Радиоактивные изотопы и их применение - [22]

В процессах, за которыми производят наблюдение с помощью метода меченых атомов, участвует такое большое количество атомов, что превращение даже десятков и сотен тысяч их практически не меняет общего числа атомов, общего количества вещества, убыль его остается незаметной для наблюдателя.

Как уже было сказано, в природных и лабораторных процессах обычно участвуют огромные количества атомов. При этом поведение одинаковых атомов — атомов одного и того же элемента — в одном и том же процессе одинаково. Например, атомы элемента кальция и фосфора, попадающие с пищей в организм человека, идут на построение костных тканей, атомы иода скапливаются в щитовидной железе и т. д. Неотличимо ведут себя и изотопы одного и того же элемента. Если приготовить смесь радиоактивных и нерадиоактивных атомов одного и того же элемента — смесь изотопов, то отделить атомы радиоактивного изотопа от атомов нерадиоактивного изотопа очень трудно. В большинстве природных и лабораторных процессов радиоактивные изотопы ведут себя совершенно так же, как и нерадиоактивные. Например, при сжигании серы, содержащей смесь атомов радиоактивного и нерадиоактивного изотопа, с кислородом соединяются и радиоактивные и нерадиоактивные атомы. При попадании смеси радиоактивных и нерадиоактивных атомов какого-либо элемента внутрь организма человека или животных оба вида атомов ведут себя химически и физически неотличимо.

Однако каждый атом радиоактивного изотопа рано или поздно распадается и дает сигнал в форме излучения. Если же в смеси атомов имеется достаточно большое количество радиоактивных атомов, то они распадаются непрерывно один за другим, все время сигнализируя о местопребывании и движении всей массы атомов данного элемента.

Мы теперь видим, что достаточно к веществу, за которым хотят провести наблюдение, подмешать молекулы этого же вещества, содержащие в своем составе атомы радиоактивного изотопа, чтобы в течение всего процесса знать местопребывание всей массы данного вида атомов по испускаемому атомами изотопа излучению. Метод меченых атомов, следовательно, — это способ наблюдать за поведением данного вида атомов в каком-либо процессе с помощью его радиоактивного изотопа.

Для проведения опыта с использованием метода меченых атомов получают радиоактивные изотопы, а из них — вещества, необходимые для исследования, часть молекул которых содержит радиоактивные атомы. По излучению, исходящему от радиоактивных молекул, следят за поведением и движением таких же молекул, но не содержащих радиоактивных атомов, — следят за всей массой вещества.

Не только радиоактивные изотопы могут быть использованы для метки атомов. У ряда химических элементов таких важных, например, как кислород и азот, нет радиоактивных изотопов с достаточно большой продолжительностью жизни. В этом случае используют нерадиоактивные изотопы элемента, за которым хотят вести наблюдение, с массой, отличающейся от средней массы атомов природного элемента.

Примешивая, например, к обыкновенной воде воду, содержащую кислород с массовым числом 18 (обычный кислород имеет массовое число 16), можно наблюдать за поведением всей массы кислорода по его изотопу с массой 18. Для наблюдения за движением атомов в этом случае используют масспектрометр — прибор, в котором можно определить массу отдельных групп атомов.

3. Что можно исследовать методом меченых атомов

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.

4. Меченые атомы в химии

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.