Получение радиоактивных изотопов и их применение

 

В атомной индустрии все возрастающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы.

​

Элементы, не существующие в природе

С помощью ядерных реакций можно получить радиоактив­ные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии. Элементы под номе­рами 43, 61, 85 и 87 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые были получены искусственно. Так, например, эле­мент с порядковым номером Z = 43, названный технецием, имеет самый долгоживущий изотоп с периодом полураспада около миллиона лет.

С помощью ядерных реакций получены также трансурано­вые элементы. О нептунии и плутонии вы уже знаете. Кроме них получены еще следующие элементы: америций (Z = 95), кюрий (Z = 96), берклий (Z = 97), калифорний (Z = 98), эйн­штейний (Z = 99), фермий (Z = 100), менделевий (Z = 101), но­белий (Z = 102), лоуренсий (Z = 103), резерфордий (Z = 104), дубний (Z = 105), сиборгий (Z = 106), борий (Z = 107), гассий (Z = 108), мейтнерий (Z = 109), а также элементы 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная со 104, впервые синтезированы либо в подмосковной Дубне, либо в Германии.

​

Меченые атомы

В настоящее время как в науке, так и в производстве все бо­лее широко начинают применяться радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение имеет метод меченых атомов. Метод основан на том, что хи­мические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов.

Обнаружить радиоактивные изотопы можно очень просто по их излучению. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакциях и физических превращениях веществ. Метод меченых атомов стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицины и т. д.

 

Радиоактивные изотопы — источники излучений

Радиоактивные изотопы широко применяются в науке, ме­дицине и технике как компактные источники излучений большой энергии. Главным образом используются радиоак­тивный кобальт и другие изотопы в качестве источников у-лучей.

Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышлен­ности.

​

Радиоактивные изотопы в биологии и медицине

Одним из наиболее выдающихся исследований, проведен­ных с помощью меченых атомов, явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно не­большое время организм подвергается почти полному обновле­нию. Слагающие его атомы заменяются новыми.

Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследо­ванию крови, является исключением из этого правила. Желе­зо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков.

При введении в пищу радиоактивных атомов железа бы­ло обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, желе­зо начинает усваиваться организмом.

Если не существует достаточно долгоживущих радиоактив­ных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа было установлено, что свобод­ный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа.

Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей.

Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количест­вах в кровь, используется для исследования кровообращения.

Иод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отло­жением радиоактивного иода, можно быстро поставить диаг­ноз. Большие дозы радиоактивного иода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому ра­диоактивный иод используют для лечения базедовой болезни.

Интенсивное у-излучение кобальта используется при лече­нии раковых заболеваний (кобальтовая пушка).

​

Радиоактивные изотопы в промышленности

Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двига­телях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейт­ронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радио­активным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактив­ности масла после определенного времени работы двигателя, находят износ кольца.

Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии ме­таллов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное у-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обна­ружения в них дефектов.

​

Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами у-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности.

Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появ­лению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселек­ция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорга­низмы, применяемые в производстве антибиотиков. Использу­ется у-излучение радиоактивных изотопов также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продук­тов.

Широкое применение получили меченые атомы в агротех­нике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобре­ний лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором . Исследуя затем расте­ния на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

​

Радиоактивные изотопы в археологии

Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (древесины, древес­ного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного угле­рода. В растениях всегда имеется (3-радиоактивный изотоп уг­лерода с периодом полураспада Т = 5700 лет. Он образует­ся в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядер- ных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые пос­тупают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединя­ясь с кислородом, этот углерод образует углекислый газ, по­глощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати (3-частиц в секунду).

После гибели организма пополнение его радиоактивным уг­леродом прекращается. Имеющееся же количество этого изо­топа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остат­ках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50 000 и даже до 100 000 лет. Таким методом узна­ют возраст египетских мумий, остатков доисторических кост­ров и т. д.

​

Биологическое действие радиоактивных излучений

Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже срав­нительно слабое излучение, которое при полном поглоще­нии повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, на­рушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный про­должать нормальную деятельность даже при малых поврежде­ниях отдельных его участков. Между тем даже слабые излуче­ния способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опас­ность излучений усугубляется тем, что они не вызывают ника­ких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм поражающего биологические объекты действия излучения еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучени­ям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. По­этому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее на­ступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность. В большинстве случаев это влияние является неблагоприят­ным.

Облучение живых организмов может оказывать и опреде­ленную пользу. Быстро размножающиеся клетки в злокачест­венных (раковых) опухолях более чувствительны к облуче­нию, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли у_лУчами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

 

 Доза излучения

Воздействие излучений на живые организмы характеризу­ется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения D назы­вается отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе т облучаемого вещества:

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в греях (сокращенно: Гр). Грей равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж: Естественный фон радиации (космические лучи, радиоак­тивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2 • 10-3 Гр на человека. Междуна­родная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3—10 Гр, полученная за корот­кое время, смертельна.

На практике широко используется другая единица дозы излучения — рентген (Р). Эта единица является мерой ионизирующей способности рентгеновского и гамма-излуче­ний. Доза излучения равна 1 Р, если в 1 см3 сухого воздуха при температуре О °С и давлении 760 мм рт. ст. образуются ионы, несущие одну абсолютную единицу заряда каждого знака. При этом образуется примерно 2 • 109 пар ионов. Чис­ло образующихся ионов связано с поглощаемой веществом энергией. В практической дозиметрии можно считать 1 Р при­близительно эквивалентным поглощенной дозе излучения 0,01 Гр.

   

Защита от излучения

При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по ра­диационной защите всех людей, могущих попасть в зону дей­ствия излучения.

Самый простой метод защиты — это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убы­вает обратно пропорционально квадрату расстояния от источ­ника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не сле­дует брать руками. Надо пользоваться специальными щипца­ми с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от у-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем у-лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо погло­щаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Метод меченых атомов.

2. Применение радиоактивных изотопов.

3. Применение радиоактивных изотопов в промышленности.

4. Применение радиоактивных изотопов в сельском хозяйстве.

5. Применение радиоактивных изотопов в археологии.

6. Биологическое действие радиоактивных излучений.

7. Назовите дозу и защиту от излучения.

​