detaljerad bild av det aktuella området. För det tränade ögat kan bilderna avslöja strukturella eller ämnesomsättningsmässiga avvikelser, vilket ger bättre diagnoser. Inom nuklearmedicinen används en stor mängd olika isotoper, var och en riktad mot specifika organ i människokroppen.

Bilden ovan: PET inom neurofysiologi (verbalt arbetsminne i hjärnan), San Raffaele-sjukhuset, Milano.

Tumörer kan lokaliseras med metoder som singelfotonemissionsdatortomografi (SPECT) eller positronemissionstomografi (PET) (där kärnor som sänder ut positroner (β+) används för att – genom annihilation – producera energirik γ-strålning). SPECT och PET är standardmetoder vid tumördiagnostik och vid funktionsstudier av den normala, friska hjärnan.

Bild från en datortomografi med röntgenstrålning och ett jodhaltigt spårämne (Hôpital Erasme, Bryssel).

Bland de radioaktiva grundämnena har jod (I) en särskild roll, eftersom det binder sig till sköldkörtelvävnaden med stor affinitet och selektivitet. I låga doser kan det användas för diagnostik, eller också kan strålningen från radioaktivt jod som enbart binder sig till sköldkörtelvävnaden användas för att behandla sköldkörtelcancer.

¹³¹I (β- och γ-radioaktivitet, med en halveringstid på 8 dagar) har använts i över 50 år för att undersöka sköldkörtelns aktivitet. Tc-99m (ett metastabilt exciterat tillstånd hos kärnan teknetium-99 med en halveringstid på 6 timmar) är också ett mycket bra spårämne som används för att undersöka organ som hjärnan, levern och lungorna. Radium och strontium används för att undersöka ben och skelett.

De fysiologiskt mest intressanta grundämnena, som C (kol), N (kväve) och O (syre), har kortlivade isotoper som sänder ut β⁺ och som används i PET-metoder. De vanligast använda betasändande nukliderna är ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O och ¹⁸F (fluor).

Bilden till höger: scintigrafi av sköldkörtelns aktivitet med teknetium.

SPECT står för Single Photon Emission Computed Tomography (singelfotonemissionsdatortomografi). Vid denna undersökning avbildas organen genom att man mäter fördelningen av ett injicerat radioaktivt spårämne med en gammakamera som är kopplad till en dator. Vid SPECT-avbildning roterar en uppsättning gammadetektorer runt patienten för att mäta från många vinklar. Med denna metod bestämmer man radionuklidfördelningens läge och koncentration. Vid SPECT används radioisotoper som ^99mTc eller ¹²³I, där en enda γ-foton (på 140 keV) sänds ut.

Bilden till vänster: en skada i hjärnan är tydligt lokaliserad med en SPECT-undersökning (till vänster). Gliomet (en typ av hjärntumör) är dåligt avgränsat vid röntgentomografin (till höger) men syns som en tydlig mörk fläck på en SPECT-bild tagen med Tc-99m.

SPECT har många tillämpningar, både vid behandling och som hjälpmedel vid behandling. SPECT-undersökningar med en radioisotop som inte tas upp av vävnaderna utan i stället följer med blodet kan användas för att se hur blodet strömmar till vissa vävnader och organ. Det är särskilt användbart vid undersökningar av hjärnan och hjärtat.

Vid positronemissionstomografi (PET) är de vanligast använda isotoperna ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C och ¹⁸F. De har korta halveringstider på omkring 2, 10, 20,4 respektive 110 min, så radioisotoperna måste framställas nära den plats där de används. Därför har många sjukhus en liten cyklotron i närheten eller till och med på själva sjukhuset, särskilt byggd för att framställa dessa isotoper. Isotopen binds sedan till ett naturligt kemiskt ämne som glukos, vatten eller ammoniak, som sedan förs in i kroppen genom en injektion eller eventuellt genom att det andas in som gas. Radioisotopen förs till den del av kroppen som använder det ämne den är bunden till, och därför används många olika typer av kemiska ämnen.

Schematisk bild av PET-metoden. En ring av detektorer registrerar de två gammastrålar som kommer från en e⁺ - e^--annihilation.

Elementarpartiklar har motsvarande antipartiklar. En partikels antipartikel är i praktiken samma partikel men med motsatt elektrisk laddning. När en partikel och dess antipartikel kolliderar annihileras de, och ren energi sänds ut.

De isotoper som vanligen används vid en PET-undersökning är β⁺-sändare. När isotopen sönderfaller inne i patientens kropp färdas varje utsänd positron (β⁺) bara en kort sträcka i vävnaden (vanligen mindre än 1 mm, men det beror på isotopen) innan den annihileras med en elektron (β^-). Den energi som frigörs vid annihilationen sänds ut som ett par gammafotoner (γ) som sänds ut i 180° vinkel mot varandra och har en energi på 511 keV vardera. När de två γ-strålarna registreras samtidigt av två detektorer kan man lokalisera sönderfallet till linjen mellan de två detektorerna.

PET-undersökningar används ofta för att diagnostisera cancer, hjärtsjukdomar och vissa hjärnsjukdomar som epilepsi eller Alzheimers sjukdom. PET används också för att bedöma effekten av cancerbehandling. Dessutom används PET-undersökningar i forskning, till exempel i studier av effekterna av drogmissbruk eller åldrande.

Riskerna med en PET-undersökning är mycket små, men som vid de flesta typer av undersökningar är den inte alltid lämplig för gravida eller ammande kvinnor. Eftersom patienten har ett radioaktivt ämne i kroppen rekommenderar sjukhusen patienterna att inte ha nära kontakt med gravida kvinnor eller små barn under åtminstone några timmar efter en PET-undersökning.

PET-bild som visar skelettcancer (Hôpital Erasme, Bryssel).

Jämfört med andra diagnostiska avbildningsmetoder, som röntgen eller magnetkameraundersökning, studerar PET kroppens funktion snarare än dess anatomi. Hittills kan ingen annan diagnostisk avbildningsmetod konkurrera med den när det gäller dynamisk växelverkan. Denna medicinska avbildningsmetod gör det möjligt att vid olika tidpunkter följa kvantitativ information om farmakokinetiken och farmakodynamiken hos en märkt biomolekyl som injicerats (eller andats in) i ett levande djur eller en människa. PET är användbar för att studera ämnesomsättningen (sockerupptag, inbyggnad av aminosyror i proteiner osv.), enzymatiska reaktioner och molekylära växelverkningar. Liksom PET samlar SPECT in information om koncentrationen av radionuklider som har förts in i patientens kropp.

SPECT-avbildning är sämre än PET när det gäller möjlig upplösning och känslighet. För PET är den bästa rumsliga upplösning som i dag kan uppnås omkring 6 mm, alltså 2 till 3 gånger bättre än med SPECT. På grund av sitt snabba sönderfall måste i stort sett alla PET-isotoper framställas på plats (med undantag av ¹⁸F med 110 min halveringstid). SPECT-isotoper som ¹²³I har däremot en tillräckligt lång halveringstid (13,2 tim) för att de ska kunna framställas centralt på avlägsna platser och sedan levereras med expresspost.

En annan metod som används för medicinsk diagnostik är magnetresonanstomografi (MR, på engelska MRI), även kallad magnetkameraundersökning. De första kliniska instrumenten för MR (som först kallades NMR, för nukleär magnetisk resonans) byggdes på 1980-talet.

Den största fördelen med MR är att den inte använder något radioaktivt ämne. MR-bilder visar fördelningen av vatten (H₂O) i kroppen och de organ där det finns. Magnetkameran är i grunden ett stort rör med kraftfulla magneter inuti. Det beror på att protonerna i H-kärnorna beter sig som pyttesmå magneter. När ett yttre magnetfält läggs runt patienten (vilket inte är skadligt) dras alla dessa pyttesmå magneter i vattnet åt samma håll. När protonen snäpper tillbaka till sitt läge sänder den ut radiovågor som magnetkameran kan registrera och mäta för att skapa en 2D-bild av kroppen. MR används ofta vid diagnostik av hjärnan eller hjärtat men kan användas för att undersöka nästan vilken del av kroppen som helst.

MR-tekniken vidareutvecklas för att kunna lösa ett bredare spektrum av kliniska diagnostiska problem. Polariserat Xe-129 eller He-3 kan till exempel användas för att avbilda luftvägarna i lungorna med hög rumslig och tidsmässig upplösning. MR-bild av blodkärl och organ i huvudet och bålen.

Nobelpriset i medicin 2003 tilldelades Paul Lauterbur och Sir Peter Mansfield för deras arbete med och bidrag till magnetresonanstomografin.

De flesta moderna sjukhus och universitetssjukhus använder i dag MR och PET tillsammans med andra avbildningsmetoder. På många kärnfysikaliska institut finns det grupper vars verksamhet och forskning är inriktad på specifika medicinska tillämpningar och på behandling av patienter, till exempel vid GSI (Tyskland), PSI (Schweiz), GANIL (Frankrike), HMI (Tyskland) eller LARN (Belgien).

Partikelterapi går ut på att rikta joniserade partiklar mot den tumör som ska behandlas. Joniseringen skadar cellernas DNA utan åtskillnad. Cancerceller har dock sämre förmåga att reparera sig själva och påverkas mer av dessa skador.

De partiklar som används är bland annat protoner, neutroner eller positivt laddade joner. Varje typ av partikel har olika energi och kan därför tränga olika långt in i människokroppen. Därför används olika typer av partiklar för olika behandlingar. Den vanligaste formen av partikelterapi är protonterapi.

Ett grundläggande problem vid strålbehandling är behovet av att ge tumören så stor dos som möjligt och samtidigt skada den friska vävnaden runt den så lite som möjligt. Med elektromagnetisk strålning (röntgen- eller γ-strålning) träffar en stor del av dosen den friska vävnaden längs strålknippet framför och bakom tumören.

Strålbehandlingen har nu förbättrats genom att man använder högenergetiska partikelstrålar (p, tunga joner), eftersom doserna för jonstrålar ökar med inträngningsdjupet upp till ett maximum vid slutet av partiklarnas räckvidd. Jonstrålebehandling gör det möjligt att avsätta en större och effektivare dos i tumören än med någon annan typ av extern behandling.

Bilden uppe till höger visar en jämförelse mellan två behandlingar. Fotonterapi (a) avsätter en hög stråldos i den friska vävnaden framför tumören. Med en partikelstråle (b) är det mesta av dosen begränsat till tumören.

Bilden till vänster visar en undersökning av en hjärncancer före och sex veckor efter strålbehandling med fotoner och koljoner.

Hittills har mer än 50 000 patienter i hela världen behandlats med protonstrålar. Behandling av ögontumörer med protonstrålar ger överlägset de bästa kliniska resultaten. Protonterapi är också idealisk när tumören ligger nära ett kritiskt organ, eftersom den kan riktas mycket noggrant. Ju bättre den bestrålade volymen stämmer med målvolymen, desto bättre resultat. Det gäller också för strålar av tunga joner, där man kan uppnå ännu bättre överensstämmelse än med protoner. Behandling med tunga joner utvecklades i pionjärarbete 1974 vid Lawrence Berkeley Laboratory. De första behandlingarna använde Ar-joner (argon) och senare Si-joner (kisel) och Ne-joner (neon). De bestrålade tumörerna låg nära kritiska organ i hjärnan, huvudet eller halsen. Resultaten var utmärkta och ledde till att särskilda medicinska acceleratorer för tunga joner byggdes.

Brakyterapi är en form av strålbehandling där radioaktivt material placeras inne i kroppen nära tumören. Fördelarna med denna behandling är att strålningen inte behöver färdas utifrån genom frisk vävnad för att nå tumören utan i stället bara påverkar ett avgränsat område. Det betyder att relativt höga doser kan ges med minimal risk. Dessutom kan patienten röra sig fritt under hela behandlingen. Den totala behandlingen tar oftast kortare tid än andra behandlingar, så cancercellerna får mindre tid att föröka sig mellan behandlingstillfällena.

Brakyterapi är en standardmetod vid vissa cancerformer som livmoderhalscancer eller prostatacancer och vid vissa stadier av cancer i huvud och hals. Vid prostatasjukdomar har olika tillvägagångssätt använts, som främst styrs av vilken isotop som väljs. ¹²⁵I (med en halveringstid på 60 dagar) och ¹⁰³Pd (med en halveringstid på 17 dagar) används för permanenta implantat. Dessa isotoper kan framställas genom neutroninfångning i reaktorer. ¹⁰³Pd kan framställas effektivare i cyklotroner (med protonstrålar på 14 MeV). I USA finns kliniska data från mer än 10 års användning av ¹⁰³Pd vid brakyterapi av prostata. Denna kliniska framgång, tillsammans med avsaknaden av biverkningar, har gjort det till ett mycket populärt val vid behandling.

Solen ger den energi som jorden behöver för att kunna hysa liv. Solens energi bildas i kärnan, där kärnreaktioner sker vid temperaturer på omkring 15 miljoner °C. Den energi som bildas i p-p-kedjan förs bort av fotoner och av neutriner som slipper ut utan att absorberas. Fotonerna kan behöva 2 miljoner år för att ta sig från solens kärna till ytan, men sedan når de jorden på omkring 8 minuter.

Solen sänder ut synligt ljus, infraröd strålning som vi känner som värme, och ultraviolett strålning som tyvärr kan vara farlig. Den ultravioletta strålningen kan orsaka malignt melanom (hudcancer). Melanom är en av de vanligaste cancerorsakerna och dödade till exempel 2008 omkring 46 000 människor i världen.

Mikroskopbild av frisk hud (till vänster) och hud som har skadats av strålning (till höger).

Antalet diagnostiserade fall av malignt melanom har fyrdubblats under de senaste 30 åren. Det förekommer oftast hos personer med hudcancer i släkten, hos ljushåriga och ljushyade personer och hos personer över 40. Men vem som helst kan utveckla cancer oavsett ursprung, ålder eller arv. De flesta hudskador uppstår före 20 års ålder men visar sig ofta inte förrän vid 40, så även om du inte ser att du bränner dig skadar du ändå din hud. Därför är det så viktigt att använda solkräm och hålla sig undan solen när den är som starkast (mellan kl. 11 och 15).