ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОТОПОВ

Изотопы, особенно радиоактивные, имеют многочисленные применения. В табл. 1.13 указаны отдельные примеры некоторых промышленных применений изотопов. Каждая методика, упоминаемая в этой таблице, используется также и в других отраслях промышленности. Например, методика определения утечки вещества с помощью радиоизотопов используется: в производстве напитков для определения утечки из накопительных баков и трубопроводов; в строительстве инженерных сооружений для

Таблица 1.13. Некоторые применения радиоизотопов

определения утечки из подземных водоводов; в энергетической промышленности для определения утечки из теплообменников на электростанциях; в нефтяной промышленности для определения утечки из подземных нефтепроводов; в службе контроля сточных и канализационных вод для определения утечки из магистральных коллекторов.

Изотопы также широко используются в научных исследованиях. В частности, они используются для определения механизмов химических реакций. В качестве примера укажем использование воды, меченной устойчивым изотопом кислорода 180, для изучения гидролиза сложных эфиров, подобных этилацетату (см. также разд. 19.3). С использованием масс-спектрометрии для обнаружения изотопа 180 было установлено, что при гидролизе атом кислорода из молекулы воды переходит в уксусную кислоту, а не в этанол

Радиоизотопы широко используются в роли меченых атомов в биологических исследованиях. Для того чтобы прослеживать метаболические пути в живых системах, используют радиоизотопы углерод-14, тритий, фосфор-32 и сера-35. Например, усвоение фосфора растениями из обработанной удобрениями почвы можно проследить, пользуясь удобрениями, которые содержат примесь фосфора-32.

Радиационная терапия.

Ионизирующее излучение способно разрушать живые ткани. Ткани злокачественных опухолей более чувствительны к облучению, чем здоровые ткани. Это позволяет лечить раковые заболевания при помощи -лучей, испускаемых из источника, в качестве которого используется радиоактивный изотоп кобальт-60. Излучение направляют на пораженный опухолью участок тела больного; сеанс лечения длится несколько минут и повторяется ежедневно в течение 2-6 недель. Во время сеанса все остальные части тела больного должны быть тщательно закрыты непроницаемым для излучения материалом, чтобы предотвратить разрушение здоровых тканей.

Определение возраста образцов при помощи радиоуглерода.

Небольшая часть того диоксида углерода, который находится в атмосфере, содержит радиоактивный изотоп . Растения поглощают этот изотоп в процессе фотосинтеза. Поэтому ткани всех

растений и животных также содержат этот изотоп. Живые ткани обладают постоянным уровнем радиоактивности, потому что его убывание из-за радиоактивного распада компенсируется постоянным поступлением радиоуглерода из атмосферы. Однако, как только наступает смерть растения или животного, прекращается поступление радиоуглерода в его ткани. Это приводит к постепенному снижению уровня радиоактивности мертвых тканей.

Радиоактивность изотопа обусловлена -распадом

Радиоуглеродный метод геохронологии разработал в 1946 г. У.Ф. Либби, получивший за него Нобелевскую премию по химии в 1960 г. Этот метод широко используется в настоящее время археологами, антропологами и геологами для датировки образцов, имеющих возраст вплоть до 35000 лет. Точность этого метода приблизительно 300 лет. Наилучшие результаты получаются при определении возраста шерсти, семян, ракушек и костей. Для определения возраста образца измеряют активность p-излучения (число распадов в минуту) в расчете на 1 г содержащегося в нем углерода. Это позволяет установить возраст образца при помощи кривой радиоактивного распада для изотопа .

Пример

Период полураспада для равен 5700 лет. Живая ткань, находящаяся в активном контакте с атмосферой, имеет активность 15,3 расп./мин в расчете на 1 г углерода. По этим данным необходимо:

а) определить постоянную распада для

б) построить кривую распада для

в) вычислить возраст Кратер Лейк Орегон в США), имеющего вулканическое происхождение. Установлено, что дерево, перевернутое во время

извержения, в результате которого появилось озеро, имеет -активность 6,5 расп./мин в расчете на 1 г углерода.

Решение

а) Постоянную распада можно найти из уравнения

Отсюда

б) Кривая распада представляет собой график зависимости активности от времени. Данные, необходимые для построения этой кривой, можно вычислить, зная период полураспада и начальную активность образца (активность живой ткани); эти данные приведены в табл. 1.14. Кривая распада показана на рис. 1.32.

в) Возраст озера можно определить при помощи кривой распада (см. штриховые линии на рис. 1.32). Этот возраст равен 7000 лет.

Таблица 1.14. Данные для построения кривой радиоактивного распада углерода, используемой при определении возраста образцов

Рис. 1.32. Кривая радиоактивного распада изотопа

Многие горные породы на Земле и Луне содержат радиоизотопы с периодами полураспада порядка лет. Измеряя и сравнивая относительное содержание этих радиоизотопов с относительным содержанием продуктов их распада в образцах таких горных порол, можно установить их возраст. Три наиболее важных метода геохронологии основаны на определении относительного содержания изотопов (период полураспада лет). (период полураспада лет) и (период полураспада лет).

Метод датировки по калию и аргону.

Такие минералы, как слюда и некоторые разновидности полевого шпата, содержат небольшое количество радиоизотопа калий-40. Он распадается, претерпевая электронный захват и превращаясь в аргон-40:

Возраст образца определяется на основе вычислений, в которых используются данные об относительном содержании в образце калия-40 по сравнению с аргоном-40.

Метод датировки по рубидию и стронцию.

Некоторые из наиболее древних горных пород на Земле, например граниты с западного побережья Гренландии, содержат рубидий. Приблизительно третья часть всех атомов рубидия приходится на долю радиоактивного рубидия-87. Этот радиоизотоп распадается, превращаясь в устойчивый изотоп стронций-87. Вычисления, основанные на использовании данных об относительном содержании в образцах изотопов рубидия и стронция, позволяют устанавливать возраст таких горных пород.

Метод датировки по урану и свинцу.

Изотопы урана распадаются, превращаясь в изотопы свинца. Возраст таких минералов, как апатиты, которые содержат примеси урана, можно определять, сравнивая содержание в их образцах определенных изотопов урана и свинца.

Все три описанных метода использовались для датировки земных горных пород. Полученные в результате данные указывают, что возраст Земли равен лет. Указанные методы использовались также для определения возраста лунных горных пород, доставленных на Землю из космических экспедиций. Возраст этих пород составляет от 3,2 до лет.