§ 17. НЕКОТОРЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОТОПОВ

Использование изотопных индикаторов (меченых атомов). Изотопные индикаторы — вещества, в которых какой-либо химический элемент имеет отличный от природного изотопный состав и которые применяются для маркировки атомов, молекул и других объектов. Химические свойства изотопов данного элемента одинаковы, благодаря чему введение меченых атомов не влияет на протекание физических, химических и биологических процессов. Присутствие радиоактивных изотопов обнаруживается по их радиоактивности. Такая маркировка позволяет, прослеживая перемещение радиоактивности, изучать количество меченого объекта — изотопа данного элемента в средах, в которых содержатся те же элементы, но другого изотопического состава. Например, нанесение железа, содержащего его радиоактивный изотоп на обыкновенное железо позволяет по распространению активности изучать диффузию железа в железе.

Вводя в почву суперфосфатное удобрение, содержащее радиоактивный изотоп фосфора можно следить за усвоением растением фосфора из удобрения.

С помощью меченых атомов удается проследить обмен веществ в организме, установить время, за которое введенные в организм атомы достигают различных органов, определить степень усвояемости продуктов питания, измерять объем крови в живом организме и т. д.

Следующие расчеты дадут представление о чувствительности методов исследования с применением радиоактивных изотопов. Согласно уравнению (41) скорость распада радиоактивного элемента и если выражено в секундах, уравнение даст количество частиц, испускаемых атомами данного изотопа в течение 1 сек.

В принципе счетчик -частиц (см. § 27) может зарегистрировать каждую частицу, но из-за наличия фона (от космических лучей и радиоактивности атмосферы, стен и т. п.) точные измерения следует производить при скорости счета, большей, чем дает фон. Минимально допустимая скорость счета обычно составляет 20 отсчетов в минуту; предположим также, что в счетчик попадает около 10% частиц, искускаемых источником; тогда количество радиоактивного материала, испускающего примерно 200 частиц в минуту (4 в секунду), является наименьшим, с которым могут быть проведены удовлетворительные измерения. Полученное из уравнения значение равное

даст, грубо говоря, минимальное количество радиоактивных атомов, имеющих период полураспада сек, которое может быть обнаружено.

Чтобы перевести это число в граммы, надо умножить его на Массовое число А и разделить на число Авогадро (61023). Тогда минимальный вес радиоактивного вещества, при котором его можно обнаружить, приблизительно дается выражением: миним.

О порядке величины, который он имеет, можно получить представление на примере для двух изотопов: углерода-14 и фосфора-32.

Для лет Минимальный вес близок к

Для дня Минимальный вес равен примерно

Такие ничтожно малые количества радиоактивного индикатора нельзя заметить при других методах наблюдения.

Определение возраста минералов при помощи изотопов. После того как было доказано, что конечными продуктами естественных радиоактивных семейств являются различные изотопы свинца, стали определять возраст урановых минералов по относительному содержанию в них свинца и урана.

Допустим, что в момент образования минерала в нем содержалось ядер Через время равное возрасту минерала, в нем останется ядер урана. Следовательно, ядер урана в результате последовательных распадов превратилось в Ядер стабильного изотопа свинца который должен присутствовать в минерале. Напишем для этого случая уравнение распада (38):

где обозначают количества соответствующих изотопов, находящихся в куске минерала в данный момент. Эти величины можно определить экспериментально; Я — постоянная распада известна; отсюда можно найти возраст минерала. Самый старый из известных урановых минералов имеет возраст лет.

Возраст минерала, содержащего рубидий, можно определить, используя тот факт, что естественный подвергается -распаду и образует Таким образом,

где постоянная распада Йозраст самого старого рубидиевого минерала оценен примерно в

Для объектов меньшего возраста ценным оказался метод с применением радиоактивного углерода с периодом полураспада 5568 лет. Этот изотоп углерода непрерывно образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей и распределяется затем в растительных и животных организмах.

Погибшие растения не поглощают углерод и поэтому его количество в них непрерывно уменьшается за счет распада. Сравнив содержание в живых и неживых образцах, можно вычислить время, прошедшее со времени их гибели.

Можно привести множество других примеров, показывающих, насколько широкое применение в различных областях науки и техники нашли изотопные методы исследования — от фотосинтеза до лечения заболеваний крови, от изучения усвоения фосфора растениями до определения температур морей в отдаленные геологические эпохи.