Метод радиоактивных индикаторов

Введение

В современном мире прогресс затронул все сферы нашей жизни, поэтому авиационному специалисту необходимо иметь кругозор не только по части авиационной деятельности, но и касательно других наук и областей знаний, которые, так или иначе, влияют на процессы, происходящие вокруг нас. Безусловно, химическая наука не является исключением и непосредственным образом затрагивает многочисленные стороны авиационной промышленности. Сегодня бурное развитие химической науки потребовало привлечения новых и чрезвычайно эффективных методов исследования. Метод меченых атомов, или в частном случае метод радиоактивных индикаторов, прочно вошел в практику химических исследований.
  Метод радиоактивных индикаторов (активационный метод) основан на применении радиоактивных изотопов, которые в небольших количествах вводятся в исследуемое вещество. 
Цель данной работы – рассмотреть сущность метода радиоактивных индикаторов и ознакомиться с его применением в различных областях.
1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ МЕТОДА РАДИОАКТИВНЫХ ИНДИКАТОРОВ
Некоторые стабильные изотопы после облучения нейтронами становятся β-активными. Эту активность веществ принято называть наведенной. Пластинку из вещества, приобретающего в поле нейтронов β-активные свойства, называют радиоактивным индикатором (кратко индикатором). Метод регистрации нейтронов по наведенной активности состоит из двух этапов. На первом этапе индикатор облучают потоком нейтронов. На втором этапе измеряют наведенную активность с помощью счетчиков [1].
Что же послужило предпосылкой для открытия данного метода? В первой четверти XX века было установлено, что атомы, занимающие одну и ту же клетку Периодической системы элементов, могут различаться по таким важным характеристикам, как масса и радиоактивные свойства входящих в их состав ядер. Явление существования разных видов атомов одного и того же элемента получило название изотопии. Сначала в природе были обнаружены изотопы некоторых тяжелых природных элементов (свинца, тория, урана). Так, оказалось, что у свинца кроме четырех природных стабильных изотопов с массовыми числами 204, 206, 207 и 208 (напомним, что массовое число атома – это сумма чисел протонов и нейтронов в его ядре, а вид атомов с определенным значением массового числа называют нуклидом) в природе в ничтожных количествах имеются и радиоактивные изотопы этого элемента (его радионуклиды): свинец-212, свинец-210 и др.
Так как химическое поведение стабильных и радиоактивных нуклидов одного элемента идентично, а о присутствии радиоактивных атомов можно судить по испускаемому этими атомами в момент распада ядер излучению, оказывается возможным надежно зафиксировать наличие ничтожно малых количеств таких атомов. Поэтому возникла идея применения радиоактивных атомов как меток для изучения различных химических процессов. Используемые при этом радиоактивные атомы служат меткой, индикатором, и поэтому применение радиоактивных индикаторов в химии получило название метода радиоактивных индикаторов. Одним из пионеров использования радиоактивных индикаторов в химии был российский ученый Вл.И. Спицын, который еще в 1917 году использовал при изучении растворимости в воде малорастворимых соединений тория в качестве радиоактивных меток сравнительно короткоживущие радионуклиды тория, выделенные из урановых руд.
Широкое применение радиоактивных индикаторов в химии началось после того, как в результате работ французских исследователей Ф. Жолио и И. Кюри была доказана возможность искусственного получения не встречающихся в природе радиоактивных атомов “обычных”, стабильных элементов. Эти ученые в 1934 году за счет взаимодействия ядер алюминия с ядрами гелия получили радиоактивные атомы 30Р, широко распространенного в природе стабильного элемента фосфора. Вскоре были разработаны и другие способы искусственного приготовления радиоактивных атомовметок многих стабильных элементов. Особенно эффективным оказалосьВведение

радионуклидных меток за счет облучения стабильных атомов потоком нейтронов. При этом ядро стабильного элемента поглощает нейтрон, испускает γ-квант и превращается в радиоактивное ядро того же элемента, но имеющее на единицу большее массовое число, чем исходное ядро. Например, при облучении нейтронами стабильные ядра брома-79 превращаются в радиоактивные ядра брома-80: 79Br(n, γ) 80Br

. Благодаря этому в органическое соединение, содержащее атомы брома, можно ввести радиоактивную метку 80Br, облучив это соединение нейтронами.
В настоящее время радиоактивные атомы, удобные для проведения различных исследований (то есть радиоактивные атомы, характеризующиеся сравнительно большими периодами полураспада Т1/2 и обладающие излучением, которое удобно регистрировать на радиометрической аппаратуре), получены для подавляющего большинства элементов Периодической системы (кроме десяти легких, к числу которых относятся Li, B, N, O, F и некоторые другие).
2. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИНДИКАТОРОВ В АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Использование радионуклидов в аналитической химии очень разнообразно, недаром один из международных журналов подробно освещает все вопросы, связанные с радиоаналитической химией, то есть с использованием радионуклидов в аналитической химии.
Так, широкое практическое применение имеет метод количественного анализа, основанный на том, что в различных химических процессах удельная радиоактивность Iуд = а/m (а – радиоактивность образца, выраженная в беккерелях, а m – масса образца) определяемого вещества, в котором равномерно распределен радионуклид, остается постоянной как для всего образца, так и для любой его части (обычно используют термин “активность” вместо “радиоактивность”).
Пусть, например, речь идет об опытах по определению давления паров такого крайне труднолетучего и тугоплавкого металла, как вольфрам. В качестве метки можно использовать искусственно получаемый β-радиоактивный вольфрам-185. Приготовим металлический вольфрам, содержащий эту метку, и определим его удельную активность Iуд. Далее соберем пары металла, испарившиеся с поверхности вольфрама при выбранной температуре и содержавшиеся в определенном объеме пара. В тех же условиях, в которых определяли Iуд, найдем активность этих паров Iп. Очевидно, что масса паров mп = I/Iуд. Далее, зная объем паров, можно найти их плотность при температуре опыта, а затем, используя сведения о составе пара, и их давление [2].
Аналогичным образом с помощью радиоактивной метки можно найти концентрацию какого-либо вещества в растворе и определить, например, его концентрацию в насыщенном растворе. Так, используя радиоактивный индикатор сера-35, можно найти растворимость BaSO4 в водных растворах. Важно отметить, что на результаты подобных экспериментов никак не влияет наличие в паре или растворе посторонних примесей. Более того, оказывается возможным количественно охарактеризовать влияние на растворимость, например, ионной силы раствора, то есть наличия в нем ионов посторонних веществ.
Сходным образом можно найти массу вещества, как оставшуюся после экстракции в водной среде, так и перешедшую в органическую фазу. Далее удается рассчитать коэффициенты распределения между фазами экстрагируемого вещества (здесь применение радиоактивных индикаторов важно тогда, когда коэффициенты распределения очень высоки и других аналитических методов определения сверхнизких количеств экстрагируемого вещества, оставшегося в водной фазе, нет).
Оригинально использование радиоактивных индикаторов в так называемом методе изотопного разбавления. Пусть нужно определить содержание какой-либо аминокислоты в смеси сходных по свойствам аминокислот, причем химическими методами выполнить полное (количественное) разделение аминокислот нельзя, но есть способ, позволяющий выделить из смеси в чистом виде небольшую долю этой аминокислоты (например, с помощью хроматографии). Сходная проблема возникает при определении содержания какого-либо лантаноида в смеси лантаноидов и при определении того, в каких именно химических формах содержится тот или иной элемент в природе, например в речной или морской воде [3].
На использовании радиоактивных атомов основан и такой универсальный чрезвычайно чувствительный метод аналитической химии, как активационный анализ. При выполнении активационного анализа необходимо с помощью подходящей ядерной реакции активировать атомы определяемого элемента в пробе, то есть сделать их радиоактивными. Чаще всего активационный анализ выполняют с использованием нейтронного источника.
3. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИНДИКАТОРОВ В ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Среди многочисленных примеров использования радиоактивных индикаторов при изучении термодинамики (определение давлений насыщенных паров, парциальных давлений паров компонентов различных смесей), кинетики (выяснение скоростей превращений и их механизмов) и электрохимии можно выделить следующие, позволяющие проиллюстрировать возможности метода в физической химии.
Начнем это рассмотрение с рассказа о том, как радионуклиды используют для определения такой важной кинетической характеристики, как коэффициент диффузии или самодиффузии D атомов, ионов, молекул в твердых телах, растворах или расплавах