Файл: Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация.pdf

ных ядер, времени и постоянной распада. Скорость рас­ пада пропорциональна общему количеству радиоактив­ ных атомов и может быть определена количеством отсче­ тов счетчика за единицу времени (скорость счета). Зная последнюю, можно говорить о количестве радиоактивных ядер и вообще о количестве вещества, которое содержало радиоактивные ядра. Такие рассуждения и лежат в осно­ ве количественных расчетов, применяемых при использо.-^ вании метода меченых атомов.

Общее количество распадов в единицу времени на-‘1 зывают абсолютной активностью и определяют в едини­ цах кюри. Определить абсолютную активность образца довольно трудно. Счетчик регистрирует лишь часть ча­ стиц, которые выделяются радиоактивным источником. В каждом эксперименте существует некоторая эффектив­ ность счета, она определяется числом, показывающим, ка­ кая часть распадов регистрируется счетчиком.

Коэффициент эффективности счета зависит прежде всего от геометрических факторов. Точечный источник, например, будет посылать частицы во все стороны окру­ жающего его пространства. Возможны различные вари­ анты опытов, источник может быть плоским или в виде проволоки, а счетчик — занимать разные положения по отношению к источнику. Имеются, например, счетчики, допускающие размещение радиоактивного источника внутри счетчика. В этом случае будут регистрироваться все частицы, выпускаемые источником.

На эффективность счета влияют и другие причины: мертвое время счетчика, поглощение излучения атмосфе­ рой и стенками счетчика и т. д. Перед проведением опы­ та по определению абсолютной активности коэффициент эффективности счета можно определить, пользуясь спе­ циальными формулами или экспериментально, с помо­ щью эталонного источника.

68

Не во всех случаях работы с мечеными атомами не­ обходимо знать абсолютную активность образца. Значи­ тельно чаще нужно просто сравнить активность двух или больше радиоактивных препаратов. В таких опытах определяют относительную активность, которая изме­ ряется количеством импульсов (показаний) счетчика в единицу времени (имп/сек, имп/мин и т. д.).

? Когда необходимо сравнить активность двух препаратов (допустим, что это — препараты одного и того же изотопа, в другом случае пришлось бы вносить поправки на разницу в схемах распада, эффективность счета и т. п.), то на одном и том же счетчике в одинаковых усло­ виях определяется скорость счета обоих препаратов. Она будет пропорциональна количеству изотопа в образце; поскольку условия определения скорости счета для обоих образцов одинаковые, то отношение скоростей в этих случаях покажет отношение количества радиоактивных ядер двух образцов.

Изменение относительной активности во времени под­ чиняется законам радиоактивного распада. Это следует иметь в виду при сравнении образцов, работа с которыми разделяется временем, равным периоду распада. Количе­ ство ядер за это время может существенно измениться за счет распада, и сравнение будет неверным. Скорость сче­ та должна быть отнесена к какому-то определенному мо­ менту времени. В дальнейшем мы рассмотрим примеры таких расчетов.

Определить абсолютную активность можно способом сравнения, если один из образцов является эталонным источником. Чаще активность относят к объему или к массе вещества. Активность всего вещества (всего объе­ ма) называют общей активностью, а если она отнесена к весу, объему или площади, то — удельной активностью. Об удельной активности изотопов речь уже шла выше.

69

На практике используется не чистый радиоактивный изотоп, а смесь изотопов радиоактивного и обыкновен­ ных, стабильных. В этом случае стабильное вещество на­ зывается носителем.

Меченые атомы помогают человеку

Определить объем межклеточной жидкости у живот­ ных, произвести экспресс-анализ сплава, определить ко­ личество усвоенного растением удобрения помогают ме­ ченые атомы. Каким образом радиоактивные атомы при­ меняются для решения таких различных заданий?

Рассмотрим так называемый метод изотопного раз­ бавления. В исследуемый объект (например, в организм животного) вводят вещество, которое имеет физико-хи­ мические свойства, близкие к свойствам того вещества, содержание которого необходимо определить. Это веще­ ство с определенной, известной нам активностью посте­ пенно смешивается с веществом, которое изучают. Через некоторое время берут пробу и определяют ее актив­ ность. Сравнивая активность вещества до введения в

объект и активность полученной пробы, можно подсчи­ тать количество вещества, которое исследуется.

Метод изотопного разбавления основан на том, что удельная активность образца пропорциональна количе­ ству радиоактивного вещества. Измеряя относительную активность образцов, можно судить о концентрации ак­ тивности, а значит, и о количестве исследуемого веще­ ства.

Рассмотрим конкретный пример. Необходимо опреде­ лить объем межклеточной жидкости у животного. Пос­

70

леднему вводят раствор поваренной соли — ЫаС1. В каче­ стве меченых используются атомы радиоактивного натрия, которые могут быть в составе молекул этой соли. Введенный в вену животного раствор соли, содержащий радиоактивный натрий, очень быстро распространяется по всему организму. Удельную активность раствора соли перед введением его в организм животного определяют с помощью счетчика.

Предположим, что была зафиксирована какая-то скорость счета. Раствор соли перемешался с межкле­ точной жидкостью. При этом общая активность введен­ ной в организм жидкости осталась неизменной, а объем изменится, изменится и удельная активность.

Возьмем шприцом какой-то объем крови животного и снова определим с помощью счетчика скорость счета (конечно, условия опыта в обоих случаях одинаковые). Активность образца во втором случае составляет неко­ торую долю активности первоначального образца. Это и позволяет определить объем межклеточной жидкости.

При планировании подобных экспериментов необхо­ димо заранее рассчитать активности, которые исполь­ зуются. Радиоактивная жидкость разбавляется, поэтому удельная активность и скорость счета уменьшаются. Начальная активность должна быть такой, чтобы после разбавления скорость счета по-прежнему не меньше чем вдвое превышала скорость счета фоновых частиц.

Таким же образом можно подсчитать количество ры­ бы в пруду (конечно, предполагается, что рыбу не вы­ лавливают и вода из пруда не выливается).

Определенное количество мальков погружают на не­ которое время в раствор, имеющий радиоактивный каль­ ций. Кальций сосредотачивается в костях и чешуе рыбы. Мальки становятся мечеными, и их выпускают в пруд. Допустим, что меченйх мальков было 1000 и все мальки

71

размещаются в пруду равномерно. Через какое-то вре­ мя проводят пробный улов рыбы и определяют количество

рыбы равно х, то, составив пропорцию, определим, что количество меченых рыб в пруду так относится ко всему количеству рыб в пруду, как количество выловленных меченых рыб относится к количеству всех выловленныхя

Еще один пример количественных расчетов по методу меченых атомов. В почву внесли в виде удобрения супер­ фосфат, меченный радиоактивным фосфором, в котором имеется 20% фосфорной кислоты Р20 5. Перед внесением суперфосфата в почву определили удельную активность его по радиоактивному фосфору (период полураспада 14,3 дня). Она равнялась 25 мккюри/г. Через 20 дней обнаружили, что растение, под которое было внесено удобрение, имеет общую радиоактивность 0,6 мккюри. Необходимо определить количество фосфорной кислоты, которая попала в растение за этот отрезок времени. Мы уже говорили, что при проведении опытов с мечеными атомами необходимо брать во внимание время проведе­ ния опыта с учетом периода полураспада радиоактивного изотопа. Итак, необходимо определить количество радио­ активного фосфора, распавшегося за это время.

По закону радиоактивного распада определим удель­ ную активность внесенного в почву суперфосфата. Через 20 дней после начала опыта она будет равна 5,8 мккюри. Отсюда можно определить, сколько грамм суперфосфата будет соответствовать после 20 дней хранения активно­ сти, равной 1 мккюри. Учтем, что в суперфосфате имеется лишь 20% фосфорной кислоты. Следовательно, актив­ ность 1 мккюри соответствует 0,173x0,20 = 0,0346 г —

72

= 34,6 мг фосфорной кислоты. Поскольку в растении была обнаружена общая активность 0,6 мккюри, то это значит, что растением усвоено 34,6X0,6 = 20,8 мг фосфор­ ной кислоты.

Использование радиоактивных изотопов в проведении разных экспресс-анализов имеет большую перспективу. Представим, что в мартеновской печи идет плавка. В чу­ гуне есть определенное количество фосфора, который при мартеновском переделе постепенно переходит в шлак. От количества оставшегося в чугуне фосфора зависит качество полученного после плавки металла. Чтобы сле­ дить за качеством плавки, необходимо определять со­ держание фосфора в металле.

Изготовленный для химического анализа образец нужно отправить в химическую лабораторию. Ответ бу­ дет лишь через несколько часов. Однако плавка не может ждать столько времени. Вот здесь и приходит на помощь анализ с помощью меченых атомов, который можно вы­ полнить за шесть-семь минут. В чугун вводят небольшое количество радиоактивного фосфора 15Р32, активность которого известна. Вместе с фосфором обыкновенным в шлак перейдет и фосфор радиоактивный. Беря время от времени пробы шлака и определяя их активность, можно легко подсчитать содержание фосфора в шлаке и судить о готовности плавки. Расчеты при этом почти не отли­ чаются от тех, которые мы привели при анализе количест­ ва усвоенной растением фосфорной кислоты. Начальная удельная активность известна, удельную активность проб шлака определяем. Отсюда, зная вес плавки, нетрудно вычислить процентное содержание фосфора.

При помощи радиоактивных изотопов можно обнару­ жить очень малые количества вещества. Такая особен­ ность метода меченых атомов используется, в частности, для определения очень малых парциальных давлений па-

ра металла. При любой температуре металлы имеют определенное давление пара, которое зависит от темпе­ ратуры. При температурах ниже 1000° С это давление чрезвычайно мало. Обычными методами определить та­ кие давления трудно, а знать их необходимо, ибо они ^ характеризуют поведение металлов в разных металлур- 1 гических процессах. Для определения давления пара к металлу примешивают один из радиоактивных изотопов^ этого металла и испаряют смесь при определенной темпер ратуре. Какое-то незначительное количество металла'! конденсируется на стенках сосуда, где происходит испа­ рение. Взвесить это количество невозможно, а опреде­ лить активность, даже очень слабую, можно. Зная актив­ ность вещества, которое испарилось, не трудно подсчи­ тать его количество, а затем и вычислить давление пара, который содержался в данном объеме.

Остановимся еще на некоторых примерах.

Дату происшествия, совершившегося лет десять то­ му, можно установить сравнительно легко. Труднее го­ ворить о событиях столетней давности. А когда речь идет о том, что произошло тысячи и миллионы лет назад?

Возраст земной коры, возраст геологических пород исчисляется миллионами и миллиардами лет. Для пла­ номерного и быстрого нахождения интересующих нас полезных ископаемых необходимо четко представлять процессы, при которых породы образовались, время, ког­ да эти процессы происходили.

Установить хронологию образования разных геологи­ ческих пород помогают радиоактивные атомы — своеоб­ разные геологические часы. Расскажем об одном из воз­ можных методов.

Основную массу естественного урана составляет его изотоп эгИ238. Этот изотоп радиоактивный. Испуская в процессе распада альфа-частицы, эгИ238 преобразуется в

74

торий эоТЬ234. Период полураспада урана огромен — 4,56 млрд, лет, этим объясняется то, что уран, образовав­ шийся очень давно, существует и в наши дни.

В процессе распада урана возникают радиоактивные ядра, которые в свою очередь распадаются. Возникает цепь распадов. После целого ряда преобразований про­ цесс прекращается—образуется стабильный изотоп свин-

. д а 82РЬ206. Таким образом, в урановых рудах за много

\миллионов лет накапливается свинец. Легко догадаться, что соотношение между количеством урана и свинца за­ висит от времени: чем больший период прошел с момента образования данной породы, тем больше будет свинца.

Скорость накопления свинца можно определить, ис­ пользуя закон радиоактивного распада. Например, из 1000 г природной смеси изотопов урана за 100 млн. лет образуется 13 г свинца. Зная количественное соотноше­ ние урана и свинца в исследуемой породе, можно опре­ делить время, которое прошло с момента ее образования.

Описанный метод не единственный. Абсолютный воз­ раст горных пород узнают, используя также гелевый, аргоновый и стронциевый методы. Суть их такая же, но цепи радиоактивных распадов иные. Так, в аргоновом методе применяется радиоактивность изотопа К40. Кали­ евые минералы очень распространены в земной коре, и вследствие этого аргоновый метод пригоден для опреде­ ления возраста почти всех геологических образований.

Остановимся на хронологии событий, отдаленных от нас не миллионами лет, а тысячелетиями. В этом нам поможет радиоактивный изотоп углерода С14 с перио­ дом полураспада 5720 лет. Наличие радиоактивного угле­ рода в атмосфере связано с космическими лучами. Изо­ топ С14 рождается при бомбардировании нейтронами ядер азота воздуха. После вторжения с огромными ско­ ростями в атмосферу Земли космические лучи, вслед­

75