Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

Метод меченых атомов в настоящее время широко применяется в различных областях науки; в ряде случаев он облегчает наблюдение за происходящими процессами, а часто без применения этого метода наблюдение невозможно.

Метод меченых атомов позволяет исследовать распределение любого вещества в той или иной среде, решить, где находится то или иное вещество, например найти распределение фосфора между шлаком и сталью, установить распределение иода или другого элемента в животном или растительном организме, изучить распределение легирующих металлов в стали при ее выплавке и т. д.

Метод меченых атомов дает возможность изучить направление движения того или иного вещества; найти, откуда пришли в данную систему те или иные атомы и куда они направятся дальше, например проследить движение невидимого газа, не обладающего запахом, в вентиляционной системе; изучить перемещение различных элементов в живом организме, в частности вытеснение одних атомов в ней другими; исследовать процессы изнашивания деталей машин и пр.

Далее этот метод позволяет проследить превращение одних веществ в другие в химических лабораторных, производственных и биологических процессах.

Метод меченых атомов также помогает решать задачи, связанные с определением малых количеств вещества, например при процессах растворения малорастворимых веществ, испарения малолетучих веществ, в химическом анализе состава или при определении количественного содержания того или иного вещества и т. д.

Рассмотрим ряд примеров, характеризующих метод меченых атомов.

Химия — наука о превращении веществ. Превращение же веществ это — перемещение атомов. В связи с этим метод меченых атомов находит самое широкое применение в химии; он позволяет сделать тончайшие анализы состава вещества и содержания в нем тех или иных элементов, установить наличие едва заметных примесей, исследовать механизм течения химических реакций, определить строение молекул, найти растворимость вещества и решить многие другие задачи химии.

Рассмотрим примеры применения меченых атомов в химии.

Поведение атомов в растворах.Всыплем в стакан с водой ложку поваренной соли и размешаем. Соль растворится в воде; ее частицы равномерно распределятся между молекулами воды, образуя однородную жидкость.

Если мы прибавим к полученному раствору еще немного соли, то и она растворится. В 100 граммах воды при температуре 20° можно растворить 35,77 грамма поваренной соли. Но если к такому раствору прибавить еще соли, она уже не будет растворяться, как бы долго мы ее ни перемешивали. Раствор, который уже не может растворять новые порции вещества, называют насыщенным, а количество граммов вещества, которое содержится в 100 граммах насыщенного раствора, — растворимостью.

Одни вещества растворяются лучше, другие хуже. Сахар растворяется в воде очень хорошо, столовая соль хуже, а мел совсем плохо.

Происходят ли какие-нибудь изменения с кристаллами соли, если их бросить в насыщенный раствор? Представим себе, что к насыщенному раствору обычной столовой соли прибавлены кристаллы соли, содержащей в своем составе радиоактивный натрий. Через несколько минут мы обнаружим, что в растворе появились радиоактивные атомы натрия, которые можно легко обнаружить, отделив раствор и измерив его активность. Через несколько десятков минут радиоактивность раствора достигает наибольшего значения. Это явление можно объяснить только следующим образом. Молекулы хлористого натрия отрываются от поверхности кристалла и переходят в насыщенный раствор, на их место сейчас же становятся молекулы из раствора. Значит, в насыщенном растворе все время идет обновление кристаллов.

Если вещество растворяется в воде более или менее хорошо, то определить его растворимость нетрудно. Для этого получают насыщенный раствор, взвешивают небольшое его количество, а затем выпаривают из него воду и взвешивают сухие кристаллы. После этого рассчитывают, сколько вещества содержится в 100 граммах раствора.

А как быть, если вещество растворяется в воде очень плохо? На современных точных аналитических весах можно взвесить 100–200 граммов вещества с точностью до 0,0002 грамма, на микровесах несколько граммов с точностью до 0,000002 грамма, на специальных весах, представляющих собой кварцевую пружинку, можно взвешивать с точностью до 0,000000001 грамма, но не более 0,000000025 грамма, а для определения растворимости надо взвесить и вещество и сосуд, а сосуд всегда весит несколько граммов. Поэтому с помощью весов определить растворимость малорастворимых веществ нельзя. Здесь снова на помощь приходят меченые атомы.

Предположим, что нам нужно определить растворимость какого-либо вещества. Как известно, мел в воде практически не растворяется. Мел — это углекислый кальций; молекулы мела состоят из кальция, углерода и кислорода. Для опыта возьмем мел, в котором часть атомов кальция радиоактивна. Определим с помощью счетчика радиоактивность одного миллиграмма мела. Затем приготовим обычным путем насыщенный раствор, выпарим определенное количество его и найдем с помощью счетчика активность остатка после выпаривания.

Дальше, разделив активность остатка на активность миллиграмма мела, найдем количество мела в остатке после выпаривания и, наконец, рассчитаем содержание его в 100 граммах раствора.

Таким путем была определена растворимость многих веществ, которые считаются практически нерастворимыми.

Устойчивы ли молекулы?На столе лежит белый порошок. Это бариевая соль угольной кислоты — углекислый барий (BaCO 3). В его состав введен радиоактивный углерод.

Измерим величину его радиоактивности с помощью счетчика и оставим углекислый барий на столе. Мы заметим, что активность соли будет постепенно уменьшаться. Но уменьшение происходит не за счет распада радиоактивного углерода, так как период его полураспада велик.

Что же происходит с углекислым барием?

Находящийся в воздухе углекислый газ (СО 2) переходит в молекулы соли, а радиоактивный углерод постепенно уходит в воздух:

(звездочками помечены атомы радиоактивного углерода).

Молекулы углекислого бария, оказывается, неустойчивы; они все время обновляются, так же как обновляется кристалл в насыщенном растворе.

Рассмотрим, еще один пример. Иодистый этил (C 2H 5J) — это жидкость, кипящая при 72°. Иодистый этил можно испарить, а затем снова перевести в жидкость; молекулы его при этом не изменятся. Растворим иодистый этил, содержащий в своем составе радиоактивный иод, в спирте и добавим к нему иодистый натрий (NaJ). Покипятив некоторое время смесь и поместив ее в фарфоровую чашку, выпарим иодистый этил и спирт. В чашке останется только иодистый натрий. Соберем оставшийся иодистый натрий и с помощью счетчика измерим его активность. При этом мы обнаружим, что соль стала радиоактивной. Это означает, что радиоактивный иод из йодистого этила перешел в иодистый натрий. Произошла реакция обмена: