Март 15th, 2009 by admin Posted in ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Ученые не ожидали открыть более долгоживущий изотоп
углерода. Однако в 1940 году в результате бомбардировки атомов
углерода дейтронами (ядрами дейтерия, Н2) был открыт
новый радиоизотоп углерода.
Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона, и
во время бомбардировки дейтронами атомы углерода отдают
протоны, удерживая нейтроны. В результате такой (d, р)-реак-
ции атомное число не изменяется, но массовое число увеличивается
на единицу. Углерод состоит из двух стабильных изотопов
— углерода-12 и углерода-13. Углерод-12 в результате
реакции превращается в углерод-13, а вот с углеродом-14 происходит
следующее:
6С13 + ,Н2 -> 6С14 + ,Н’ (Уравнение 10.3)
С13(</, р)С”.
Углерод-14 является радиоактивным изотопом с неожиданно
длинным периодом полураспада — более 5770 лет. А учитывая
сравнительно небольшую продолжительность любого лабораторного
эксперимента, его радиоактивность можно считать
постоянной. Меченные углеродом-14 химические соединения
можно использовать в огромном количестве биологических и
биохимических экспериментов, и углерод-14, несомненно, является
самым пригодным для этих целей радиоизотопом.
В 1946 году американский химик Уиллард Либби (1908—1980)
предположил, что углерод-14 должен существовать в природе как
результат реакции в присутствующем в атмосфере азоте-14, косвенно
вызванной космическими излучениями высокой энергии1.
Реакция, по сути, является присоединением нейтрона и потерей
протона. В результате такой (п, р)-реакции уменьшается лишь
атомное число, массовое число остается неизменным. Таким образом:
7М’4 + цл’ -» 6С14 + ,Н’ (Уравнение 10.4)
или
Nl4(«, р)С”.
Углерод-14 образуется постоянно и после образования разрушается.
Между этими двумя процессами существует определенный
баланс, и концентрация углерода-14 в атмосфере (углерод-14
входит в состав углекислого газа) постоянна, хотя и очень мала.
Позже Либби предположил, что, так как растения постоянно
поглощают и используют углекислый газ, в их тканях должен
содержаться углерод-14 постоянно, хотя и в очень малой
концентрации. Углерод-14 должен содержаться и в тканях животных,
так как животные питаются растениями (или травоядными
животными).
Однако постоянство концентрации поддерживается, только
пока ткань жива, так как только в этом случае ткани непрерывно
впитывают радиоактивный углерод (путем поглощения атмосферного
углекислого газа или переваривания пищи). Как
только организм погибает, поглощение углерода-14 прекращается,
а уже имеющееся его количество начинает равномерно
уменьшаться.
1 Эти излучения называются космическими лучами. Мы рассмотрим их
ниже.
Февраль 6th, 2009 by admin Posted in ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Супруги Жолио-Кюри доказали присутствие радиоактивного
фосфора, расплавив алюминий и подвергнув его реакциям,
в ходе которых любой изотоп фосфора либо улетучится в видегазообразного соединения, либо выпадет в виде твердого осадка.
Образовавшиеся газ и осадок проявляли радиоактивные
свойства.
Фосфор-30 стал первым синтезированным в лабораторных
условиях и не встречающимся в природе изотопом, а его радиоактивные
свойства — первым примером искусственной радиоактивности.
Первым и далеко не единственным. В последующие годы в
ходе лабораторных ядерных реакций были получены более тысячи
искусственных изотопов. Так как все эти изотопы являются
радиоактивными, их часто называют радиоизотопами.
Ученым удалось получить радиоизотоп каждого устойчивого
элемента, а иногда даже несколько радиоизотопов. Например,
у цезия, состоящего всего лишь из одного стабильного изотопа
(цезий-133), таких радиоизотопов целых 20 с массовыми числами
от 123 до 148.
Периоды полураспада всех полученных изотопов слишком
малы, и они не могли сохраниться в земной коре с момента
образования планеты до наших дней. Конечно же по человеческим
меркам периоды полураспада некоторых из них довольно
длинные (период полураспада цезия-135 равняется
2 ООО ООО лет), но в планетарных масштабах они все равно
слишком малы.
Возможно, во время образования Солнечной системы существовали
атомные ядра всех мыслимых составов. Выжили же
лишь устойчивые и слаборадиоактивные (например, калий-40
и уран-238). И действительно, все стабильные и слаборадиоактивные
изотопы, которые могут существовать, на Земле существуют.
Шансы обнаружить какой-либо еще стабильный или
слаборадиоактивный изотоп практически равны нулю.
Может быть, изотопы, период полураспада которых меньше
500 ООО ООО лет, также существовали, но впоследствии они распались
и исчезли: какие-то из них быстро, какие-то медленно.
Сегодня благодаря труду ученых они возродились.
Сентябрь 21st, 2008 by admin Posted in ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Первые атомные ядра, полученные путем искусственного
превращения, были ядрами существующих в природе стабильных
элементов. Например, Резерфорд получил кислород-17, а
Кокрофт и Уолтон — гелий-47.
Однако в 1934 году французскому физику Фредерику Жолио
(1900-1958) и его жене, Ирен Жолио-Кюри (1897-1956), дочери
первооткрывателей радия Пьера и Марии Кюри, удалось
получить и другие элементы.
ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН И НЕЙТРОН 655
Жолио-Кюри продолжили начатую еще Резерфордом работу
по бомбардировке альфа-частицами атомных ядер различных элементов.
Они обнаружили, что при бомбардировке атомных ядер
атомов алюминия возникает нейтронно-протонное излучение,
которое после прекращения бомбардировки сразу же пропадает.
Было и еще одно излучение1, которое после прекращения бомбардировки
исчезало постепенно, с периодом полураспада, равным
2,6 минуты. Очевидно, в атомах алюминия присутствует что-то,
что в результате бомбардировки альфа-частицами делает их радиоактивными.
Следующая формула описывает, что происходит, когда атом
алюминия-27 поглощает альфа-частицу и излучает протон:
18А127 + 2Не4 -> 14Si*° + ,11! (Уравнение 10.1)
или
А127(а, p)Si80.
Кремний-30 — это стабильный изотоп, относительное содержание
которого в кремнии всего лишь 3%.
При бомбардировке альфа-частицами атомы алюминия испускают
нейтроны. Должно быть, имеет место реакция, в процессе
которой ядро-мишень алюминия поглощает альфа-частицу
и испускает нейтрон, получая в общей сложности 2 протона
и 1 нейтрон. При такой (а, и)-реакции атомное число возрастает
на два, а не на один, и алюминий становится фосфором, а
не кремнием. Запишем формулу:
| 8АР + 2Не4 -» |5Р30 + „«’ (Уравнение 10.2)
или
А127(а, л)Р30.
Однако встречающийся в природе фосфор состоит лишь из
одного изотопа — фосфора-31. Другие изотопы фосфора неизвестны,
значит, если в ходе ядерной реакции синтезируется
другой изотоп фосфора, то он будет радиоактивным. Именно
из-за радиоактивности (и короткого периода полураспада) такой
изотоп не встречается в природе.
Июль 14th, 2008 by admin Posted in ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
Как только физики научились изолировать редкие изотопы
и синтезировать новые, стало возможным создавать на их основе
химические соединения. Если найти достаточно дешевый
способ получения таких изотопов, то в химических экспериментах
можно будет использовать большое количество соединений
на их основе.
ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН И НЕЙТРОН 657
Первым используемым в «крупномасштабных» химических
экспериментах стал стабильный водород-2, получаемый из «тяжелой
воды» (см. гл. 8).
Путем органических химических реакций из тяжелой воды
можно получить и другие химические соединения, молекулы
которых содержат один или несколько атомов водорода-2. Если
такие соединения вступают в химические реакции, то их можно
определить, изолировав продукты реакции и выяснив, какие
из них содержат водород-2. Химические соединения с содержанием
редкого изотопа выше нормы называются мечеными соединениями,
а атомы такого изотопа — индикаторами.
Этот метод особенно важен, когда меченое соединение реагирует
внутри живой ткани, так как в этом случае можно проследить
все имеющиеся чрезвычайно сложные трансформации.
Начиная с 1935 года немецкий биохимик Рудольф Шоенгеймер
(1 ggg—1941) провел серию таких экспериментов, используя в
своих исследованиях жирные молекулы, в огромном количестве
присутствующие в водороде-2. Этот метод стал революцией в
биохимии, так как давал возможность детально изучить химические
реакции в тканях, что ранее было невозможно.
Шоенгеймер, как и другие ученые, использовал в своих исследованиях
и более тяжелые изотопы — азот-15 и кислород-
18, — относительное содержание которых соответственно
0,37 и 0,20. Оба этих элемента достаточно редко встречаются
в природе, и большое их количество является эффективными
индикаторами.
Применение радиоизотопов привело к увеличению чувствительности
при использовании индикаторов, так как по сравнению
со стабильными изотопами даже небольшое количество
радиоактивных изотопов можно обнаружить гораздо легче и
быстрее.