застосування ізотопів
Ізотопи, особливо радіоактивні, мають численні застосування. У табл. 1.13 вказані окремі приклади деяких промислових застосувань ізотопів. Кожна методика, яка згадується в цій таблиці, використовується також і в інших галузях промисловості. Наприклад, методика визначення витоку речовини за допомогою радіоізотопів використовується: у виробництві напоїв-для визначення витоку з накопичувальних баків і трубопроводів; в будівництві інженерних споруд -для
Таблиця 1.13. Деякі застосування радіоізотопів
Стерилізований слабким джерелом радіоактивного випромінювання самець мухи цеце маркується для подальшого виявлення (Буркіна-Фасо). Ця процедура є частиною експерименту, проведеного для вивчення мухи цеце і встановлення ефективних заходів контролю, що перешкоджають широкому поширенню трипаносомоза (сонної хвороби). Муха цеце є переносником цього захворювання і заражає їм людей, домашніх тварин і дикий худобу. Сонна хвороба надзвичайно поширена в деяких частинах Африки.
визначення витоку з підземних водоводів; в енергетичній промисловості-для визначення витоку з теплообмінників на електростанціях; в нафтовій промисловості-для визначення витоку з підземних нафтопроводів; в службі контролю стічних і каналізаційних вод-для визначення витоку з магістральних колекторів.
Ізотопи також широко використовуються в наукових дослідженнях. Зокрема, вони використовуються для визначення механізмів хімічних реакцій. Як приклад вкажемо використання води, міченої стійким ізотопом кисню 18O, для вивчення гідролізу складних ефірів, подібних етилацетат (див. Також розд. 19.3). З використанням мас-спектрометрії для виявлення ізотопу 18O було встановлено, що при гідролізі атом кисню з молекули води переходить в оцтову кислоту, а не в етанол
Радіоізотопи широко використовуються в ролі мічених атомів в біологічних дослідженнях. Для того щоб простежувати метаболічні шляхи * в живих системах, використовують радіоізотопи вуглець-14, тритій, фосфор-32 і сірка-35. Наприклад, засвоєння фосфору рослинами з обробленої добривами грунту можна простежити, користуючись добривами, які містять домішки фосфору-32.
Радіаційна терапія. Іонізуюче випромінювання здатне руйнувати живі тканини. Тканини злоякісних пухлин більш чутливі до опромінення, ніж здорові тканини. Це дозволяє лікувати ракові захворювання за допомогою у-променів, що випускаються з джерела, в якості якого використовується радіоактивний ізотоп кобальт-60. Випромінювання направляють на уражену пухлиною ділянку тіла хворого; сеанс лікування триває кілька хвилин і повторюється щодня протягом 2-6 тижнів. Під час сеансу всі інші частини тіла хворого повинні бути ретельно закриті непроникним для випромінювання матеріалом, щоб запобігти руйнуванню здорових тканин.
Визначення віку зразків за допомогою радіовуглецю. Невелика частина того діоксиду вуглецю, який знаходиться в атмосфері, містить радіоактивний ізотоп 'бС. Рослини поглинають цей ізотоп в процесі фотосинтезу. Тому тканини всіх
* Метаболізм-це сукупність всіх хімічних реакцій, що протікають в клітинах живих організмів. В результаті метаболічних реакцій відбувається перетворення поживних речовин в корисну енергію або в складові частини клітин. Метаболічні реакції звичайно протікають в кілька простих етапів -стадія. Послідовність всіх стадій метаболічної реакції називається метаболічним шляхом (механізмом).
Радіоізотопи використовуються для спостереження за механізмами осадження наносів в гирлах річок, портах і доках.
Використання радіоізотопів для отримання фотографічного зображення камери згоряння реактивного двигуна в Центрі неповреждающіх випробувань лондонського аеропорту Хітроу. (На плакатах написи: Радіація. Чи не підходити.) Радіоізотопи широко використовуються в промисловості для проведення неповреждающіх випробувань.
Живі тканини володіють постійним рівнем радіоактивності, тому що його спадання через радіоактивного розпаду компенсується постійним надходженням радіовуглецю з атмосфери. Однак, як тільки настає смерть рослини або тварини, припиняється надходження радіовуглецю в його тканини. Це призводить до поступового зниження рівня радіоактивності мертвих тканин.
Метод радіовуглецевого датування дозволив встановити, що зразки деревного вугілля з Стоунхенджа мають вік близько 4000 років.
Радіовуглецевий метод геохронології розробив в 1946 р У.Ф. Ліббі, який отримав за нього Нобелівську премію з хімії в 1960 р Цей метод широко використовується в даний час археологами, антропологами і геологами для датування зразків, що мають вік аж до 35000 років. Точність цього методу-приблизно 300 років. Найкращі результати виходять при визначенні віку вовни, насіння, черепашок і кісток. Для визначення віку зразка вимірюють активність р-випромінювання (число розпадів за хвилину) в розрахунку на 1 г міститься в ньому вуглецю. Це дозволяє встановити вік зразка за допомогою кривої радіоактивного розпаду для ізотопу 14С.
Який вік мають Земля і Місяць?
Метод датування по калію і аргону. Такі мінерали, як слюда і деякі різновиди польового шпату, містять невелику кількість радіонукліда калій-40. Він розпадається, зазнаючи електронний захоплення і перетворюючись в аргон-40:
Вік зразка визначається на основі обчислень, в яких використовуються дані про відносне вміст у зразку калію-40 в порівнянні з арго-ном-40.
Метол датування по рубідій і стронцію. Деякі з найбільш древніх гірських порід на Землі, наприклад граніти з західного узбережжя Гренландії, містять рубідій. Приблизно третина всіх атомів рубідію доводиться на частку радіоактивного рубідію-87. Цей радіоізотоп розпадається, перетворюючись на стійкий ізотоп стронцій-87. Обчислення, засновані на використанні даних про відносне вміст у зразках ізотопів рубідію та стронцію, дозволяють встановлювати вік таких гірських порід.
Всі три описаних методу використовувалися для датування земних гірських порід. Отримані в результаті дані вказують, що вік Землі дорівнює 4,6-109 років. Зазначені методи використовувалися також для визначення віку місячних гірських порід, доставлених на Землю з космічних експедицій. Вік цих порід становить від 3,2 до 4,2 * 10 9 років.
ядерне розподіл і ядерний синтез
Ми вже згадували, що експериментальні значення ізотопних мас виявляються менше значень, обчислених як сума мас всіх вхідних в ядро елементарних частинок. Різниця між обчисленим і експериментальним значенням атомної маси називається дефект маси. Дефект маси відповідає енергії, необхідної для подолання сил відштовхування між частинками з однаковим зарядом в атомному ядрі і зв'язування їх в єдине ядро; з цієї причини вона називається енергія зв'язку. Енергію зв'язку можна обчислити через дефект маси за допомогою рівняння Ейнштейна
де E-енергія, m-маса і з-швидкість світла.
Енергію зв'язку прийнято виражати в мегаелектронвольт (1 МеВ = 106 еВ) на одну суб'ядерними частку (нуклон). Електронвольт-це енергія, яку набуває або втрачає частка з одиничним елементарним зарядом (рівним по абсолютній величині заряду електрона), яка переміщується між точками з різницею електричного потенціалу в 1 В (1 МеВ = 9,6 * 10 10 Дж / моль).
Наприклад, енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, в ядрі гелію приблизно дорівнює 7 МеВ, а в ядрі хлору-35 вона становить 8,5 МеВ.
Чим більше енергія зв'язку на один нуклон, тим більше стійкість ядра. На рис. 1.33 показана залежність енергії зв'язку від масового числа елементів. Слід звернути увагу на те, що найбільшою стійкістю володіють елементи з масовим числом, близьким до 60. До таких елементів відносяться 56Fe, 59Co, 59Ni і 64Cu. Елементи з більш низькими масовими числами можуть, принаймні з теоретичної точки зору, підвищувати свою стійкість в результаті збільшення їх масового числа. На практиці, однак, представляється можливим збільшувати масові числа тільки найбільш легких елементів, таких, як водень. (Гелій володіє аномально високою стійкістю; енергія зв'язку нуклонів в ядрі гелію не вкладається на криву, зображену на рис. 1.33.) Масове число таких елементів збільшується в процесі, званому ядерним синтезом (див. Нижче).
Мал. 1.33. Залежність енергії зв'язку від масового числа елемента.
Елементи з великими масовими числами стають більш стійкими в результаті зменшення їх масового числа, коли вони перетворюються в більш легкі елементи. Це відбувається в процесі розщеплення ядер, який називається ядерним діленням (див. Нижче).