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

§ 2. МЕТОД МЕЧЕНЫХ АТОМОВ

Изотопные эффекты — термодинамические и кинетические для изотопов легких элементов, за исключением водорода, а тем более средних и тяжелых элементов'— имеют порядок несколь­ ких процентов или меньше. Как правило, они лежат в поеделах

бием. Это значит, что во всех физико-химических процессах пе­ реноса (в молекулярно-кинетических явлениях, в химических процессах) их поведение во многом схоже.

На близком подобии свойств изотопов основан метод изо­ топных индикаторов, или метод меченых атомов — один из ос­ новных методов использования изотопов в биологии и сельском хозяйстве.

Малораспространенные стабильные и радиоактивные изото­ пы можно использовать в качестве меток (индикаторов) для получения меченых химических элементов, соединений, макро­ тел-— газов, жидкостей, твердых частиц и даже живых орга­ низмов.

Поясним одно из основных понятий метода меченых атомов — немеченый и меченый элементы.

Немеченым элементом называется химический элемент с его природным, естественным изотопным составом. Меченым назы­ вается химический элемент с искусственно измененным изотоп­ ным составом. Именно различие в изотопном составе-— отличи­ тельный (индикаторный) признак немеченого и меченого хими­ ческих элементов.

Задавая, фиксируя определенный изотопный состав меченого элемента, мы можем затем следить за его судьбой, пространст­ венным и химическим переносом в различных системах.

Меченые элементы можно получить: 1) повышением в дан­ ном элементе относительного содержания малораспространен­ ного стабильного изотопа, 2) введением в состав данного хими­ ческого элемента несуществовавшего до этого в нем радиоак­ тивного изотопа. Таким образом, малораспространенные стабильные и радиоактивные изотопы могут выполнять роль изотопов-индикаторов. В соответствии с этим различают ста­ бильные и радиоактивные изотопные индикаторы. Например,

можно получить меченый азот, повышая относительное содержа­ ние (по сравнению с природным) малораспространенного изо­ топа азота 15N. В этом случае 15N выполняет роль стабильного изотопного индикатора азота. Добавляя к стабильному природ­ ному фосфору 31Р радиоактивный изотоп фосфора 32Р, мы тем самым изменяем изотопный состав химического элемента — фос­ фора и таким образом получаем меченый фосфор.

80

В соответствии с двумя методами изотопной индикации су­ ществуют две разновидности метода меченых атомов: метод ста­ бильных изотопов-индикаторов и метод радиоактивных индика­ торов. Различие между ними не принципиальное, а чисто техни­ ческое: используется различная техника регистрации и количе­ ственного определения содержания изотопа-индикатора (метки).

Содержание стабильных изотопов-индикаторов определяют при помощи масс-спектрографов, а содержание радиоактивных индикаторов — при помощи радиометрических приборов, регист­ рирующих излучение изотопа-индикатора.

Если изотоп-индикатор в меченом элементе содержится в от­ носительно небольшом количестве (или микроколичестве), то остальная часть массы меченого элемента называется носителем данного изотопа-индикатора. Так, в меченом азоте носителем яв­ ляется азот 14N, а в меченом фосфоре — стабильный фосфор 31Р.

Иногда приготовляют меченые элементы без носителя (в этом

ческих элементов в группах щелочных и щелочно-земельных ме­ таллов, галогенидов, лантаноидов и актиноидов. Поэтому в некоторых случаях для получения меченых элементов в каче­ стве индикаторов используют изотопы других элементов с близ­ кими химическими свойствами. Например, для получения мече­ ного калия в качестве метки иногда применяют радиоактивный изотоп 86Rb, поскольку рубидий являётся химическим аналогом калия. Такие изотопы-индикаторы называют неизотопными ин­ дикаторами. Соответственно химический элемент, который ме­ тится неизотопным индикатором, называется неизотопным носи­ телем.

Если меченый элемент введен в состав какого-либо химиче­ ского соединения, то такое соединение называется меченым. С помощью одного и того же изотопа-индикатора можно полу­ чить разнообразные меченые соединения одного и того же хими­ ческого соединения в зависимости от того, в какое структурное место включается метка. Так, меченый углерод (метка 14С) мож­ но ввести в различные положения углеродных цепочек органи­

(звездочкой обозначен меченый углерод).

81

Мы уже отмечали, что с помощью изотопов можно метить не только химические элементы и их соединения, но и газы, жидко­ сти, твердые частицы. Если в состав газа, жидкости или твер­ дых тел и частиц ввести изотоп-индикатор, то, контролируя его, можно проследить механический перенос газа, жидкости и твер­ дых тел и частиц в различных системах. Меченые макросреды используют обычно в тех случаях, когда другими методами не­ возможно или трудно проследить за их переносом (перенос воды, солей в почвах, движение илистых частиц в каналах, дви­ жение газов и жидкостей в скрытых трубопроводах и т. д.).

В биологии и сельском хозяйстве широко применяют метод радиоактивной индикации микроорганизмов, насекомых, живот­

При использовании изотопных индикаторов, как правило, изотопными эффектами пренебрегают (за исключением случаев, когда используются изотопы водорода), условно предполагая полную тождественность поведения изотопных атомов. При бо­ лее точных оценках в измерения вводят соответствующие по­ правки на изотопные эффекты. Однако в большинстве случаев

изотопные эффекты лежат в пределах погрешности измерений и ими практически можно пренебречь.

Рассмотрим теперь количественную сторону методов изотоп­ ной индикации с применением стабильных и радиоактивных изотопов. Вводя меченый элемент в систему, содержащую тот же, но немеченый элемент, можно раздельно учитывать массу немеченого и меченого элементов в этой системе. Такая задача решается только с помощью метода меченых атомов.

Стабильные изотопные индикаторы. Пусть в изучаемую си­ стему (растение, почву, животное и т. д.), содержащую немече­ ный элемент, введен меченый элемент и в пробе вещества, из­ влекаемого из системы, нужно определить раздельно массу немеченого и меченого элементов.

Введем следующие обозначения: m — общая масса немече­ ного и меченого элементов в пробе; пга— масса немеченого эле­ мента в пробе; ть — масса меченого элемента в пробе; N — об­ щее число атомов изотопов 1 и 2, входящих в состав элемента;

Для указанных величин можно написать следующие равен­ ства:

82

83

Для решения поставленной задачи из уже известных урав­ нений составим следующую систему уравнений:

обычно используют не слишком высокие атомные концентрации меченых элементов Л&.2, указанный множитель, как правило, близок к 1 и в пределах погрешности им можно пренебречь. Атомная концентрация немеченого элемента Ла>2— средняя, нор­ мальная атомная концентрация (или распространенность) изо­ топа 2 в природном элементе. Величина Ль,2—Ла, 2 и Л2—Аа,2 — избыток атомной концентрации над нормальной атомной кон­ центрацией немеченого элемента. Величина бь,2 = А ь ,2 —Л0, 2—

84