Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

§ 4. ХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Излучения, проходя через вещества, производя ионизацию и возбуждение атомов и молекул, могут вызывать в них различ­ ные химические реакции.

Изучением химических реакций, происходящих в веществах под действием излучений, занимается специальная наука радиа­ ционная химия. Радиационнохимические процессы в живых организмах являются первоначальной причиной биологического действия излучений, изучением которого занимается радиобио­ логия.

Вещества, в которых происходят радиационнохимические процессы, можно использовать для детектирования излучений. Радиационнохимический эффект зависит от количества погло­ щенной энергии излучения. Следовательно, радиационнохимиче­ ские детекторы можно использовать в качестве интегральных детекторов, регистрирующих потоки энергии излучения. Мерой потока энергии излучения служит количество продукта (или продуктов) радиационнохимической реакции. В ряде случаев в результате радиационнохимических изменений среды изме­ няются некоторые физические свойства вещества (электропро­ водность, окраска, прозрачность и т. д.). В таких случаях мерой потока излучения служит изменение указанных физических свойств вещества.

Химическими детекторами могут быть газообразные, жидкие и твердые вещества. Например, в качестве реактива в газовом детекторе используется закись азота N2O. Под действием излу­ чения в качестве продуктов реакции образуются молекулярные азот, кислород и двуокись азота. При введении в закись азота двуокиси бора, лития и урана можно измерить поток нейтронов (ядерные реакции на нейтронах).

Для получения жидкостных детекторов используют органи­ ческие и неорганические растворы и их смеси. Например, в вод­ ных растворах органических веществ (индол, хлороформ, треххлорэтилен) происходят радиационнохимические процессы, в результате которых изменяются pH раствора, оптическая про­ зрачность, цвет.

В качестве примера твердых химических детекторов можно привести поливинилхлоридные пленки, в состав которых вводят краситель. Под действием излучения происходит разложение поливинилхлорида и выделяется соляная кислота, которая, дей­ ствуя на краситель, изменяет окраску пленки.

Фотографическое действие излучения. Разновидностью ра­ диационнохимического действия излучения является его фото­ графическое действие на фоточувствительные эмульсии, которые представляют собой смесь кристаллов галоидов серебра, жела­ тины и глицерина. С помощью фотографического метода было впервые открыто явление радиоактивности.

64

Фотоэмульсии наносят тонким слоем на бумагу, стеклянные пластинки и пленки (в некоторых случаях изготовляют и тол­ стые слои). При прохождении через фотоэмульсию излучения в результате ионизации высвобождаются электроны, которые захватываются ионами серебра, вследствие чего происходит восстановление серебра. Таким образом, под действием излу­ чений в фотоэмульсии происходит радиационнохимическая реак­ ция восстановления серебра. Заряженная частица, производя ионизацию по направлению своего распространения, оставляет в фотоэмульсии цепочку восстановленных атомов серебра. Сово­ купность восстановленных атомов серебра в фотоэмульсии и составляет так называемое скрытое изображение. Число атомов серебра в скрытом изображении не так велико, чтобы можно было визуально наблюдать почернение фотоэмульсии. Лишь при больших потоках прошедших частиц это почернение стано­

явления фотоэмульсии.

При обработке фотоэмульсии химическим реактивом — про­ явителем— атомы восстановленного в скрытом изображении серебра становятся центрами лавинообразного процесса восста­ новления всего серебра, содержащегося в данном кристаллике. Таким образом, при проявлении почернеют все кристаллики, через которые прошла частица излучения и вызвала образо­ вание восстановленных атомов серебра скрытого изображения. Галоидное серебро, которое не прореагировало в первичном радиационнохимическом процессе, затем удаляется из слоя фо­ тоэмульсии путем растворения в растворе гипосульфита — фик­ сирование или закрепление..

Фотографический метод используют для регистрации инте­ гральных потоков излучения. В этом случае мерой потока прошедшего излучения является степень почернения фотоэмуль­ сии после ее проявления и фиксирования. Степень почернения определяют фотометрическими методами.

Заряженные частицы оставляют в фотоэмульсии следы в виде цепочек проявленных зерен. Таким образом, слои фото­ эмульсии можно использовать для исследования свойств заря­ женных частиц. Такие методы широко используются, например,

вфизике элементарных частиц, физике космических излучений

ит. п. Многие элементарные частицы были открыты по их сле­

дам (трекам), которые они оставляли в слоях фотоэмульсии. В биологических исследованиях фотографический метод ре­ гистрации излучений также получил широкое применение. На­ пример, топографическое распределение меченных радиоактив­ ными изотопами элементов в живых организмах (в клетках, тканях, растениях) можно изучать с помощью так называемого

авторадиографического метода. Объект, содержащий радиоак­ тивный изотоп, помещают на поверхность фотографической

Камера Вильсона. Это один из старейших приборов, позво­ ляющих визуально наблюдать следы (треки) заряженных частиц. Схема камеры Вильсона показана на рис. 2.9. Принцип работы камеры основан на способности ионов быть центрами конден­ сации паров жидкости. Камера представляет собой плоский цилиндр с поршнем. Сверху камера закрывается стеклом. Воз­ дух в камере тщательно очищается от пыли (пылинки могут стать центрами конденсации пара). Камера наполняется на-

Рис. 2.9. Схема камеры Вильсона:

/ — цилиндр; 2 — поршень; 3 — прозрачное стекло; 4 — капля жидкости (воды) для насыщения камеры парами; 5 — иони­ зирующая частица, оставляющая след.

сыщенным паром (вода, спирт). При резком опускании поршня происходит адиабатическое расширение газа в камере, и газ охлаждается. Насыщенный пар при этом переходит в пере­ сыщенный. Если в этот момент в камеру проникает заряженная ионизирующая частица, то на пути ее движения образуются ионы, которые служат центрами конденсации пара. Так появ­ ляется в камере след частицы, который можно наблюдать визуально и фотографировать.

Пересыщенное состояние пара в камере сохраняется не бо­ лее 1—2 сек, после чего камера становится не пригодной для регистрации треков частиц до тех пор, пока не будет осущеществлен очередной цикл адиабатического расширения газа.

Диффузионная камера. В этой камере состояние пересыщен­ ного пара возникает в градиентном температурном поле, созда­ ваемом двумя поверхностями с разными температурами. Схема диффузионной камеры показана на рис. 2.10. Чувствительный слой пересыщенного пара (спирта) толщиной в несколько санти­ метров сохраняется неограниченное время, что создает опреде­ ленные преимущества диффузионной камеры по сравнению с камерой Вильсона.'

3* 67

Г л а в а 3

хи м и я ИЗОТОПОВ, РАДИОХИМИЯ И РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ

§ 1. ОСНОВЫ х и м и и и з о т о п о в

Химия изотопов занимается изучением физико-химических свойств и поведения изотопов химических элементов. Эта дис­ циплина имеет важное значение для понимания сущности про­ цессов, которые изучаются в биологии и сельском хозяйстве с применением изотопных методов.

Рассмотрим основные понятия химии изотопов и явления, которые она изучает. В химии изотопов атомы изотопов дан­ ного химического элемента называются изотопными. У водорода, например, могут быть изотопные атомы протия JН, дейтерия jH

и трития fH. Углерод может быть представлен изотопными

Число разновидностей изотопных атомов, естественно, совпа­ дает с числом изотопов данного химического элемента. Изотоп­ ные атомы, входя в состав молекул, образуют разновидности молекул, различающиеся изотопным составом. Такие молекулы называются изотопными. Изотопные разновидности атомов и молекул по совокупности называют изотопными формами. Уже у двухатомных молекул число изотопных форм (изотопных мо­ лекул) больше числа изотопных форм атомов химического эле­ мента (изотопных атомов). Число изотопных форм быстро увеличивается с усложнением химического состава молекул

(табл. 3.1).

Изотопные молекулы могут различаться и расположением изотопов в химической структуре молекул. В связи с этим в сложных молекулах могут существовать изотопные изомеры молекул. Например, общее число изотопно-изомерных форм глицериновой кислоты, включающей изотопы водорода, угле­ рода и кислорода, достигает нескольких сот, даже если не учи­ тывать скрытую изотопную оптическую изомерию.

Изотопный обмен. В результате молекулярно-теплового дви­ жения, атомно-молекулярных взаимодействий и внутримолеку­ лярных движений в природе непрестанно происходят процессы обменного обновления атомно-молекулярного состава среды.

69

При этом такие процессы не сопровождаются какими-либо изме­ нениями химического состава или химических свойств среды. Если в составе среды все химические элементы или некоторые из них представлены несколькими изотопами, то этот процесс обновления атомно-молекулярного состава среды протекает с участием изотопных атомов.

Существование таких обменных процессов предсказывалось давно. Д. И. Менделеев еще в 1886 г. писал: «Если даны частицы АВ и АВ, то А из первой может переходить во вторую частицу и обратно». И далее: «...в состоянии химической неиз­ меняемости уже существует обмен между однородными атомами однородных частиц в таком же почти виде, как между разно­ родными атомами разнородных частиц». Однако эксперимен­ тально обнаружить эти процессы удалось лишь после открытия изотопии химических элементов.

Уже в ранних исследованиях естественных радиоактивных элементов был обнаружен медленный обмен ионов решетки природных минералов с изотопными ионами элементов, нахо­ дящихся в водных растворах. Этот эффект, обнаруженный впер­ вые Панетом был назван позднее изотопным обменом.

70