книги из ГПНТБ / Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация

На практике используется не чистый радиоактивный изотоп, а смесь изотопов радиоактивного и обыкновен­ ных, стабильных. В этом случае стабильное вещество на­ зывается носителем.

Меченые атомы помогают человеку

Определить объем межклеточной жидкости у живот­ ных, произвести экспресс-анализ сплава, определить ко­ личество усвоенного растением удобрения помогают ме­ ченые атомы. Каким образом радиоактивные атомы при­ меняются для решения таких различных заданий?

Рассмотрим так называемый метод изотопного раз­ бавления. В исследуемый объект (например, в организм животного) вводят вещество, которое имеет физико-хи­ мические свойства, близкие к свойствам того вещества, содержание которого необходимо определить. Это веще­ ство с определенной, известной нам активностью посте­ пенно смешивается с веществом, которое изучают. Через некоторое время берут пробу и определяют ее актив­ ность. Сравнивая активность вещества до введения в

объект и активность полученной пробы, можно подсчи­ тать количество вещества, которое исследуется.

Метод изотопного разбавления основан на том, что удельная активность образца пропорциональна количе­ ству радиоактивного вещества. Измеряя относительную активность образцов, можно судить о концентрации ак­ тивности, а значит, и о количестве исследуемого веще­ ства.

Рассмотрим конкретный пример. Необходимо опреде­ лить объем межклеточной жидкости у животного. Пос­

70

леднему вводят раствор поваренной соли — ЫаС1. В каче­ стве меченых используются атомы радиоактивного натрия, которые могут быть в составе молекул этой соли. Введенный в вену животного раствор соли, содержащий радиоактивный натрий, очень быстро распространяется по всему организму. Удельную активность раствора соли перед введением его в организм животного определяют с помощью счетчика.

Предположим, что была зафиксирована какая-то скорость счета. Раствор соли перемешался с межкле­ точной жидкостью. При этом общая активность введен­ ной в организм жидкости осталась неизменной, а объем изменится, изменится и удельная активность.

Возьмем шприцом какой-то объем крови животного и снова определим с помощью счетчика скорость счета (конечно, условия опыта в обоих случаях одинаковые). Активность образца во втором случае составляет неко­ торую долю активности первоначального образца. Это и позволяет определить объем межклеточной жидкости.

При планировании подобных экспериментов необхо­ димо заранее рассчитать активности, которые исполь­ зуются. Радиоактивная жидкость разбавляется, поэтому удельная активность и скорость счета уменьшаются. Начальная активность должна быть такой, чтобы после разбавления скорость счета по-прежнему не меньше чем вдвое превышала скорость счета фоновых частиц.

Таким же образом можно подсчитать количество ры­ бы в пруду (конечно, предполагается, что рыбу не вы­ лавливают и вода из пруда не выливается).

Определенное количество мальков погружают на не­ которое время в раствор, имеющий радиоактивный каль­ ций. Кальций сосредотачивается в костях и чешуе рыбы. Мальки становятся мечеными, и их выпускают в пруд. Допустим, что меченйх мальков было 1000 и все мальки

71

размещаются в пруду равномерно. Через какое-то вре­ мя проводят пробный улов рыбы и определяют количество

рыбы равно х, то, составив пропорцию, определим, что количество меченых рыб в пруду так относится ко всему количеству рыб в пруду, как количество выловленных меченых рыб относится к количеству всех выловленныхя

Еще один пример количественных расчетов по методу меченых атомов. В почву внесли в виде удобрения супер­ фосфат, меченный радиоактивным фосфором, в котором имеется 20% фосфорной кислоты Р20 5. Перед внесением суперфосфата в почву определили удельную активность его по радиоактивному фосфору (период полураспада 14,3 дня). Она равнялась 25 мккюри/г. Через 20 дней обнаружили, что растение, под которое было внесено удобрение, имеет общую радиоактивность 0,6 мккюри. Необходимо определить количество фосфорной кислоты, которая попала в растение за этот отрезок времени. Мы уже говорили, что при проведении опытов с мечеными атомами необходимо брать во внимание время проведе­ ния опыта с учетом периода полураспада радиоактивного изотопа. Итак, необходимо определить количество радио­ активного фосфора, распавшегося за это время.

По закону радиоактивного распада определим удель­ ную активность внесенного в почву суперфосфата. Через 20 дней после начала опыта она будет равна 5,8 мккюри. Отсюда можно определить, сколько грамм суперфосфата будет соответствовать после 20 дней хранения активно­ сти, равной 1 мккюри. Учтем, что в суперфосфате имеется лишь 20% фосфорной кислоты. Следовательно, актив­ ность 1 мккюри соответствует 0,173x0,20 = 0,0346 г —

72

= 34,6 мг фосфорной кислоты. Поскольку в растении была обнаружена общая активность 0,6 мккюри, то это значит, что растением усвоено 34,6X0,6 = 20,8 мг фосфор­ ной кислоты.

Использование радиоактивных изотопов в проведении разных экспресс-анализов имеет большую перспективу. Представим, что в мартеновской печи идет плавка. В чу­ гуне есть определенное количество фосфора, который при мартеновском переделе постепенно переходит в шлак. От количества оставшегося в чугуне фосфора зависит качество полученного после плавки металла. Чтобы сле­ дить за качеством плавки, необходимо определять со­ держание фосфора в металле.

Изготовленный для химического анализа образец нужно отправить в химическую лабораторию. Ответ бу­ дет лишь через несколько часов. Однако плавка не может ждать столько времени. Вот здесь и приходит на помощь анализ с помощью меченых атомов, который можно вы­ полнить за шесть-семь минут. В чугун вводят небольшое количество радиоактивного фосфора 15Р32, активность которого известна. Вместе с фосфором обыкновенным в шлак перейдет и фосфор радиоактивный. Беря время от времени пробы шлака и определяя их активность, можно легко подсчитать содержание фосфора в шлаке и судить о готовности плавки. Расчеты при этом почти не отли­ чаются от тех, которые мы привели при анализе количест­ ва усвоенной растением фосфорной кислоты. Начальная удельная активность известна, удельную активность проб шлака определяем. Отсюда, зная вес плавки, нетрудно вычислить процентное содержание фосфора.

При помощи радиоактивных изотопов можно обнару­ жить очень малые количества вещества. Такая особен­ ность метода меченых атомов используется, в частности, для определения очень малых парциальных давлений па-

ра металла. При любой температуре металлы имеют определенное давление пара, которое зависит от темпе­ ратуры. При температурах ниже 1000° С это давление чрезвычайно мало. Обычными методами определить та­ кие давления трудно, а знать их необходимо, ибо они ^ характеризуют поведение металлов в разных металлур- 1 гических процессах. Для определения давления пара к металлу примешивают один из радиоактивных изотопов^ этого металла и испаряют смесь при определенной темпер ратуре. Какое-то незначительное количество металла'! конденсируется на стенках сосуда, где происходит испа­ рение. Взвесить это количество невозможно, а опреде­ лить активность, даже очень слабую, можно. Зная актив­ ность вещества, которое испарилось, не трудно подсчи­ тать его количество, а затем и вычислить давление пара, который содержался в данном объеме.

Остановимся еще на некоторых примерах.

Дату происшествия, совершившегося лет десять то­ му, можно установить сравнительно легко. Труднее го­ ворить о событиях столетней давности. А когда речь идет о том, что произошло тысячи и миллионы лет назад?

Возраст земной коры, возраст геологических пород исчисляется миллионами и миллиардами лет. Для пла­ номерного и быстрого нахождения интересующих нас полезных ископаемых необходимо четко представлять процессы, при которых породы образовались, время, ког­ да эти процессы происходили.

Установить хронологию образования разных геологи­ ческих пород помогают радиоактивные атомы — своеоб­ разные геологические часы. Расскажем об одном из воз­ можных методов.

Основную массу естественного урана составляет его изотоп эгИ238. Этот изотоп радиоактивный. Испуская в процессе распада альфа-частицы, эгИ238 преобразуется в

74

торий эоТЬ234. Период полураспада урана огромен — 4,56 млрд, лет, этим объясняется то, что уран, образовав­ шийся очень давно, существует и в наши дни.

В процессе распада урана возникают радиоактивные ядра, которые в свою очередь распадаются. Возникает цепь распадов. После целого ряда преобразований про­ цесс прекращается—образуется стабильный изотоп свин-

. д а 82РЬ206. Таким образом, в урановых рудах за много

\миллионов лет накапливается свинец. Легко догадаться, что соотношение между количеством урана и свинца за­ висит от времени: чем больший период прошел с момента образования данной породы, тем больше будет свинца.

Скорость накопления свинца можно определить, ис­ пользуя закон радиоактивного распада. Например, из 1000 г природной смеси изотопов урана за 100 млн. лет образуется 13 г свинца. Зная количественное соотноше­ ние урана и свинца в исследуемой породе, можно опре­ делить время, которое прошло с момента ее образования.

Описанный метод не единственный. Абсолютный воз­ раст горных пород узнают, используя также гелевый, аргоновый и стронциевый методы. Суть их такая же, но цепи радиоактивных распадов иные. Так, в аргоновом методе применяется радиоактивность изотопа К40. Кали­ евые минералы очень распространены в земной коре, и вследствие этого аргоновый метод пригоден для опреде­ ления возраста почти всех геологических образований.

Остановимся на хронологии событий, отдаленных от нас не миллионами лет, а тысячелетиями. В этом нам поможет радиоактивный изотоп углерода С14 с перио­ дом полураспада 5720 лет. Наличие радиоактивного угле­ рода в атмосфере связано с космическими лучами. Изо­ топ С14 рождается при бомбардировании нейтронами ядер азота воздуха. После вторжения с огромными ско­ ростями в атмосферу Земли космические лучи, вслед­

75

ствие разного рода ядерных процессов, рождают нейтро­ ны, которые и вызывают превращение ядер азота в ме­ ченые атомы углерода (последний входит в состав угле­ кислого газа воздуха).

Космические лучи бомбардируют воздух в течение миллиардов лет. Атомы радиоактивного углерода возни- ' кают и распадаются; за долгие годы установилось равно­ весие: количество радиоактивного углерода в воздухе не л меняется. Нет оснований считать, что поток космических! лучей как-то изменился за период существования Зем-;-; ли. Поэтому можно принять, что количество меченого углекислого газа в воздухе и сейчас и тысячи лет назад было постоянным. На этом и основывается углеродный метод определения времени.

Углекислый газ принимает участие в процессе обмена веществ в природе. Некоторое количество меченых угле­ родных атомов усваивается растениями. Когда растение погибает, обмен веществ прекращается и новые меченые атомы в него уже не поступают, а находившиеся в расте­ нии с момента гибели его начинают «отсчитывать время». Количество радиоактивных атомов будет постепенно, очень медленно уменьшаться. Через шесть тысяч лет их останется приблизительно половина, через 12 тысяч лет — четвертая часть и т. д.

Для определения времени гибели найденного при ра­ скопках куска дерева достаточно сравнить удельную ак­ тивность его с активностью современного дерева. «Угле­ родные часы» позволяют измерять промежутки времени до 20—25 тысяч лет. Распад атомов углерода продол­ жается и дальше, однако активность, которая остается, очень низкая и ее трудно определить.

Можно привести и другие примеры использования ме­ ченых атомов.

Не так давно стало известно, что почти весь находя­

76

щийся в человеческом организме иод сосредоточен в щи­ товидной железе. Установить этот важный факт помогли меченые атомы. К йодистому препарату добавляли опре­ деленное количество радиоактивного иода. Через неко­ торое время после введения препарата в организм чело­ века с помощью счетчика определяли, в какие органы или ткани попадал радиоактивный иод, где он и с какой скоростью сосредоточился. Теперь радиоактивный изотоп иода с успехом применяется для диагностики и лечения заболеваний щитовидной железы.

Меченые атомы применяют и при изучении диффузии и самодиффузии металлов. Если положить один на дру­ гой два куска металла, например золота и свинца, то через некоторое время обнаружится, что молекулы зо­ лота попадают в свинец и наоборот.

Что произойдет, если плотно соединить два одинаковых металла? Пусть один из образцов золота кроме обыкно­ венных атомов имеет какое-то количество атомов радио­ активного золота. Прижмем один к одному два образца металла. Вследствие диффузии атомы из одного металла переходят в другой и проникают на некоторую глубину. Это явление можно детально проследить. Если снять с по­ верхности металла слои, в которые проникли радиоактив­ ные атомы другого образца, и определить их активность, можно вычислить скорость самодиффузии. Перемещение одних атомов среди других происходит при механиче­ ской и термической обработке металлов. Внося в металл некоторое количество меченых атомов элемента, движе­ ние которого мы хотим проследить, и наблюдая затем за их перемещением, можно сделать вывод о движении атомов в металле. Этот метод позволяет выявить эффек­ тивность того или иного способа обработки металла.

Меченые атомы помогают выяснить роль и проследить за поведением разных химических элементов в живом

77

организме. Важную роль в растительных и животных организмах играет, например, фосфор. В организм жи­ вотного фосфор попадает с пищей, растения усваивают его из почвы. Мы уже рассматривали, как определяют усвоение растением фосфора. Однако может возникнуть вопрос, какими частями растения фосфор усваивается. I Введем в удобрение меченый радиоактивный фосфор, -т Через некоторое время срежем растение и в темноте при-^ ложим его к фотопластинке. Почернение последней будетд неравномерным: там, где царяду с обыкновенным фосфо-^ ром сосредоточился фосфор радиоактивный, будет наб­ людаться наиболее интенсивное излучение. Эти места на пластинке почернеют больше, нежели соседние. Ра­ стение как бы оставляет свой радиоавтограф, соответ­ ствующий распределению фосфора в разных его частях. Таким методом было показано, например, что в табаке, зараженном вирусной мозаикой, фосфор поглощается больными листьями; в плодах томатов он собирается в семени и т. д.

Аналогично было установлено, что в организме жи­ вотного накопление фосфора происходит в основном в костях.

Радиоактивные изотопы могут быть показателями границы разделения двух сред. Предположим, что одним и тем же трубопроводом перегоняют разные нефтепро­ дукты, например керосин и бензин. Между этими нефте­ продуктами в трубопровод накачивают топливо, имеющее какое-нибудь радиоактивное соединение. Как только на приемном пункте с помощью счетчика будет замечена радиоактивность, переключением кранов (возможно, ав­ томатическим) другой род топлива направляют в необ­ ходимый резервуар.

Радиоактивное излучение может быть использовано и для определения уровня жидкости в герметически закры­

78

том баке. Если радиоактивный источник поместить в со­ суде на поплавке, то с помощью счетчика, который нахо­ дится снаружи, можно определить положение поплавка, а следовательно, и уровень жидкости. Когда в баке очень агрессивная в химическом отношении жидкость (ядови­ тая или легковоспламеняющаяся и т. д.), да еще под дав­ лением,— задача не такая простая, как это кажется на первый взгляд. Радиоактивное излучение позволяет ре­ шить эту проблему, применить автоматику, более эф­ фективно использовать имеющиеся резервы.

Современные механизмы и машины работают в усло­ виях больших скоростей, давлений, температур. Требова­ ния к качеству продукции непрерывно повышаются. Не­ обходимы точные методы изучения различных факторов, влияющих на надежность и долговечность машин.

Один из таких методов с использованием меченых атомов состоит в том, что на поверхности интересующей нас детали создают радиоактивный слой. При изнашива­ нии детали радиоактивные атомы исчезают с поверх­ ности. По изменению активности можно судить о мере износа. Меченые атомы создаются в детали после облу­ чения ее частицами с большой энергией на ускорителях заряженных частиц или нейтронами в атомном реакторе. Частицы, проходящие на определенную глубину в ме­ талл, вызывают ядерные реакции, в результате которых возникают радиоактивные ядра.

Предположим, что испытывается поршневое кольцо двигателя. В атомном реакторе оно облучается, в нем возникает радиоактивный изотоп железа Ее59. Затем кольцо устанавливают в двигатель, где оно постепенно изнашивается. Частицы железа с радиоактивными ато­ мами попадают в масло, смазывающее детали двигателя. Если время от времени брать пробы масла и измерять их активность, можно следить за изнашиванием кольца.

79