Природна радіоактивність і закон радіоактивного розпаду

1
ТЕМА: Понятие радиоактивности.
ПЛАН лекции
1. Понятие радиоактивности. Виды радиоактивного распада.
2. Закон радиоактивного распада. Единицы измерения радиоактивности.
3. Понятие искусственной радиоактивности. Применение в биологии и
медицине.
Понятие радиоактивности. Естественная радиоактивность. Виды
радиоактивного распада.
Раскрыть природу радиоактивного излучения удалось лишь к концу 20-х
годов прошлого века, когда была создана Резерфордом планетарная модель
строения атома. Ответ на вопрос о структуре атома и его сердцевине был экспериментально получен
Эрнестом Резерфордом в 1911 году. После ряда опытов, в которых изучалось рассеяние пучка тяжелых
заряженных частиц на металлической фольге, Резерфорд пришел к выводу: в центре атома находится
массивное, положительно заряженное ядро! Ученый заключил, что атомное ядро состоит из тяжелых (почти в
2000 раз тяжелее электрона) положительно заряженных частиц, названных им протонами. Масса ядра
практически равна массе всего атома, а вокруг него непрерывно движутся легкие, отрицательно заряженные
электроны, занимая в своем движении почти весь объем атома и образуя электронную оболочку. Теперь эти
представления были доказаны экспериментом.
Открытие в 1896 г. А. Бекерелем явления радиоактивности и открытие
четой Кюри новых химических элементов способных излучать невидимые лучи
привлекло внимание исследователей к загадочному излучению. Группой ученых
во главе с Резерфордом был установлен сложный состав излучений радий. По
распространению излучения в магнитном поле определили, что некоторые
частицы изменяют направление движения и отклоняются от прямолинейного
направления движения- это альфа частицы (ядра гелия) и -частицы; в составе
излучений радия были найдены и жесткие лучи, которые имели прямолинейную
траекторию движения и были определены как гамма-лучи.
Способность радия излучать различные по своим свойствам частицы
сопряжена с процессами, происходящими в ядре данного атома, и определена
его нестабильностью. Большинство нуклидов нестабильны, т.е. без какоголибо внешнего воздействия они все время превращаются в другие нуклиды.
Некоторые же нуклиды стабильны, т.е. в отсутствие внешнего воздействия
никогда не претерпевают никаких превращений.
Чем же определяется устойчивость или неустойчивость ядер химических
элементов? Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Как оказалось,
основная масса атома сосредоточена именно в ядре, т.е. масса ядра и определяет
атомную массу. Заряд ядра определяется протонами. Вокруг ядра по
эллиптическим орбиталям движутся электроны. Взаимодействие положительно
заряженного ядра с электронами обусловлено кулоновскими силами. Количество
электронов равно количеству протонов в результате в целом атом
электронейтрален. Характер взаимодействия между частицами внутри ядра не
позволяет образоваться ядрам с любым количеством нейтронов и протонов.
Устойчивые ядра состоят из определенных комбинаций протонов и нейтронов.
Сильное взаимодействие внутриядерных частиц и обеспечивает огромный
2
запас энергии в ядрах атомов. Именно ядра не только хранят всю энергию,
но и определяют химическую индивидуальность атомов.
Число протонов в ядре определяет атомный номер элемента, число электронов в атоме
и, стало быть, его химические свойства. Содержание нейтронов в таком ядре может
колебаться, но свойства вещества, за исключением атомной массы, при этом существенно не
различаются. Поэтому ядра с одинаковым числом протонов, но разным количеством
нейтронов представляют собой варианты атомов одного элемента, располагаются в одной
клетке таблицы Менделеева и носят название изотопы, то есть расположенные в одном
месте. Большинство элементов и представляет собой смесь нескольких стабильных изотопов.
Таким образом, количество нейтронов в ядре может колебаться, но лишь в
определенных пределах. Наиболее стабильные изотопы легких элементов, от гелия и
примерно до меди, содержат в ядре равное количество протонов (р) и нейтронов (п):
гелий — 4 (2p+2n), углерод — 12 (6p+6n), кислород — 16 (8р+8n), сера — 32 (16р+16n) и
т. п. В более тяжелых элементах много протонов. Чтобы сохранить стабильность их ядер,
количество нейтронов растет опережающими темпами. Устойчивый изотоп молибдена (42p
+ 56n) содержит нейтронов в 1,33 раза больше, чем протонов; неодим (60р + 84n) — в 1,4
раза; вольфрам (74р + 110n) — в 1,49 раза; свинец (82р + 126n) - в 1,54 раза больше. Наконец,
самые тяжелые элементы, с № 84 до 92, оказываются нестабильными и распадаются
самопроизвольно, несмотря на избыток нейтронов. Основной изотоп урана — (U-238)
— содержит 92р +146n, но распадается с периодом 4,5 млрд лет.
Радиоактивностью называется свойство ядер некоторых элементов
самопроизвольно распадаться с образованием новых ядер и испусканием из них
элементарных частичек, способных ионизировать. Радиоактивность - это
ядерное преобразование элементов. На этот процесс не влияют изменения
условий окружающей среды - температура, давление, влажность и тому
подобное. Радиоактивный распад зависит только от внутреннего состояния
ядра.
Нестойкие ядра, которые достигают большей стабильности за счет
ядерных преобразований, называются радионуклидами.
Наиболее широко распространены в земной коре уран и торий являются естественно
радиоактивными. Природный уран рассеян в горных породах, относительно редко образует
крупные месторождения, но общее его количество на Земле значительно больше, чем
серебра или ртути. Природный уран представляет собой смесь трех изотопов: урана-238
(99,28 %), урана-235 (0,71 %) и урана-234 (0,006 %). Первые два — уран-238 и уран-235
(актиноуран) — родоначальники двух радиоактивных семейств. Конечным продуктом
распада урана является стабильный изотоп свинца с атомной массой 206. Промежуточными
радиоактивными продуктами распада урана являются уран-234, изотоп тория-230, радий-226,
радон-222, полопий-210 и ряд других короткоживущих (и потому встречающихся в
ничтожных количествах) промежуточных продуктов.
Калий весьма распространен в литосфере и биосфере, является типичным
биологическим элементом. Природный калий состоит из трех изотопов (39К, 40К, 41К), из
которых только один (40К) радиоактивен. Он составляет постоянную примесь (0,0119 %) к
нерадиоактивному калию. При распаде 40К испускает бета-частицу и превращается в
стабильный изотоп кальция (40Са) либо осуществляет К-захват электрона и превращается в
стабильный изотоп аргона (40A). 40Са получается в 8 раз чаще 40А. Поэтому соотношение
40К и 40А в горных породах может быть использовано для определения возраста последних.
В частности, возраст Земли, определенный этим методом, равняется 5,3 млрд лет.
В процессе превращений ядро может излучать - и -частицы, изменяя
соотношение нейтрон : протон, для достижения стабильного состояния. Если
после излучения частиц ядро все еще находится в энергетически нестабильном
3
состоянии, то затем оно может излучать гамма-лучи для перехода из
возбужденного ядерного уровня на нижний более устойчивый уровень без
изменения соотношения нейтрон : протон. Эти излучения имеют высокую
энергию, что измеряется сотнями тысяч и даже миллионами электрон-вольт.
Для сравнения: энергия разрыва одной химической связи измеряется
несколькими электрон-вольтами; энергия, необходимая для удаления одного
электрона из электронной оболочки, что окружает атом, измеряется
несколькими электрон-вольтами или небольшим числом десятков электронвольт. Поэтому каждая - или -частичка или -квант могут на своем пути
осуществить целиком ощутимые преобразования.
Таблица 1.
Номенклатура радиоактивного распада
атомная масса - 40
Понятие
Атомный номер
Атомная масса
Нуклид
Изотоп
Изобар
Са20 - атомный номер
Определение
Количество протонов в ядре
Количество протонов и нейтронов в ядре
(mp=1.673*10-27, mn=1.675*10-27, me=0.911*10-30 [kg])
Термин для определения любимых атомов, которые
отличаются составом ядра (соотношением между
числом нейтронов и числом протонов)
Нуклиды, которые имеют одинаковый атомный
номер, но отличаются атомной массой. Как правило,
эти атомы отличаются числом нейтронов: 37Сl17 35Сl17
Нуклиды, которые имеют одинаковую атомную
массу, но отличаются числом протонов. Эти атомы
отличаются атомным номером и, соответственно,
имеют различные символы элементов: 64Ni28 64Zn30
4
Процесс ядерных превращений с излучением ионизирующих частиц и
гамма квантов называется радиоактивным распадом. Существует два типа
радиоактивного распада - -распад и -распад.
Для легких радиоактивных элементов характерный бета-распад, который
сопровождается излучением из ядра одного электрона (--распад) или
позитрона (+-распад).
--распад характерен для элементов, которые имеют излишек нейтронов.
Если ядро обогащено нейтронами, то оно может распадаться с излучением
электрона. В таком случае происходит внутриядерное превращение нейтрона в
протон:
нейтрон  протон + электрон + антинейтрино
общее уравнение -распада:
A
A

Z X  Z 1Y        Q
Пример:
41
41
18 Ar 19 K
   (1,2MэВ )   (1,29 МэВ )
В процессе - распада значение энергии частиц уменьшается по
сравнению с первоначальным максимальным его значением.
Например, --распаду подвержены ядра углерода 14С (тяжелее, чем
стабильные изотопы 13С и 12С), 3Н (трития), 32Р и 33Р (тяжелее, чем стабильный
изотоп фосфора), 24Nа (тяжелее, чем стабильный изотоп 23Nа).
+-распад характерен для ядер, которые испытывают недостаток
нейтронов. За счет внутриядерных превращений происходит образование
нейтрона из протона:
протон  нейтрон + позитрон + нейтрино
Возникновение позитрона можно представить как преобразования в ядре
одного протона в нейтрон и позитрон.
+-распаду подвергаются ядра, которые испытывают дефицит нейтронов
против оптимального, например, 11С или 22Nа. Такой процесс сопровождается
увеличением массы на 0,0014 а.е.м., а следовательно, в условиях вне ядра
требует значительной затраты энергии.
Общее уравнение +-распада:
A
A

Z X  Z 1Y        Q
22
22

Пример:
11 Na 10 Ne   (0,54 MэВ )   (1,27 МэВ )
В случае --распада атомный номер увеличивается на единицу, при +распаде уменьшается на единицу. В обоих случаях массовое число не
изменяется.
Свойства --распада
1. --распад есть внутриядерное взаимное превращение нейтрона и
протона.
5
2. В случае  распада массовое число не изменяется, изменяется
лишь атомный номер (увеличивает или уменьшается).
--
Второй вид распада, который встречается преимущественно при распаде
тяжелых атомов – это -распад, который характеризуется как процесс
превращения ядра с излучением -частичек. -частицы представляют собой
ядра гелия и состоят из двух нейтронов и двух протонов.
Обще уравнение -распада:
A
A 4
4
Z X  Z  2Y  2 He    Q
В результате -распада атомный номер уменьшается на два, а массовое
число - на четыре.
Для -распада характерно увеличение отношения нейтрон:протон, а это
означает, что вновь образовавшееся ядро нестабильно и дальнейшие
превращения неизбежны, т.е. -распад предполагает длинную цепь ядерных
превращений. В процессе -распада все испущенные -частицы имеют близкие
значения энергии, не зависимо от того на каком этапе произошло -излучение.
Часто - и -распад ядер сопровождается электромагнитным излучением
очень высокой энергии, которые называют гамма-излучением. Наличие гаммаизлучения свидетельствует о том, что на первых порах в результате
радиоактивного распада образуется ядро в возбужденном состоянии, которое
переходит в основное состояние с излучением -квантов.
Свойства -распада.
1. Энергия излучения -частицы тесно связана с временем жизни
элемента. Чем меньше время жизни элемента, тем выше энергия
излучения -частицы.
2. -распад характерен для ядер с порядковым номером больше 83
(т.е. для тяжелых элементов). Исключение составляют 8Ве и 8В. .
3. Все -частицы, испущенные в процессе распада на различных его
этапах имеют одинаковое значение энергии.
В таблице 1.1 приведены некоторые радиоактивные вещества и их
характеристики.
Таблица 1.1
Основные физические характеристики естественных радионуклидов.
Название
Уран
Уран
Торий
Протактиний
Актиний
Число
Число
Период
Вид
Символ протонов нуклонов
полураспада излучения
(Z)
(Z+N)
U
U
Th
Pa
Ac
92
92
90
91
89
238
235
232
231
227
4,5 109 лет
7 108 лет
1,4 1010 лет
3,4 104 лет
22 года

, 
, 
, 
, 
Полная
энергия
распада,
W (МэВ)
4,20
6
Радий
Радон
Полоний
Свинец
Калий
Ra
Rn
Po
Rb
K
88
86
84
82
19
226
222
210
210
40
1860 лет
3,8 суток
138 суток
22 года
4,5 108 лет
, 


, 
, 
Закон радиоактивного распада. Единицы измерения радиоактивности.
Радиоактивные ряды.
Распад радиоактивных ядер в природе происходит беспрерывно, скорость
распада не зависит от условий окружающей среды и химических соединений, в
которые входит данный радиоактивный элемент. Основные характеристики
радиоактивных ядер - период полураспада, среднее время жизни радионуклида,
активность.
Закон радиоактивного распада был предложен Резерфордом и Содди
в 1903 г. Радиоактивный распад происходит по определенному закону: в
каждый данный отрезок времени распадается в среднем определенная часть от
общего числа радиоактивных атомов независимо от этого числа. Другими
словами отношение убыли числа атомов за малый отрезок времени к их
общему числу есть величина постоянная для данного изотопа: если
обозначить количество ядер, которые распадаются, как  N, отрезок времени как
 t, то получим
dN 1
(1)


dt N 0
Здесь  - константа скорости радиоактивного распада, N0 - начальное
количество ядер.
Это выражение можно переписать так:
dN
(2)
 dt
N0
Интегрируя от N0 до N, за время от t=0 до t, получим экспоненциальный
закон радиоактивного распада:
N t  N 0 e  t
(3)
Уравнение (3) есть статистический закон, выполняющийся для очень
большого числа атомов, показывает изменение численности нераспавшися
атомов в источнике.
Коэффициент  характеризует вероятность распада ядер за единицу
времени. Постоянная радиоактивного распада обратно пропорциональна
средней продолжительности жизни ядер атомов данного вещества и выражается
в сек. -1. Для характеристики радиоактивного распада, часто применяют другую
величину - период полураспада (T1/2). Для каждого элемента период
полураспада есть постоянная величина. И определяется как промежуток
времени, в течение которого количество атомов радиоактивного изотопа
уменьшается в 2 раза. Это означает, что за время Т1/2 в образце останется 1/2
исходного количества радиоактивных атомов, за время 2Т1/2 - 1/4, за 3Т1/2 - 1/8
и т.д. (рис. 1).
7
NT1/ 2
N0


1
 eT1 / 2
2

1
ln    ln e  T1 / 2
 2
0,693=T1/2, Т1/2=0,693/
(4)
(5)
(6)
Рис. 1
Изменение
числа
радиоактивных ядер в источнике.
Период полураспада, как и константа , - постоянные величины, которые
не зависят от числа радиоактивных атомов в образце.
Период полураспада для различных элементов неодинаковый - от долей
секунды до сотен лет, а некоторые и миллиарды лет (таблица ).
Действительное время жизни некоторых радионуклидов либо не
определено, либо имеет бесконечно большое значение. Среднее время жизни
атомов является количественно определяемой величиной и имеет
статистическую основу. Предположим, что в интервале времени от t до t+dt
распадается Ndt ядер, каждое из которых жило время t. Общее время жизни
этих ядер равное tNdt, а суммарная продолжительность жизни всех N0 ядер
равно интегралу от произведения tNdt в пределах времени от нуля до
бесконечности. Среднее время жизни радиоактивных ядер  определяется как
сумма времен жизни каждого атома деленная на их количество N0. Выражая
это в интегральной форме, получим:

1

t Ndt
(7)
N 0 0
учитывая, что N  N 0e  t получим




1
1

 N0  tet dt   tet dt   td (et )  t   e t dt 
N0

0
0
0
0
(8)
после интегрирования выражения (8) получим, что

1
(9)

Формула (9) показывает, что чем больше постоянная радиоактивного
распада , тем меньше время жизни данного радионуклида и тем быстрее
распадаются радиоактивные ядра.
Между средним временем жизни, периодом полураспада T1/2 и постоянной
радиоактивного распада существует следующая связь
T1/2=0,693
T1/2=0,693/
=1/
(10)
8
Время жизни и период полураспада радионуклидов (для удобства)
измеряются как в секундах, часах так и в сутках, годах, в зависимости от вида
радионуклида.
Интенсивность излучения радиоактивного источника определяет его
активность. Активность – это количество ядерных преобразований за единицу
времени:
dN
(11)
A
 N
dt
A  N    N 0  e t  A0  e t
Единица измерения активности радиоактивного источника - бекерель –
1 бекерель равен одному превращению в секунду. Внесистемная единица
радиоактивности – кюри, определена как активность 1гр радия, 1Ки=3,7*1010
распада в секунду. Между системной (бекерелем) и внесистемной (кюри)
единицами измерения радиоактивности установлено следующее соотношение:
1Ки=3,7*1010Бк.
Зная постоянную радиоактивного распада  и атомную массу
радиоактивного вещества с активностью в 1 Кu можно вычислить массу
излучающего образца. Количество частиц в единице массы вещества
определяется как:
m
(12)
N  NA
Z
где m – масса образца;
NA – постоянная Авогадро;
Z – атомная масса вещества
Принимая во внимание, что A  N и учитывая формулу (12) получим
выражение для определения массы образца:
A Z
(13)
m
NA 
Учитывая известные и постоянные величины формула (13) примет вид
m  8 ,86  10 17  Z  T1 / 2
(14)
Масса излучающего образца с активностью в 1 Вк будет рассчитана по
формуле:
8 ,86  10 17
(15)
m
 Z  T1 / 2  2 ,39  10  27  Z  T1 / 2
10
3,7  10
Решение обратной задачи сводится к определению активности
радиоактивного образца массой один килограмм. Для этого необходимо учесть,
что A  N , а также выражение (12):
 m
(16)
A
NA Z
Вместо постоянной радиоактивного распада введем период полураспада
и учтем m=1:

0,693 0,693  N A
(17)
A

0,693  N A Z
ZT1 / 2
9
Формула (17) дает возможность рассчитать активность образца массой
один килограмм.
Конечным результатом распада радиоактивного элемента есть
образование стабильного изотопа. Такое превращение может проходить через
образование промежуточных радиоактивных ядер. Последовательность
изотопов, которые образуются от общего предшественника, в которой каждый
последующий изотоп получается в результате распада предыдущего, называют
радиоактивным рядом. В качестве примера приведем радиоактивный ряд,
который начинается из наиболее распространенного изотопа урана-238 (рис.
Распад урана). Уран-238 превращается в торий-234, испуская при этом два
протона и два нейтрона ( - частицы). В ядре тория-234 содержатся 90
протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение,
однако, происходит иначе. Один из его нейтронов превращается в протон, и
торий-234 превращается в протактиний-234, в ядре которого содержатся 91
протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, произошедшая в ядре, сказывается и
на движущихся по своим орбитам электронах: один из них становится
неспаренным и вылетает из атома. Протактиний очень нестабилен и ему
требуется немного времени на превращение, которое сопровождается
излучениями. Вся эта цепочка заканчивается стабильным нуклидом свинца.
На сегодняшний день известны еще два естественных радиоактивных
ряда, происходящие от изотопа тория-232 конечный продукт - стабильный
изотоп свинца-208 и от изотопа урана-235, конечный продукт - стабильный
изотоп свинца-207.
Все стадии радиоактивного распада сопровождаются либо -, либо излучением. На каждой стадии распада массовое число элемента в случае распада уменьшается на четыре, в случае -распада - не изменяется.
ЗАДАЧА.
Радиоактивный распад атомов радиоактивного вещества Х происходит по типу
-распада в соответствии с уравнением
Х41К+-(1,2МэВ)+(1.29МэВ)
с образованием изобара калия-41 с массой равной 40,9784 а.е.м. Найти атомную
массу "родителя".
РЕШЕНИЕ
Введем соотношение между 1МэВ энергии и массой вещества в а.е.м.: для
изменение массы атома на 1 а.е.м. необходима энергия в 931,482 МэВ, т.е.
1 МэВ1,074*10-3 а.е.м.
1 аем931,482 МэВ
Поскольку в данном условии описывается процесс распада, то масса "родителя"
будет больше массы вновь образованного радионуклида. Следовательно,
необходимо просуммировать все слагаемые в правой части в перерасчете на
а.е.м.:
Х=40,9784+1,21,07410-3+1,291,07410-3=40,98018
10
Понятие искусственной радиоактивности. Применение в биологии и
медицине.
Радиоактивные изотопы широко применяются в научных исследованиях,
где они используются как меченные атомы для выяснения механизмов
химических и биохимических реакций. Использование естественных
радиоактивных элементов в экспериментальной биологии и медицине
сопряжено со значительными трудностями. Природные радиоактивные
элементы очень тяжело добывать; почти все природные радиоактивные
элементы имеют большой период полураспада и плохо усваиваются в
организме. Поэтому ученые работали над образованием искусственных
радиоактивных изотопов.
В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открывают явление
искусственной радиоактивности: определенные вещества, например,
алюминий, подвергнутые облучению альфа частицами, превращаются в новые,
неизвестные в природе радиоактивные изотопы, которые сами становятся
источниками излучения:
27
Al13+2Hе430P15+1n0
30
P15+ + 30Si14
При бомбардировке -частицами атомов алюминия образуется
радиоактивный фосфор. Образованный фосфор - это искусственный
радиоактивный элемент, который распадается через +- распад до образования
стойкого изотопа кремния.
Открытие искусственной радиоактивности имеет большое значение и
дает возможность получать нестойкие изотопы всех без исключения элементов.
Радиоактивные изотопы получают с помощью ядерных реакций, которые
осуществляются искусственно в результате воздействия на необходимые
элементы нейтронного излучения или мощных потоков частичек с высокими
энергиями. На сегодня известно около 1700 искусственных радионуклидов,
получаемых при действии нейтронов на ядра стабильных элементов. Сравните
— естественных радиоактивных элементов всего около 300.
Особую роль при получении искусственных изотопов сыграли нейтроны.
Причина особой роли и возможностей нейтронов понятна: электрически
незаряженные частицы могут эффективнее проникать в положительно
заряженное ядро. При бомбардировке стабильного изотопа натрия 23Na11
нейтронами возникает радиоактивный изотоп натрия 24Na11, который
распадается с образованием стабильного изотопа магния:
23
Na11+1n0  24Na11+hv
(1)
24
24
Na11 + Mg12+hv
(2)
24
Натрий Na11 - β -радиоактивный изотоп с периодом полураспада 14,8 часа.
11
Физические характеристики некоторых искусственно радиоактивных ядер.
Элемент
С
13
N
21
Nа
27
Mg
28
Al
30
P
33
Сl
37
K
45
Са
52
Mn
56
Mn
53
Fе
11
T1/2
Emax, МэВ
20,3 мин
9,96 мин
23 сек
9,5 мин
2,3 мин
2,5 мин
2,5 сек
1,2 сек
163 сут
5,7 сут
2,6 час
8,6 мин
0,97
1,2
2,52
1,75
2,88
3,24
4,55
5,14
0,25
0,57
2,85
3,0
Образование искусственных изотопов есть преобразованием ядерного
типа. В процессе бомбардировки ядер любых элементов образуются ядра
новых элементов. Одни из них могут быть стойкими изотопами, тогда это
будет искусственное преобразование ядер (например:14N7+4Hе217O8+1H1),
а когда искусственно образованный изотоп не стойкий, то есть радиоактивный,
то говорят об искусственном образовании радиоактивных элементов
(например, образование радиоактивного фосфора или натрия).
Искусственные радиоактивные изотопы широко применяют в биологии
медицине, в методике меченых атомов или радиоактивных индикаторов для
изучения жизненных процессов в организмах человека, животных, растений или
диагностики заболеваний, без нарушения целостности организма.
Требования, предъявляемые к радионуклидам-индикаторам:
 Изотоп-индикатор по своим физическим и химическим свойствам
не должен отличаться от основного природного изотопа данного
элемента;
 Изотоп-индикатор не должен оказывать на исследуемую систему
иного действия, чем основной природный изотоп.
При введении изотопов-индикаторов в биологический объект возможно
возникновение изотопного и радиационного эффектов. Это связано с тем, что
изотопы одного элемента могут иметь разную массу (стабильные и
радиоактивные изотопы) и характер радиоактивности (только радионуклиды).
Изотопный эффект. Разные массы элементов-изотопов обуславливают
разные скорости диффузии и вступления атомов в реакцию, значения
скоростей обратно пропорционально массовому числу изотопа.
12
Например: водород имеет изотопы дейтерий Н (Д), тритий Н (Т),
массы которых в 2-3 раза отличаются от массы основного природного изотопа
водорода протия 1Н (П). При работе с ними изотопный эффект неизбежен.
Наглядный пример изотопного эффекта дает сопоставление свойств
обычной и «тяжелой» воды, где 1Н замещен на 2Н. «Тяжелая» вода плохой
растворитель, имеет параметры отличные от параметров обычной воды.
2
Н2О
Д2О
Точка кипения
100 С
101,4 С
3
Максимальна плотность
при +4 С
при + 11,6 С
Еще в большей мере изотопный эффект проявляется при сравнении изотопов
1
Н и 3Н.
Относительные различия массовых чисел у изотоп других элементов
гораздо меньше. Например: изотопы углерода 12С, 13С, 14С, отношение 14С, 12С
составляет всего 1,17. Изотопный эффект для них проявляется в том, что
водоросли с различной скоростью усваивают СО2 в зависимости от
относительного содержания 12С, 14С.
Для боле тяжелых элементов изотопный эффект в обычных условиях
опыта значения не имеет.
Радиационный
эффект
эффект
внутреннего
облучения
биологического объекта, которому введены радиоактивные метки.
Опасность радиационного эффекта усиливается при увеличении
количества радионуклида, вводимого в исследуемую систему. При
использовании радионуклидов в качестве индикаторов активность вводимого
радиоактивного вещества не должна превышать ту, которая необходима для
достоверного обнаружения изотопов.
При проведении эксперимента необходимо:
 Рассчитать нужное количество (активность) вводимого изотопа.
 Рассчитать дозу облучения, которую получит объект за счет
введенного радионуклида.
Основные направления использования радиоактивных меток.
1. Контроль за перемещением в пространстве.
 прослеживание миграций живых существ (насекомых);
 исследование путей и динамики распространения
болезнетворных микробов;
 изучение движения собственно клеток (эритроцитов);
 распределение газов, жидкостей и других веществ.
в
организме
За перемещением насекомых без применения радиоактивных меток следить
очень трудно, за перемещением клеток или молекул практически
невозможно.
13
2. Химические и некоторые структурные превращения.
 Наблюдение разрывов или образование связей, при которых исчезают
или возникают молекулы;
 Наблюдения потерь или присоединения групп атомов в сложных
молекулах;
 Изменение вторичной структуры полимеров.
3.
Процессы, протекающие в системах в положении равновесия или в
стационарном состоянии.
 Обновление компонентов живого организма: белков, жиров, углеводов,
органического фосфата, минеральных веществ.
 Движение веществ через биологическую мембрану при сохранении
постоянства градиентов и концентраций этих веществ по обе стороны
мембраны и др.
С помощью радиоизотопного метода получены все современные сведения о
проницаемости биологических мембран, о механизме биоэлектрогенеза, др.
важнейших процессах.
4. Статистические исследования.
 Использование изотопов-индикаторов для изучения элементарного и
молекулярного состава живых организмов.
 Определение с помощью метода изотопного разведения объема
биологических жидкостей без нарушения целостности живого организма.
 Определение скорости синтеза и обновления белковых молекул.
 Изучение строения активных центров ферментов.
Суть этого метода в том, что радиоактивный и нерадиоактивный изотопы
одинаково вступают в химические реакции и накапливаются одинаково в
определенных органах и тканях. Небольшое количество радиоактивного
изотопа вводят вместе со стабильным изотопом в пищу, в кровяное русло или в
брюшную полость и спустя некоторое время измеряют активность
определенных участков тела или органов. Накопление соответствующих
элементов в определенных органах характеризует их состояние, о чем
свидетельствует радиоактивность тканей этих органов.