Ушакова А.А. 1
Гришина В.С. 1
1 Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение городского округа Заречный «Средняя общеобразовательная школа № 4»
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Я считаю, что моя исследовательская работа актуальна именно сегодня. Появившаяся в конце XIX века ядерная физика, бурное развитие которой привело к созданию атомного и водородного оружия, уже в середине XX века заставила общественность во весь голос заговорить об угрозе самого существования человечества. Но ведь энергию деления ядра и радиоактивность можно использовать и для созидания. Например, радиоизотопы используются в различных производствах, при научных исследованиях и в медицине.
Промышленное использование включает дефектоскопию и процессы контроля в металлургической (литейной), бумажной, химической промышленности и в дорожном строительстве.
В современной медицине получило развитие новое направление - ядерная медицина, использующее радиоактивные вещества и свойства атомного ядра для диагностики и терапии в различных областях научной и практической медицины. Ядерная медицина обогатилась новыми методами изучения жизненных процессов, диагностики и лечения болезней. На ее нужды расходуется более 50% годового производства радионуклидов во всем мире. Радионуклиды применяются в ядерной медицине в основном в виде радиофармацевтических препаратов (РФП).
Люди должны понимать, что радиоактивное излучение - это не есть что-то невероятно опасное и непостижимое, а наоборот, чем больше ведется изучения радиоактивных явлений, тем более осознанно с ними можно обращаться, используя их свойства на благо человека.
Проблема исследования. Обучающиеся старших классов имеют недостаточные знания о радиоизотопах, их применении в различных областях жизнедеятельности человека.
Предмет исследования. Радиоактивные изотопы и область их применения.
Цель исследования. Выяснить, что представляют собой радиоактивные изотопы, какими свойствами они обладают и как можно их использовать на благо человека.
В связи с поставленной целью предстояло решить следующие задачи:
Расширить знания о строении ядра атома, явлении радиоактивности, радиоактивных изотопах.
Узнать в специальной литературе и интернет-ресурсах современное состояние дел, успехов и проблем в производстве изотопов.
Найти информацию о деятельности АО «Институт реакторных материалов» ГО Заречный» по производству радиоизотопов и их применению в различных сферах жизни человека.
Организовать встречу с сотрудником ОА «ИРМ» для методической консультации по данной теме.
Подготовить и провести классный час «Радиоактивные изотопы на службе у человека» для обучающихся 8-11 классов МКОУ «Средняя общеобразовательная школа № 4».
Провести исследование среди учащихся 8-11 классов МКОУ «Средняя общеобразовательная школа № 4» с целью выявления данных о том, какими знаниями владеет подрастающее поколение по темам «Радиоактивность. Радиоактивные изотопы», «Радионуклидная продукция».
Показать необходимость использования радиоизотопов в различных отраслях деятельности человека.
Практическая значимость исследования. Данный исследовательский проект можно использовать на уроках химии и физики по теме «Радиоактивность. Изотопы. Радиоактивные изотопы».
Структура и объем работы. Исследовательский проект состоит из введения, 7 глав, заключения, списка используемых источников, приложений № 1,2,3,4,5. В тексте проекта содержится 3 рисунка.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
1. Понятие «изотопы».
Изото́пы (отдр.-греч.Ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов(и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа (см. рис.1.1.). Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Д.И. Менделеева.
Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12 C, 222 Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например,дейтерий,актинон).На март 2017 года известно 3437 изотопов всех элементов.
По количеству открытых изотопов первое место занимают США (1237), затем идут Германия (558), Великобритания (299), СССР/Россия (247) и Франция (217). За 10 лет (2006—2015 годы включительно) в среднем физики открывали в год 27 изотопов. Общее количество учёных, являвшихся авторами или соавторами открытия какого-либо изотопа, составляет 3598 человек.
2. Понятие «Радионуклиды».
Нуклиды, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад. Большинство известных нуклидов радиоактивны (стабильными являются лишь около 300 из более чем 3000 нуклидов, известных науке). Все нуклиды, имеющие зарядовое число, равное 43 или 61 или большее 82, радиоактивны; соответствующие элементы называются радиоактивными элементами. Существуют радионуклиды и с другими зарядовыми числами (от 1 до 42, от 44 до 60 и от 62 до 82). Радионуклиды отличаются между собой энергией излучения, периодом полураспада.
Радиоактивные изотопы, встречающиеся в природе, называются естественными, например, 40 K. В 1934 году французские ученые Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что радиоактивные изотопы могут быть созданы искусственным путем в результате ядерных реакций. Такие изотопы назвали искусственными.
Для получения искусственных радиоактивных изотопов обычно используют ядерные реакторы и ускорители элементарных частиц. Впоследствии был получены искусственные изотопы всех химических элементов. Всего в настоящее время известно примерно 3000 радиоактивных изотопов, причем 300 из них - естественные.
3. Торговля радиоактивными изотопами.
Не менее половины изотопов имеют медицинское назначение (остальное — промышленность и научные исследования).
Мировой экспорт и импорт искусственными радиоактивными изотопами (ИРИ) составлял последние 3 года чуть более 1 млрд долларов в год. Список экспортеров возглавляют Канада, США, Нидерланды, Бельгия и Германия. В списке импортеров лидируют США, Япония, Германия, Англия и Китай.
России сегодня принадлежит 6% мирового экспорта и 1% импорта. Динамика международной торговли ИРИ России показана на рисунке (приложение № 1). Хорошо виден рост экспорта за 15 лет — более чем втрое! Импорт же в последние годы стабилен.
Главное направление российского экспорта ИРИ — Запад, с большим отрывом лидирует Великобритания: около 50%. На втором месте — США, на третьем — Германия, четвертый Китай.
Россия закупает за рубежом главным образом радиофармацевтические препараты и источники излучения для медтехники; основные поставщики — Германия и США.
4. Применение радиоактивных изотопов.
В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяют в различных сферах научной и практической деятельности: технике, медицине, сельском хозяйстве, средствах связи, военной области и в некоторых других. При этом часто используют так называемый метод меченых атомов.
4.1. Применение радиоизотопов в медицине.
Изотопы, в первую очередь радиоактивные, широко применяются в современной медицинской практике.
В изотопной диагностике в мире и в России все большее значение имеет позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).
Рис. 4.1.1.Оборудование для позитронной эмиссионной томографии
Поэтому растет потребность не только в традиционных радиоизотопах, таких как 11 С, 13 N, 15 O, 18 F, но и генераторных изотопах 68 Ga и 82 Rb, а также перспективных для новейшей диагностической технологии, совмещающей позитронно-эмиссионную и компьютерную томографию, изотопах 38 K, 45 Ti, 62 Cu, 64 Cu, 75 Br, 76 Br, 94m Tc и 124 I.
Развитие получают и терапевтические методы на основе радиоактивных изотопов, например, лучевая терапия открытыми источниками радионуклидов, особенно эффективная при борьбе со злокачественными лимфомами, раком щитовидной железы и др.
131 I был и продолжает оставаться наиболее широко используемым терапевтическим изотопом (ежегодно в Европе — более 90000 ГБк (один беккерель определяется как активность источника, в котором за одну секунду происходит в среднем один радиоактивный распад), в России — около 2000 ГБк). Йодотерапия не имеет альтернативы при тяжелых формах рака щитовидной железы.
Радиоиммунотерапия на начальных этапах своего становления и развития также проводилась с использованием препаратов 131 I, но в последнее десятилетие резко возрос интерес к 90 Y.
Одним из направлений применения микроисточников (брахитерапия) с 103 Pd или 125 I в последние 10-15 лет стало лечение рака предстательной железы и некоторых других онкопатологий. В настоящее время перспективным изотопом для брахитерапии является 131 Cs.
В радиофармацевтике диагностического и терапевтического назначения наметился сдвиг в сторону короткоживущих радиоизотопов. Наряду с применением стандартных медицинских изотопов 198 Au, 131 I, 125 I, 203 Hg, 197 Hg и др. все чаще применяют их заменители с меньшим периодом полураспада. Все большее признание в исследовательской деятельности и клинической практике получает фармацевтика на основе короткоживущих 99m Tc, 123 I, 13 N, 15 O, 11 C, 18 F, 77 Br, 68 Ga, 81m Kr и др.
4.2. Применение радиоизотопов в промышленности.
Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности и промышленных исследованиях. 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, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д.
Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.
4.3. Применение радиоизотопов в сельском хозяйстве.
Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-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. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется 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 32 P. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.
4.4. Применение радиоизотопов в археологии и геологии.
Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом. Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.
5. Производство изотопов в АО «Институт реакторных материалов» ГО Заречный.
Аргон-37
В 2003-2004гг. АО «ИРМ» и Белоярская АЭС в коллаборации с Академией наук, ФЭИ и другими предприятиями создали источник нейтрино. Аргон-37 использовался как искусственный источник нейтрино для калибровки галлиевых детекторов Баксанской обсерватории (Кабардино-Балкария). Изучая солнечные нейтрино с помощью детекторов, откалиброванных с применением аргона-37, баксанские астрофизики сделали научное открытие мирового значения. Таким образом, сотрудники АО «ИРМ» и Белоярской АЭС внесли весомый вклад в науку о звёздных процессах мироздания, которые оказывают существенное влияние на развитие человеческой цивилизации.
40 Ca + 1 n = 37 Ar + 4 He
В ИРМ была разработана, изготовлена и смонтирована установка растворения облучённой окиси кальция и экстракции 37 Ar с его последующей очисткой. Была также разработана конструкция газового источника, технология его заполнения и измерение его активности.
Рис. 5.1. Галлий-германиевый нейтринный телескоп ИЯИ РАН.
Фрагмент Баксанской Нейтринной обсерватории находящейся в горном массиве на глубине более 2 км.
Углерод-14
В настоящее время АО «ИРМ» нарабатывает углерод-14 и производит препараты на его основе.
14 N + 1 n = 14 C + 1 p
Данная продукция используется как непосредственно в ядерной медицине, так и фармакологии при создании и тестировании новых фармацевтических субстанций, где роль этого изотопа трудно переоценить. Практически все фармацевтические субстанции - это более сложные органические соединения синтезированные, из некоторого набора исходных углеродных соединений - прекурсоров. «Пометив» углеродом-14 те или иные исходные части синтезированной сложной молекулы, можно проследить ее фармокинетику в организме. Такие органические соединения - прекурсоры меченые углеродом-14 производятся в АО «ИРМ» и поставляются в американские и европейские лаборатории.
Для ядерной медицины АО «ИРМ» производит меченую углеродом-14 мочевину, которую поставляет в ФГУП «НИФХИ им. Л.Я.Карпова», где на ее основе изготавливаются капсулы «Урекапс». Данный радиофармпрепарат используется для проведения дыхательных тестов на Helicobacter Pillory. Для получения 14 C разработана и внедрена наиболее эффективная технология, использующая в качестве материала мишени нитрид алюминия. На регулярной основе выпускается ряд органических соединений, меченных 14 C, которые являются прекурсорами при проведении синтезов сложных радиохимических соединений. Эффективность выделения 14 C из AlN превышает 97%.
Цезий-131
Кроме того для нужд ядерной медицины в АО «ИРМ» организовано производство из природного бария радиоизотопа 131 Cs с радиохимической чистотой не менее 99,99%.Чистота продукта существенно превосходит зарубежные аналоги.
131 Cs образуется при распаде 131 Ba, получаемого нейтронным облучением соединений бария:
130 Ba + 1 n = 131 Ba + γ
131 Ba → ЭЗ 11.5 дн. 131 Cs
Оптимальное сочетание периода полураспада и энергии излучения делают 131 Cs перспективным радиоизотопом для брахитерапии злокачественных заболеваний предстательной железы, легкого, молочной железы и т.д. Введение его в клиническую практику рассматривается как одно из наиболее значимых достижений в брахитерапии.
Иридий-192
На предприятии организована наработка 192 Ir из природного и изотопно-обогащённого иридия.
191 Ir+ 1 n = 192 Ir + γ
В качестве материала мишени используется металлический иридий в виде дисков различного типоразмера. Применяемая схема облучения и конструкция облучательного устройства позволяет нарабатывать на среднепоточном ядерном реакторе 192 Ir с удельной активностью достаточной для использования в дефектоскопах при неразрушающих методах контроля в науке и технике, а также в ядерной медицине для высокодозовой брахитерапии.
Лютеций-177
Наработка 177 Lu проходит по реакции:
176 Lu+ 1 n = 177 Lu + γ
Привлекательность радионуклида 177 Lu для современной ядерной медицины определяется относительно низкой энергией бета-излучения и, соответственно, невысокой проникающей способностью в мягких тканях что позволяет использовать 177 Lu в терапии опухолей небольшого размера, а также при лечении паталогических изменений костных тканей.
Период полураспада Lu (6,65 сут.) позволяет осуществлять доставку данного радионуклида на достаточно большие расстояния от места его производства.
Более 99% радиоизотопной продукции АО «ИРМ» экспортирует в США и страны Западной Европы (Англия, Германия, Голландия). 40% радиоизотопной продукции выпускается для нужд промышленности, 60% - ядерной медицины и фармацевтической промышленности. АО«ИРМ» не входит в число крупнейших экспортеров радиоизотопной продукции на международном рынке. Но по оценкам экспертов, по эффективности организации радиоизотопного производства АО «ИРМ» занимает лидирующие позиции в ГК «Росатом».
6. Проведение классного часа «Радиоактивные изотопы на службе у человека»
Работая над данным проектом, овладев теоретическим материалом по теме «Изотопы. Практическое применение радиоизотопов в жизни человека», автору проекта стало интересно: Изучают ли данную тему в школе? Что знают обучающиеся о радионуклидной продукции и ее использовании в различных сферах жизни человека? В связи с тем, что на изучение данной темы в школе отводится 1 урок, автор проекта подготовила классный час, посвященный радиоактивным изотопам.
23 января 2018 года были проведены тематические классные часы «Радиоактивные изотопы на службе у человека», где была представлена информация о радионуклидной продукции Института реакторных материалов ГО Заречный, а также перспективах развития данного направления деятельности АО «ИРМ». На классных часах присутствовали 128 учеников 8-11 классов МКОУ ГО Заречный «Средняя общеобразовательная школа № 4». По окончании мероприятия был проведен социологический опрос (приложение № 2,3).
7. Социологический опрос.
С целью выявления данных о том, какими знаниями владеет подрастающее поколение по темам «Радиоактивность. Радиоактивные изотопы», «Радионуклидная продукция», автором проекта было проведено социологическое исследование, в котором приняли участие 128 обучающихся 8-11 классов МКОУ «Средняя общеобразовательная школа № 4» (приложение № 4,5).
На вопрос «Много ли Вы знаете о радиоактивных изотопах (нуклидах)?» 97% обучающихся ответили отрицательно. Это говорит о том, что данная тема изучается недостаточно полно. Обучающиеся знают лишь основной теоретический материал.
67% обучающихся 8-11 классов заинтересовались материалом, предложенным на классном часе. Обучающиеся предложили изучить данную тему подробнее на одном из факультативных занятий по предмету «Химия».
45% респондентов высказались за увеличение количества уроков по теме «Радиация. Радиоактивность. Радиоактивные изотопы» на уроках предмета «Физика».
95% обучающихся считают, что радиация - главный источник большинства онкологических заболеваний. В связи с этим необходимо вести разъяснительную работу о значении радиации в жизни человека и ее последствиях, объяснять обучающимся, что не только радиация является причиной онкологических заболеваний, но и последствия неправильного образа жизни, вредных привычек, а также вредные условия труда.
97% обучающихся 8-11 классов не знали, что такое «радиофармпрепараты», каким образом они используются для диагностики и лечения онкозаболеваний.
93% обучающихся не имели представления о радионуклидной продукции, выпускаемой в Институте реакторных материалов ГО Заречный. Тем более обучающиеся не знали, для каких целей их производят, и кто является покупателем радиоизотопов ИРМ.
Таким образом, обобщая данные анкетирования, можно сказать, что классный час по теме «Радиоактивные изотопы на службе у человека» способствовал расширению знаний обучающихся о строении атома, истории создания искусственных изотопов, систематизации знаний о явлении радиоактивности, применении радионуклидов в различных сферах жизни человека. Благодаря проведенному классному часу обучающиеся более подробно узнали о направлениях деятельности АО «ИРМ» ГО Заречный. Некоторые ребята собираются в дальнейшем связать свою жизнь с атомной отраслью, и теперь они имеют более полное представление о деятельности одного из ведущих предприятий нашего города.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Радиоактивные изотопы служат человеку во многих сферах его жизнедеятельности. Это еще раз доказывает, что радиацию можно использовать во благо человечества, помогая людям.
За ядерной медициной стоит будущее. Знание законов физики и химии двигает науку вперед. Люди должны знать о радиоактивных изотопах, радионуклидной продукции, о той пользе, которую они приносят.
Катастрофа на Чернобыльской АЭС, а затем распад СССР привели к негативным последствиям, закрывались научно-исследовательские институты, уезжали за границу лучшие умы России. В настоящее время производство радиоактивных изотопов - одно из важнейших направлений развития отрасли атомной энергетики.
Проанализировав большое количество материалов научной литературы и Интернет-ресурсов, на основе проведенного исследования можно сделать выводы:
1.Доказано, что радиоактивные изотопы служат человеку в медицине, сельском хозяйстве, науке, промышленности, археологии и геологии.
2.Выявлено, что АО «Институт реакторных материалов» по эффективности организации радиоизотопного производства занимает лидирующие позиции в ГК «Росатом».
3. В рамках работы над исследовательским проектом автор участвовала в разработке и подготовке классного часа «Радиоактивные изотопы на службе у человека», где были представлены материалы данного проекта, подготовлена презентация.
4. Проведен социологический опрос обучающихся 8-11 классов.Обучающиеся интересовались производством радионуклидной продукции, выпускаемой АО «ИРМ», задавали много вопросов по теме.Думаю, что теперь они имеют представление о направлениях деятельности данного предприятия.
5. Выявлена необходимость проведения разяснительной работы среди обучающихся 8-11 классов о значении радиации в жизни человека и ее последствиях.
Поставленные передо мной задачи были решены, цель достигнута.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Давыдов А.С., Теория атомного ядра. - М., 1958.
Маргулова Т.Х. Атомная энергетика сегодня и завтра. - М.: Высшая школа, 2016.
Мурин А.Н., Введение в радиоактивность. - Л., 1955.
Современная медицинская энциклопедия/Русское издание под общей ред. Г.Б.Федосеева. - СПб.:Норинт, 2014.
Учение о радиоактивности. История и современность. М. Наука, 2003.
Фурман В.И. Ядерные излучения в науке и технике. М. Наука, 1984.
Холл Э.Дж. Радиация и жизнь/Пер.с англ. - М.: Медицина, 2012.
Энциклопедия для детей. Физика. Т.16/ Под ред. В.А. Володина. - М.: Аванта+, 2000.
CD ROM «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия», 2015.
Интернет-ресурсы:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Изотопы
https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоактивные_изотопы
https://infourok.ru/videouroki/413
http://irm-atom.ru
Приложение №1
Схема Импорта и экспорта искусственных радиоактивных изотопов изРоссии в 1998-2014 гг., $ млн.
Приложение№2
Классный час «Радиоактивные изотопы на службе у человека»
Анкета Приложение № 4
Дорогой друг! Мы предлагаем тебе заполнить данную анкету для выявления отношения к радионуклидной продукции (изотопам):
1. Много ли вы знаете о радиоактивных изотопах (нуклидах)?
2. Заинтересованы ли вы в увеличении знаний по теме «Радиоактивные изотопы. Применение нуклидов в жизни человека»?
3. Считаете ли Вы, что количество уроков в школьной программе по теме «Изотопы. Радиоактивные изотопы» должно быть увеличено?
4. Считаете ли вы, что большинство онкологических заболеваний и генетических изменений связаны с радиацией?
5. Знаете ли Вы о том, что на основе радиоактивных изотопов производятся радиофармпрепараты, которые сегодня активно используют при лечении онкологических заболеваний?
знал ранее
теперь знаю
6. Знаете ли Вы, что на территории ГО Заречный в институте реакторных материалов производят радионуклидную продукцию и успешно реализуют ее на мировом рынке?
Приложение № 5
Социологическое исследование учащихся МКОУ «Средняя
общеобразовательная школа № 4»
>> Получение радиоактивных изотопов и их применение
§ 112 ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В атомной индустрии всевозрастающую 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 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), ре-зерфордий (Z = 104), дубний (Z = 105), сиборгий (Z = 106), борий (Z = 107), хассий (Z = 108), мейтнерий (Z = 109), а также элементы под номерами 110, 111 и 112, не имеющие пока общепризнанных названий. Элементы, начиная с номера 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 используются 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 -лучей. Главным образом используется радиоактивный кобальт .
Получение радиоактивных изотопов. 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 долго живущих радиоактивных изотопов, как, например, у кислорода и азота, меняют изотопный состав стабильных элементов. Так, добавлением к кислороду избытка изотопа было установлено, что свободный кислород , выделяюнщйся 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 -излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).
Радиоактивные изотопы в промышленности. Не менее обширна область применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров может служить 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, определяют износ кольца.
Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д. Мощное -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 -лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному повышению 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. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется 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 ЦР. Исследуя за тем 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 (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется -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 ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи).
Соединяясь с кислородом, этот изотоп углерода образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати -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.
Радиоактивные изотопы широко применяются в биологии, медицине, промышленности , сельском хозяйстве и даже в археологии.
Что такое радиоактивные изотопы и как их используют!
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Планирование физике, материалы по физике 11 класса скачать , учебники онлайн
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиИзучение радиометра «Альфарад» и
исследование активности радона-222 в воздухе»
Приборы и принадлежности: радиометр РРА-01М-01.
Задачи и ход выполнения работы:
1. Ознакомиться с учебным материалом по использованию радиоактивных изотопов в медицине и назначением радиометрии.
2. Используя паспорт и руководство по эксплуатации радиометра,
· Выявить его технические характеристики;
· Изучить устройство и принцип работы радиометра, особенности его эксплуатации;
· Подготовить прибор к работе и выполнить пробные измерения в режимах 1-air; 3-Integral; 4-Ffon.
3. Выполнить экспериментальные исследования по определению активности (режим 1-air) сначала в воздухе аудитории, а затем наружного воздуха (забор воздуха на подоконнике открытого окна); результаты измерений оформить в виде таблицы. Опыт повторить не менее трёх раз.
4. Построить графики зависимости объёмной активности от времени.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОТЫ
Использование радиоактивных изотопов в медицине и радиометрия
Медицинские приложения радиоактивных изотопов можно представить двумя группами. Одна группа – это методы, использующие изотопные индикаторы (меченые атомы) с диагностическими и исследовательскими целями. Другая группа методов основана на применении ионизирующего излучения радиоактивных изотопов для биологического действия с лечебной целью. К этой же группе можно отнести бактерицидное действие излучения.
Метод меченых атомов заключается в том, что в организм вводят радиоактивные изотопы и определяют их местонахождение и активность в органах и тканях. Так, например, для диагностирования заболевания щитовидной железы в организм вводят радиоактивный йод или , часть которого концентрируется в железé. Счётчиком, расположенным поблизости от неё, фиксируют накопление йода. По скорости увеличения концентрации радиоактивного йода можно делать диагностический вывод о состоянии железы.
Рак щитовидной железы может давать метастазы в разных органах. Накопление радиоактивного йода в них может дать информацию о метастазах.
Для обнаружения распределения радиоактивных изотопов в разных органах тела используют гамма-топограф (сцинтиграф), который автоматически регистрирует распределение интенсивности радиоактивного препарата. Гамма-топограф представляет собой сканирующий счётчик, который постепенно проходит большие участки над телом больного. Регистрация излучения фиксируется, например, штриховой отметкой на бумаге. На рис. 1,а схематически показан путь счётчика, а на рис. 1,б – регистрационная карта.
Применяя изотопные индикаторы, можно проследить за обменом веществ в организме. Объёмы жидкостей в организме трудно измерить непосредственно, метод меченых атомов позволяет решить эту задачу. Так, например, вводя определённое количество радиоактивного изотопа в кровь и выдержав время для его равномерного распределения по кровеносной системе, можно по активности единицы объёма крови найти её общий объём.
Гамма-топограф даёт сравнительно грубое распределение ионизирующего излучения в органах. Более детальные сведения можно получить методом авторадиографии.
В живой организм радиоактивные атомы вводятся в таком небольшом количестве, что ни они, ни продукты их распада практически не оказывают вреда организму.
Известно лечебное применение радиоактивных изотопов, испускающих в основном g-лучи (гамма-терапия). Гамма-установка состоит из источника, обычно , и защитного контейнера, внутри которого помещён источник; больной размещается на столе.
Применение гамма-излучения высокой энергии позволяет разрушать глубоко расположенные опухоли, при этом поверхностно расположенные органы и ткани подвергаются меньшему губительному действию.
Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений состоит в разрушении внутримолекулярных связей и как следствие прекращении жизнедеятельности клеток организма. Наиболее подвержены разрушению клетки в фазе деления, когда спирали молекул ДНК обособлены и незащищены. С одной стороны, это используется в медицине для прекращения деления клеток злокачественных опухолей; с другой – это приводит к нарушению наследственных признаков организма, переносимых половыми клетками.
Развитие ядерной энергетики, широкое внедрение источников ионизирующих излучений в различных областях науки, техники и медицины создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Растёт число лиц, имеющих прямой профессиональный контакт с радиоактивными веществами. Некоторые процессы производства и применение атомной энергии и мощных ускорителей создают опасность поступления радиоактивных отходов в окружающую среду, что может загрязнять воздух, водоисточники, почву, быть причиной неблагоприятного воздействия на организм.
К ионизирующим излучениям относятся потоки электронов, позитронов, нейтронов и других элементарных частиц, α-частиц, а также гамма- и рентгеновское излучения. При взаимодействии ионизирующего излучения с молекулами органических соединений образуются высокоактивные возбуждённые молекулы, ионы, радикалы. Взаимодействуя с молекулами биологических систем, ионизирующие излучения вызывают разрушение клеточных мембран и ядер и, следовательно, приводят к нарушению функций организма.
Одной из задач медицины является защита человека от ионизирующих излучений. Врачи должны уметь контролировать степень радиоактивного загрязнения производственных помещений и объектов внешней среды, рассчитывать защиту от радиоактивных излучений.
Задачей радиометрии является измерение активности радиоактивных источников. Приборы, измеряющие активность, называют радиометрами.
Курсовая работа
На тему: "Радиоактивность.
Применение радиоактивных изотопов в технике"
Введение
1.Виды радиоактивных излучений
2.Другие виды радиоактивности
3.Альфа-распад
4.Бета-распад
5.Гамма-распад
6.Закон радиоактивного распада
7.Радиоактивные ряды
8.Действие радиоактивного излучения на человека
9.Применение радиоактивных изотопов
Список использованной литературы
Введение
Радиоактивность – превращение атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Отсюда и название явления: на латыни radio – излучаю, activus – действенный. Это слово ввела Мария Кюри. При распаде нестабильного ядра – радионуклида из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц высокой энергии. Поток этих частиц называют радиоактивным излучением или попросту радиацией.
Лучи Рентгена. Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того «излучений». В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826–1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято предложение немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера (1817–1905) называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием. Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет – зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый тетрацианоплатинатом бария Ba (раньше его называли платиносинеродистым барием). Это вещество дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см... Рентген понял возможности своего открытия: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, – писал он, – то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.
Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев – обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена. Первое сообщение Рентгена “О новом роде лучей” было опубликовано в «Отчетах Вюрцбургского физико-медицинского общества» 28 декабря оно было немедленно переведено и опубликовано в разных странах, выходящий в Лондоне самый известный научный журнал «Nature» («Природа») опубликовал статью Рентгена 23 января 1896.
Новые лучи стали исследовать во всем мире, только за один год на эту тему было опубликовано свыше тысячи работ. Несложные по конструкции рентгеновские аппараты появились и в госпиталях: медицинское применение новых лучей было очевидным.
Сейчас рентгеновские лучи широко используются (и не только в медицинских целях) во всем мире.
Лучи Беккереля. Открытие Рентгена вскоре привело к не менее выдающемуся открытию. Его сделал в 1896 французский физик Антуан Анри Беккерель. Он был 20 января 1896 на заседании Академии, на котором физик и философ Анри Пуанкаре рассказал об открытии Рентгена и продемонстрировал сделанные уже во Франции рентгеновские снимки руки человека. Пуанкаре не ограничился рассказом о новых лучах. Он высказал предположение, что эти лучи связаны с люминесценцией и, возможно, всегда возникают одновременно с этим видом свечения, так что, вероятно, можно обойтись и без катодных лучей. Свечение веществ под действием ультрафиолета – флуоресценция или фосфоресценция (в 19 в. не было строгого разграничения этих понятий) было знакомо Беккерелю: ею занимались и его отец Александр Эдмонд Беккерель (1820–1891), и дед Антуан Сезар Беккерель (1788–1878) – оба физики; физиком стал и сын Антуана Анри Беккереля – Жак, который «по наследству» принял кафедру физики при парижском Музее естественной истории, эту кафедру Беккерели возглавляли 110 лет, с 1838 по 1948.
Беккерель решил проверить, связаны ли лучи Рентгена с флуоресценцией. Яркой желто-зеленой флуоресценцией обладают некоторые соли урана, например, уранилнитрат UO 2 (NO 3) 2 . Такие вещества были в лаборатории Беккереля, где работал. С препаратами урана работал еще его отец, который показал, что после прекращения действия солнечного света их свечение исчезает очень быстро – менее чем за сотую долю секунды. Однако никто не проверял, сопровождается ли это свечение испусканием каких-то других лучей, способных проходить сквозь непрозрачные материалы, как это было у Рентгена. Именно это после доклада Пуанкаре решил проверить Беккерель. 24 февраля 1896 на еженедельном заседании Академии он рассказал, что беря фотопластинку, завернутую в два слоя плотной черной бумаги, кладя на нее кристаллы двойного сульфата калия-уранила K 2 UO 2 (SO 4)2·2H2O и выставляя все это на несколько часов на солнечный свет, то после проявления фотопластинки на ней можно видеть несколько размытый контур кристаллов. Если между пластинкой и кристаллами поместить монету или вырезанную из жести фигуру, то после проявления на пластинке появляется четкое изображение этих предметов.
Все это могло свидетельствовать о связи флуоресценции и рентгеновского излучения. Недавно открытые Х-лучи можно получать намного проще – без катодных лучей и необходимых для этого вакуумной трубки и высокого напряжения, но надо было проверить, не оказывается ли, что урановая соль, нагреваясь на солнце, выделяет какой-то газ, который проникает под черную бумагу и действует на фотоэмульсию Чтобы исключить эту возможность, Беккерель проложил между урановой солью и фотопластинкой лист стекла – она все равно засветилась. «Отсюда, – заключил свое краткое сообщение Беккерель, – можно сделать вывод о том, что светящаяся соль испускает лучи, которые проникают через не прозрачную для света черную бумагу и восстанавливают серебряные соли в фотопластинке». Как будто Пуанкаре оказался прав и Х-лучи Рентгена можно получить совсем другим способом.
Беккерель начал ставить множество опытов, чтобы лучше понять условия, при которых появляются лучи, засвечивающие фотопластинку, и исследовать свойства этих лучей. Он помещал между кристаллами и фотопластинкой разные вещества – бумагу, стекло, пластинки алюминия, меди, свинца разной толщины. Результаты получались те же, что и у Рентгена, что также могло служить доводом в пользу сходства обоих излучений. Помимо прямого солнечного света Беккерель освещал соль урана светом, отраженным зеркалом или преломленным призмой. Он получил, что результаты всех прежних опытов никак не были связаны с солнцем; имело значение лишь то, как долго урановая соль находилась вблизи фотопластинки. На следующий день Беккерель доложил об этом на заседании Академии, но вывод он, как потом выяснилось, сделал неверный: он решил, что соль урана, хотя бы раз «заряженная» на свету, способна потом сама длительное время испускать невидимые проникающие лучи.
Беккерель до конца года он опубликовал на эту тему девять статей, в одной из них он писал: «Разные соли урана были помещены в толстостенный свинцовый ящик... Защищенные от действия любых известных излучений, эти вещества продолжали испускать лучи, проходящие через стекло и черную бумагу..., через восемь месяцев».
Эти лучи исходили от любых соединений урана, даже от тех, которые не светятся на солнце. Еще более сильным (примерно в 3,5 раза) оказалось излучение металлического урана. Стало очевидным, что излучение хотя и похоже по некоторым проявлениям на рентгеновское, но обладает большей проникающей способностью и как-то связано с ураном, так что Беккерель стал называть его «урановыми лучами».
Беккерель обнаружил также, что «урановые лучи» ионизируют воздух, делая его проводником электричества. Практически одновременно, в ноябре 1896, английские физики Дж. Дж.Томсон и Эрнест Резерфорд (обнаружили ионизацию воздуха и под действием рентгеновских лучей. Для измерения интенсивности излучения Беккерель использовал электроскоп, в котором легчайшие золотые листочки, подвешенные за концы и заряженные электростатически, отталкиваются и их свободные концы расходятся. Если воздух проводит ток, заряд с листочков стекает и они опадают – тем быстрее, чем выше электропроводность воздуха и, следовательно, больше интенсивность излучения.
Оставался вопрос, каким образом вещество испускает непрерывное и не ослабевающее в течение многих месяцев излучение без подвода энергии от внешнего источника Сам Беккерель писал, что не в состоянии понять, откуда уран получает энергию, которую он непрерывно излучает. По этому поводу выдвигались самые разные гипотезы, иногда довольно фантастические. Например, английский химик и физик Уильям Рамзай писал: «… физики недоумевали, откуда мог бы взяться неисчерпаемый запас энергии в солях урана. Лорд Кельвин склонялся к предположению, что уран служит своего рода западней, которая улавливает ничем другим не обнаруживаемую лучистую энергию, доходящую до нас через пространство, и превращает ее в такую форму, в виде которой она делается способной производить химические действия».
Беккерель не мог ни принять эту гипотезу, ни придумать что-то более правдоподобное, ни отказаться от принципа сохранения энергии. Кончилось тем, что он вообще на некоторое время бросил работу с ураном и занялся расщеплением спектральных линий в магнитном поле. Этот эффект был обнаружен почти одновременно с открытием Беккереля молодым голландским физиком Питером Зееманом и объяснен другим голландцем – Хендриком Антоном Лоренцем.
Содержание статьи
ИЗОТОПЫ –разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди , который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.
Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».
В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное современное определение понятия изотопов: изотопы – это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов , где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома (число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов – протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение A X.
Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2 H и 3 H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1 H называют иногда протием).
В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные – радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z Ј 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их – 4, у ртути – 7.
Открытие изотопов, историческая справка.
В 1808 английский ученый натуралист Джон Дальтон впервые ввел определение химического элемента как вещества, состоящего из атомов одного вида. В 1869 химиком Д.И.Менделеевым была открыт периодический закон химических элементов. Одна из трудностей в обосновании понятия элемента как вещества, занимающего определенное место в клетке периодической системы, заключалась в наблюдаемой на опыте нецелочисленности атомных весов элементов. В 1866 английский физик и химик – сэр Вильям Крукс выдвинул гипотезу, что каждый природный химический элемент представляет собой некоторую смесь веществ, одинаковых по своим свойствам, но имеющих разные атомные масс, однако в то время такое предположение не имело еще экспериментального подтверждения и поэтому прошло мало замеченным.
Важным шагом на пути к открытию изотопов стало обнаружение явления радиоактивности и сформулированная Эрнстом Резерфордом и Фредериком Содди гипотеза радиоактивного распада:радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличающийся от исходного. В результате возникло представление о радиоактивных рядах или радиоактивных семействах, в начале которых есть первый материнский элемент, являющийся радиоактивным, и в конце – последний стабильный элемент. Анализ цепочек превращений показал, что в их ходе в одной клеточке периодической системы могут оказываться одни и те же радиоактивные элементы, отличающиеся лишь атомными массами. Фактически это и означало введение понятия изотопов.
Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было затем получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона и Астона в 1912–1920 с пучками положительно заряженных частиц (или так называемых каналовых лучей) , выходящих из разрядной трубки.
В 1919 Астон сконструировал прибор, названный масс-спектрографом (или масс-спектрометром). В качестве источника ионов по-прежнему использовалась разрядная трубка, однако Астон нашел способ, при котором последовательное отклонение пучка частиц в электрическом и магнитном полях приводило к фокусировке частиц с одинаковым значением отношения заряда к массе (независимо от их скорости) в одной и той же точке на экране. Наряду с Астоном масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан американцем Демпстером. В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей к 1935 году была составлена почти полная таблица изотопных составов всех известных к тому времени химических элементов.
Методы разделения изотопов.
Для изучения свойств изотопов и особенно для их применения в научных и прикладных целях требуется их получение в более или менее заметных количествах. В обычных масс-спектрометрах достигается практически полное разделение изотопов, однако количество их ничтожно мало. Поэтому усилия ученых и инженеров были направлены на поиски других возможных методов разделения изотопов. В первую очередь были освоены физико-химические методы разделения, основанные на различиях в таких свойствах изотопов одного итого же элемента, как скорости испарения, константы равновесия, скорости химических реакций и т.п. Наиболее эффективными среди них оказались методы ректификации и изотопного обмена, которые нашли широкое применение в промышленном производстве изотопов легких элементов: водорода, лития, бора, углерода, кислорода и азота.
Другую группу методов образуют так называемые молекулярно-кинетические методы: газовая диффузия, термодиффузия, масс-диффузия (диффузия в потоке пара), центрифугирование. Методы газовой диффузии, основанные на различной скорости диффузии изотопных компонентов в высокодисперсных пористых средах, были использованы в годы второй мировой войны при организации промышленного производства разделения изотопов урана в США в рамках так называемого Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы. Для получения необходимых количеств урана, обогащенного до 90% легким изотопом 235 U – главной «горючей» составляющей атомной бомбы, были построены заводы, занимавшие площади около четырех тысяч гектар. На создание атомного центра с заводами для получения обогащенного урана было ассигновано более 2-х млрд. долл. После войны в СССР были разработать и построены заводы по производству обогащенного урана для военных целей, также основанные на диффузионном методе разделения. В последние годы этот метод уступил место более эффективному и менее затратному методу центрифугирования. В этом методе эффект разделения изотопной смеси достигается за счет различного действия центробежных сил на компоненты изотопной смеси, заполняющей ротор центрифуги, который представляет собой тонкостенный и ограниченный сверху и снизу цилиндр, вращающийся с очень высокой скоростью в вакуумной камере. Сотни тысяч соединенных в каскады центрифуг, ротор каждой из которых совершает более тысячи оборотов в секунду, используются в настоящее время на современных разделительных производствах как в России, так и в других развитых странах мира. Центрифуги используются не только для получения обогащенного урана, необходимого для обеспечения работы ядерных реакторов атомных электростанций, но и для производства изотопов примерно тридцати химических элементов средней части периодической системы. Для разделения различных изотопов используются также установки электромагнитного разделения с мощными источниками ионов, в последние годы получили распространение также лазерные методы разделения.
Применение изотопов.
Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны. Так, в связи с использованием тяжелой воды D 2 O в ядерных реакторах ее общемировое производство к началу 1990-х прошлого века составляло около 5000 т в год. Входящий в состав тяжелой воды изотоп водорода дейтерий, концентрация которого в природной смеси водорода составляет всего 0,015%, наряду с тритием станет в будущем, по мнению ученых, основным компонентом топлива энергетических термоядерных реакторов, работающих на основе реакций ядерного синтеза. В этом случае потребность в производстве изотопов водорода окажется огромной.
В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов (меток) при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.
В сельском хозяйстве изотопы («меченые» атомы) применяются, например, для изучения процессов фотосинтеза, усвояемости удобрений и для определения эффективности использования растениями азота, фосфора, калия, микроэлементов и др. веществ.
Изотопные технологии находят широкое применение в медицине. Так в США, согласно статистическим данным, проводится более 36 тыс. медицинских процедур в день и около 100 млн. лабораторных тестов с использованием изотопов. Наиболее распространены процедуры, связанные с компьютерной томографией. Изотоп углерода C 13 , обогащенный до 99% (природное содержание около 1%), активно используется в так называемом «диагностическом контроле дыхания». Суть теста очень проста. Обогащенный изотоп вводится в пищу пациента и после участия в процессе обмена веществ в различных органах тела выделяется в виде выдыхаемого пациентом углекислого газа СО 2 , который собирается и анализируется с помощью спектрометра. Различие в скоростях процессов, связанных с выделением различных количеств углекислого газа, помеченных изотопом С 13 , позволяют судить о состоянии различных органов пациента. В США число пациентов, которые будут проходить этот тест, оценивается в 5 млн. человек в год. Сейчас для производства высоко обогащенного изотопа С 13 в промышленных масштабах используются лазерные методы разделения.
Владимир Жданов
