Радиоактивные изотопы и их применение - [27]
Проконтролировать степень разделения неокрашенных веществ, особенно установить контроль разделения в самой колонке, трудно без меченых атомов. Если в состав разделяемой смеси добавить вещества, содержащие радиоактивные элементы, то за их разделением можно легко проследить по излучению, передвигая счетчик вдоль колонки или контролируя радиоактивность вытекающей жидкости. Таким путем ученые установили, в частности, условия разделения близких по своим свойствам редкоземельных элементов.
Как протекает химическая реакция. Течение химической реакции или, как говорят химики, механизм химической реакции совершенно необходимо знать для управления ею и для построения технологии получения тех или иных химических продуктов.
Механизм химических реакций можно изучать при помощи меченых атомов. Простейшим примером является окисление ряда органических кислот, при котором образуется углекислота, но этот процесс идет в различных условиях по-разному. Если получить пропионовую кислоту, в состав которой введен радиоактивный углерод, то в кислой среде при окислении выделяется радиоактивный углекислый газ, а в щелочной среде — нерадиоактивный.
В первом случае углекислый газ получается за счет углеродного атома Ⅲ (см. схему), а во втором случае — за счет окисления углеродного атома I.
В этих формулах черточки, соединяющие символы атомов, обозначают химические связи между атомами.
Вторым примером исследований механизма химических процессов методом меченых атомов может послужить окисление этилена на катализаторе, в качестве которого взято серебро.
Продуктами этой практически важной реакции являются окись этилена и углекислый газ. Не было ясно: образуется ли углекислый газ непосредственно из этилена или в результате окисления окиси этилена? Для проверки этого к смеси этилена и окиси этилена был добавлен этилен, содержащий радиоактивный углерод. Проводилось наблюдение за ростом радиоактивности окиси этилена и углекислого газа, пробы которых отбирались от смеси, разделялись и просчитывались на счетчике. Если бы реакция получения углекислого газа шла через образование окиси этилена, то активность единицы веса окиси этилена возрастала бы быстрее, чем активность единицы веса углекислого газа. Однако на самом деле активность углекислого газа возрастает быстрее, чем активность окиси этилена, что ясно показывает образование углекислого газа непосредственно из этилена.
Мы привели лишь простейшие примеры изучения механизма химических реакций методом меченых атомов. Таких работ можно найти сотни, и значение их трудно переоценить.
Метод меченых атомов проникает во все новые и новые области науки. Даже в такой науке, как археология, меченые атомы помогают определять возраст раскопок.
Природа метит атомы. Из межпланетного пространства к Земле идут лучи, получившие название космических. На своем пути в атмосфере эти лучи разбивают атомы азота и других газов, находящихся в воздухе. В результате такого процесса образуются протоны, нейтроны, электроны, позитроны и мезоны. Мезоны — частицы с массой, в сотни раз большей, чем масса электрона, и зарядом, равным заряду электрона. Таким образом, в составе космических лучей оказываются все перечисленные виды частиц. Эти частицы летят с огромной скоростью и вновь взаимодействуют с встречающимися на их пути атомами. Взаимодействие мезонов с веществом заключается в полном разрушении отдельных атомов и образовании нейтронов, протонов, электронов и позитронов. Нейтроны и протоны несут большую энергию. Взаимодействие их с атомами ведет к образованию радиоактивных элементов. В результате столкновения нейтронов с атомами азота получается радиоактивный углерод с массовым числом 14 и периодом полураспада, равным приблизительно 5570 годам. Этот процесс происходит в земной атмосфере в огромных масштабах.
Космические лучи идут из мирового пространства и днем, и ночью, и зимой, и летом. Интенсивность космических лучей заметно не меняется с веками. Это привело к тому, что в нашей атмосфере в течение длительного времени с одинаковой скоростью образуется из азота радиоактивный углерод, а из него — радиоактивный углекислый газ.
Углекислый газ, находящийся в атмосфере, поглощается растениями, и из него, воды и других веществ получаются углеводы, жиры и белки. Из растений углеводы, содержащие радиоактивный углерод, вместе с пищей попадают в организмы животных. Сама природа метит вещества так, как их метят исследователи в лабораториях. Количество радиоактивного углекислого газа в атмосфере неизменно, так как постоянны и скорость его образования в результате воздействия космических лучей и скорость его радиоактивного распада. Поэтому и доля радиоактивного углерода в живых организмах совершенно определенна. В одном грамме углерода недавно полученной клетчатки, взятого из любого растения, содержится одно и то же количество атомов радиоактивного углерода, а именно, около 75 миллиардов атомов вне зависимости от того, что это за растение и где оно произрастает.
Из 75 миллиардов атомов радиоактивного углерода за две минуты распадается только 17 атомов (распад сопровождается излучением бета-частиц). Такую небольшую активность обнаружить чрезвычайно трудно, но можно. Поэтому ученым пришлось применять специальные методы измерения радиоактивности природных веществ, содержащих радиоактивный углерод.
