Методика применения «меченых» атомов

04.09.2012

До недавнего прошлого считали, что атомный вес элемента является основной, однозначной характеристикой, определяющей место элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и тем самым определяющей химические и физические свойства его. Но оказалось, что атомы одного и того же элемента с присущими им химическими свойствами могут иметь разную массу. Например, известен в настоящее время кальций, имеющий массовые числа 39, 40, 42 и др.; известен фосфор с массовыми числами 29, 30, 31 и др. Несмотря на это, все химические свойства, например у атомов кальция с массовыми числами от 39 до 49, совершенно одинаковы, в связи с чем все атомы этого элемента должны быть отнесены к одному и тому же месту в таблице элементов Д. И. Менделеева. Чтобы отличить их друг от друга, им дали название изотопов элемента. Слово изотоп греческое, оно слагается из двух слов: isos - одинаковый, ровный, подобный, и topos - место. Таким образом, кальций имеет до 10 изотопов с атомными весами 39, 40, 42, . . , 49; фосфор - 5 изотопов; известны элементы, например йод, имеющие 15 изотопов, и т. д. В настоящее время доказано, что все элементы имеют изотопы.
Возникает вопрос, что является однозначной характеристикой элемента, что общего у всех его изотопов? Оказывается, что такой однозначной характеристикой элемента является заряд ядра его атома. Ядро атомов элементов слагается из двух видов элементарных частиц: электрически нейтральных нейтронов, которые обозначают обычно символом n, и частиц, несущих один положительный заряд, - протонов, имеющих символ р (или Н'). Массы нейтрона и протона равны между собой. Массовое число каждого изотопа элемента равно общему числу нейтронов и протонов, содержащихся в ядре его атомов. Так, ядро атомов изотопа кальция, имеющего массовое число 39, содержит общее число нейтронов и протонов, равное 39; для изотопа кальция с массовым числом 40 число нейтронов и протонов составит 40 и т. д. Но для всех изотопов кальция, т. е. для элемента кальция вообще, характерно, что в ядрах их содержится одинаковое количество заряженных частиц, именно 20, которые определяют и общий заряд ядра, и строение всей электронной оболочки атомов. Точно так же для всех изотопов фосфора, имеющих разные массовые числа, характерно одинаковое содержание в ядрах числа протонов, именно 15, и т. д.
Таким образом, основными характеристиками элементов следует считать: 1) число протонов, или, что то же, общий заряд ядра, т. е. число, получившее название порядкового номера элемента, так как в порядке этих чисел элементы располагаются в таблице Д.И. Менделеева; 2) массовое число элементов, которое у различных изотопов элемента может быть различным.
При символическом изображении элементов принято указывать oбе эти характеристики, причем массовое число обычно указывают вправо и вверху у символа элемента, а порядковый номер (заряд ядра, число содержащихся в ядре протонов) - внизу и слева. Например, 15Р30; 15Р31; 15Р32 - изображают три изотопа фосфора с характерным для него числом протонов - 15 и с массовыми числами - 30, 31, 32. Соответственно: 20Са39; 20Са40; 20Са42 - три изотопа кальция, и т. д. Символами элементарных частиц нейтрона и протона, очевидно, будут 0n1, 1p1 (или Н1), которые указывают, что массовые числа обеих частиц равны единице (значок справа), а заряд ядра нейтрона равен нулю и протона - единице (значок слева).
Стабильные и радиоактивные изотопы. Стабильными изотопами называют те, в ядрах атомов которых никаких превращений не происходит и структура ядер которых остается стабильной,, постоянной. К стабильным изотопам относится большинство природных изотопов, с которыми приходится иметь дело в обычных условиях. Сюда относятся, например, 1H1; 15P31; 7N14; 6С12 и др. Радиоактивные изотопы в большинстве случаев получают искусственно, при бомбадировке стабильных изотопов мощными потоками нейтронов, протонов, осуществляемой на специальных установках: циклотронах, линейных ускорителях, бетатронах и др. Ядра радиоактивных изотопов неустойчивы, и в них самопроизвольно происходит ядерная реакция превращения (распада), приводящая чаще всего к изменению заряда и, следовательно, к превращению самого элемента в другой, близкий по расположению в таблице Д. И. Менделеева. Для примера приводим самопроизвольную реакцию распада изотопа натрия:

Происходит ядерная реакция, при которой один из нейтронов ядра превращается в протон с выделением отрицательно заряженной частицы β. При такой реакции массовое число, равное 24, не меняется, а положительный заряд ядра увеличивается на единицу. Это приводит к полному изменению химических свойств изотопа натрия, т. е. к превращению его в магний.
Таким образом, внешним признаком, отличающим стабильные и радиоактивные изотопы, является наличие (у радиоактивных) или отсутствие (у стабильных изотопов) радиоактивного излучения.
Каждый элемент может иметь стабильные и радиоактивные изотопы. Например, известны изотопы:

При агрохимических исследованиях в качестве метки могут быть использованы как стабильные, так и радиоактивные изотопы. Методы определения их резко различны: стабильные изотопы определяют по разности их атомных весов на специальных, сложных и дорогих, недоступных для массовых лабораторий установках, называемых масс-спектрографами; радиоактивные изотопы определяют по характеру и интенсивности их излучения на особых счетчиках, на более простых, более доступных для массовых лабораторий установках. Ниже в статье излагаются методы работы только с радиоактивными изотопами; лиц, интересующихся методикой работы со стабильными изотопами, отсылаем к специальным руководствам.
Радиоактивное излучение. Как известно, радий при своем радиоактивном распаде дает лучи трех видов: 1) α-лучи - поток сравнительно крупных частиц, представляющих собой ядра атомов гелия с массовым числом 4 - 2Не4, легко поглощаемых слоем воздуха в 1- 2 см; 2) β-лучи - поток электронов или, как их называют, β-частиц с массой в 1845 раз меньше массы протонов, поглощаемых слоем воздуха в 0,5- 2 м, и 3) γ-лучи - электромагнитное излучение типа рентгеновских лучей с очень большой проницаемостью в зависимости от так называемой жесткости их; очень «жесткие» γ-лучи не задерживаются заметно даже слоем свинца в 1-2 см.
При самопроизвольном распаде радиоактивных изотопов, применяемых при агрохимических исследованиях, могут образоваться все эти три вида излучений. Реже всего может быть обнаружено α-излучение, его можно наблюдать, например, при распаде лития и бериллия. Некоторые радиоактивные изотопы при самопроизвольном распаде испускают положительные электроны, так называемые позитроны - β+, с очень небольшой длиной пробега, например: 6С10; 6С11; 7N12; 7N13 и пр. Чаще встречаются случаи, когда при самопроизвольном распаде ядер радиоактивных изотопов происходит испускание отрицательных электронов - β, излучение, наиболее удобное для учета при работе с «мечеными» атомами. Нередко при самопроизвольном распаде изотопов наряду с β-излучением наблюдается γ-излучеиие. Кроме указанных, можно иногда наблюдать и другие типы радиоактивного распада. Ниже мы остановимся на технике измерения только β-излучений, как излучений, чаще всего наблюдаемых при самораспаде изотопов, применяемых при агрохимических исследованиях. Описание других типов проявления радиоактивности можно найти в специальных руководствах.
Каждая β-частица, испускаемая каким-нибудь радиоактивным изотопом, обладает своей энергией движения, так что в потоке электронов, испускаемых изотопом, можно наблюдать электроны, обладающие различной энергией. Но оказывается, что для каждого изотопа энергия испускаемых им электронов не может превышать некоторой, характерной для этого изотопа величины. Эта максимальная энергия является, таким образом, определенным характерным признаком каждого радиоактивного изотопа. В качестве примера укажем, что наибольшая энергия β-частиц (электронов), испускаемых при своем распаде 15Р32, составляет 1,7 Мэв, для изотопа 20Са45 - 0,24 Мэв, для 6С14 - 0,85 Мэв, для трития 13Т - около 0,01 Мэв. Лучи с большой энергией, например для 15Р32, называют жесткими, с малой энергией, например для 20Са45, 6С14 - мягкими.
Электроны (β-частицы), проходя через какое-нибудь вещество, встречаются с атомами последнего, ионизируют их и вследствие этого постепенно теряют свою энергию. При достаточной толщине слоя вещества все β-излучение может быть поглощено им полностью. Очевидно, что чем больше энергия излучения, тем толще слой вещества должен быть взят для полного поглощения излучения. Проницаемость различных веществ для β-излучений различна и зависит от плотности вещества. Например, плотность алюминия равна 2,6; плотность свинца примерно в в 4,4 раза больше: 11,4. Следовательно, поглощение β-частиц пластинами этих металлов будет одинаковым, если толщина свинцовой пластинки будет в 4,4 раза меньше, чем алюминиевой. Проницаемость (или пробег) для β-излучений различных веществ измеряют количеством миллиграммов вещества на 1 см2. При таком способе количественного определения проницаемости эта величина будет характерной для излучения каждого изотопа независимо от того, какое вещество задерживает излучения. Например, максимальный пробег β-частиц 6С14 составляет 25 мг/см2, слой половинного поглощения - 2,6 мг/см2, независимо от того, будет это свинец или алюминий, или воздух и пр. Для излучений изотопа 16S35 слой половинного поглощения составляет 3 мг/см2, слой максимального пробега - 17 мг/см2 и т. д. Для вычисления толщины слоя вещества в сантиметрах следует величины проницаемости разделить на плотность данного вещества, выраженную в миллиграммах на 1 см3. Например, плотность воздуха равна 1,3 мг/см3, тогда толщина слоя воздуха, задерживающая на 50% излучение 6С14, составит: 2,6 : 1,3 = 2 см, то же для 16S35 - 3 : 1,3 = 2,3 см, то же для 15 Р32 - около 0,6 м и т. д.