Изотопы

ИЗОТО́ПЫ -ов; мн. (ед. изото́п, -а; м.). [от греч. isos - равный и topos - место] Спец. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомов. Радиоактивные изотопы. Изотопы урана.

◁ Изото́пный, -ая, -ое. И. индикатор.

изото́пы

История исследований
Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1906-10 гг. при изучении свойств радиоактивных превращений атомов тяжелых элементов. В 1906-07 гг. было обнаружено, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют те же химические свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того: все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. По предложению английского ученого Ф. Содди (см. СОДДИ Фредерик) , такие вещества стали называть изотопами.
После того как изотопы были обнаружены у тяжелых радиоактивных элементов, начались поиски изотопов у стабильных элементов. Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона (см. ТОМСОН Джозеф Джон) и Ф. Астона (см. АСТОН Фрэнсис Уильям) . Томсон в 1913 г. обнаружил стабильные изотопы у неона. Астон, проводивший исследования с помощью сконструированного им прибора, названного масс-спектрографом (или масс-спектрометром), используя метод масс-спектрометрии (см. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ) , доказал, что и многие другие стабильные химические элементы имеют изотопы. В 1919 г. он получил доказательства существования двух изотопов 20 Ne и 22 Ne, относительное содержание (распространенность) которых в природе составляет приблизительно 91% и 9% . В дальнейшем был обнаружен изотоп 21 Ne с распространенностью 0,26%, изотопы хлора, ртути и ряда других элементов.
Масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан А. Дж. Демпстером (см. ДЕМПСТЕР Артур Джефри) . В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей была составлена почти полная таблица изотопных составов. В 1932 г. был открыт нейтрон - частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода - протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное определение понятия изотопов: изотопы - это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Примерно к 1940 г. изотопный анализ был проведен для всех известных к тому времени химических элементов.
При изучении радиоактивности было открыто около 40 природных радиоактивных веществ. Они были объединены в радиоактивные семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана. К природным относятся все стабильные разновидности атомов (их около 280) и все естественно радиоактивные, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Все остальные изотопы получены в результате ядерных реакций.
Впервые в 1934 г. И. Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Ирен) и Ф. Жолио-Кюри (см. ЖОЛИО-КЮРИ Фредерик) получили искусственным путем радиоактивные изотоп азота (13 N), кремния (28 Si) и фосфора (30 P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. Среди известных в настоящее время искусственных радиоизотопов более 150 принадлежат трансурановым элементам (см. ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) , не встречающимся на Земле. Теоретически допускается, что число разновидностей изотопов, способных к существованию, может достигать порядка 6000.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "изотопы" в других словарях:

Современная энциклопедия

Изотопы - (от изо... и греческого topos место), разновидности химических элементов, у которых ядра атомов (нуклидов) отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе химических … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (от изо... и греч. topos место) разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают… … Большой Энциклопедический словарь

ИЗОТОПЫ - ИЗОТОПЫ, хим. элементы, расположенные в одной и той же клетке периодической системы и следовательно обладающие одинаковым атомным номером или порядко вым числом. При этом И. не должны, вообще говоря, обладать одинаковым атомным весом. Различные… … Большая медицинская энциклопедия

Разновидности данного хим. элемента, различающиеся по массе ядер. Обладая одинаковыми зарядами ядер Z, но различаясь числом нейтронов, И. имеют одинаковое строение электронных оболочек, т. е. очень близкие хим. св ва, и занимают одно и то же… … Физическая энциклопедия

Атомы одного и того же хим. элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов; имеют разные атомные массы, обладают одними и теми же хим. свойствами, но различаются по своим физ. свойствам, в частности… … Словарь микробиологии

Атомы хим. элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый заряд атомных ядер и поэтому занимающие одно место в периодической системе Менделеева. Атомы разных изотопов одного и того же хим. элемента отличаются по числу… … Геологическая энциклопедия

Изотопы, особенно радиоактивные, имеют многочисленные применения. В табл. 1.13 указаны отдельные примеры некоторых промышленных применений изотопов. Каждая методика, упоминаемая в этой таблице, используется также и в других отраслях промышленности. Например, методика определения утечки вещества с помощью радиоизотопов используется: в производстве напитков-для определения утечки из накопительных баков и трубопроводов; в строительстве инженерных сооружений -для

Таблица 1.13. Некоторые применения радиоизотопов

Стерилизованный слабым источником радиоактивного излучения самец мухи цеце маркируется для последующего обнаружения (Буркина-Фасо). Эта процедура является частью эксперимента, проводимого для изучения мухи цеце и установления эффективных мер контроля, препятствующих широкому распространению трипаносомоза (сонной болезни). Муха цеце является переносчиком этого заболевания и заражает им людей, домашних животных и дикий скот. Сонная болезнь чрезвычайно распространена в некоторых частях Африки.

определения утечки из подземных водоводов; в энергетической промышленности-для определения утечки из теплообменников на электростанциях; в нефтяной промышленности-для определения утечки из подземных нефтепроводов; в службе контроля сточных и канализационных вод-для определения утечки из магистральных коллекторов.

Изотопы также широко используются в научных исследованиях . В частности, они используются для определения механизмов химических реакций. В качестве примера укажем использование воды, меченной устойчивым изотопом кислорода 18O, для изучения гидролиза сложных эфиров, подобных этилацетату (см. также разд. 19.3). С использованием масс-спектрометрии для обнаружения изотопа 18O было установлено, что при гидролизе атом кислорода из молекулы воды переходит в уксусную кислоту, а не в этанол

Радиоизотопы широко используются в роли меченых атомов в биологических исследованиях. Для того чтобы прослеживать метаболические пути * в живых системах, используют радиоизотопы углерод-14, тритий, фосфор-32 и сера-35. Например, усвоение фосфора растениями из обработанной удобрениями почвы можно проследить, пользуясь удобрениями, которые содержат примесь фосфора-32.

Радиационная терапия . Ионизирующее излучение способно разрушать живые ткани. Ткани злокачественных опухолей более чувствительны к облучению, чем здоровые ткани. Это позволяет лечить раковые заболевания при помощи у-лучей, испускаемых из источника, в качестве которого используется радиоактивный изотоп кобальт-60. Излучение направляют на пораженный опухолью участок тела больного; сеанс лечения длится несколько минут и повторяется ежедневно в течение 2-6 недель. Во время сеанса все остальные части тела больного должны быть тщательно закрыты непроницаемым для излучения материалом, чтобы предотвратить разрушение здоровых тканей.

Определение возраста образцов при помощи радиоуглерода. Небольшая часть того диоксида углерода, который находится в атмосфере, содержит радиоактивный изотоп "бС. Растения поглощают этот изотоп в процессе фотосинтеза. Поэтому ткани всех

* Метаболизм-это совокупность всех химических реакций, протекающих в клетках живых организмов. В результате метаболических реакций происходит превращение питательных веществ в полезную энергию или в составные части клеток . Метаболические реакции обычно протекают в несколько простых этапов -стадий. Последовательность всех стадий метаболической реакции называется метаболическим путем (механизмом).

Радиоизотопы используются для наблюдения за механизмами осаждения наносов в устьях рек, портах и доках.

Использование радиоизотопов для получения фотографического изображения камеры сгорания реактивного двигателя в Центре неповреждающих испытаний лондонского аэропорта Хитроу. (На плакатах надписи: Радиация. Не подходить.) Радиоизотопы широко используются в промышленности для проведения неповреждающих испытаний.

Живые ткани обладают постоянным уровнем радиоактивности, потому что его убывание из-за радиоактивного распада компенсируется постоянным поступлением радиоуглерода из атмосферы. Однако, как только наступает смерть растения или животного, прекращается поступление радиоуглерода в его ткани. Это приводит к постепенному снижению уровня радиоактивности мертвых тканей.

Метод радиоуглеродной датировки позволил установить, что образцы древесного угля из Стоунхенджа имеют возраст около 4000 лет.

Радиоуглеродный метод геохронологии разработал в 1946 г. У.Ф. Либби, получивший за него Нобелевскую премию по химии в 1960 г. Этот метод широко используется в настоящее время археологами, антропологами и геологами для датировки образцов, имеющих возраст вплоть до 35000 лет. Точность этого метода-приблизительно 300 лет. Наилучшие результаты получаются при определении возраста шерсти, семян, ракушек и костей. Для определения возраста образца измеряют активность р-излучения (число распадов в минуту) в расчете на 1 г содержащегося в нем углерода. Это позволяет установить возраст образца при помощи кривой радиоактивного распада для изотопа 14С.

Какой возраст имеют Земля и Луна?

Многие горные породы на Земле и Луне содержат радиоизотопы с периодами полураспада порядка 10-9 -10-10 лет. Измеряя и сравнивая относительное содержание этих радиоизотопов с относительным содержанием продуктов их распада в образцах таких горных пороl, можно установить их возраст. Три наиболее важных метода геохронологии основаны на определении относительного содержания изотопов К (период полураспада 1,4-109 лет). "Rb (период полураспада 6 1O10 лет) и 2I29U (период полураспада 4,50-109 лет).

Метод датировки по калию и аргону . Такие минералы, как слюда и некоторые разновидности полевого шпата, содержат небольшое количество радиоизотопа калий-40. Он распадается, претерпевая электронный захват и превращаясь в аргон-40:

Возраст образца определяется на основе вычислений, в которых используются данные об относительном содержании в образце калия-40 по сравнению с арго-ном-40.

Метол датировки по рубидию и стронцию . Некоторые из наиболее древних горных пород на Земле, например граниты с западного побережья Гренландии, содержат рубидий. Приблизительно третья часть всех атомов рубидия приходится на долю радиоактивного рубидия-87. Этот радиоизотоп распадается, превращаясь в устойчивый изотоп стронций-87. Вычисления, основанные на использовании данных об относительном содержании в образцах изотопов рубидия и стронция, позволяют устанавливать возраст таких горных пород.

Метод датировки по урану и свинцу . Изотопы урана распадаются, превращаясь в изотопы свинца. Возраст таких минералов, как апатиты, которые содержат примеси урана, можно определять, сравнивая содержание в их образцах определенных изотопов урана и свинца.

Все три описанных метода использовались для датировки земных горных пород. Полученные в результате данные указывают, что возраст Земли равен 4,6-109 лет. Указанные методы использовались также для определения возраста лунных горных пород, доставленных на Землю из космических экспедиций. Возраст этих пород составляет от 3,2 до 4,2 *10 9 лет.

ядерное деление и ядерный синтез

Мы уже упоминали, что экспериментальные значения изотопных масс оказываются меньше значений, вычисленных как сумма масс всех входящих в ядро элементарных частиц. Разность между вычисленным и экспериментальным значением атомной массы называется дефект массы. Дефект массы соответствует энергии, необходимой для преодоления сил отталкивания между частицами с одинаковым зарядом в атомном ядре и связывания их в единое ядро; по этой причине она называется энергия связи. Энергию связи можно вычислить через дефект массы при помощи уравнения Эйнштейна

где E-энергия, m-масса и с-скорость света.

Энергию связи принято выражать в мегаэлектронвольтах (1 МэВ = 106 эВ) на одну субъядерную частицу (нуклон). Электронвольт-это энергия, которую приобретает или теряет частица с единичным элементарным зарядом (равным по абсолютной величине заряду электрона), перемещаемая между точками с разностью электрического потенциала в 1 В (1 МэВ = 9,6* 10 10 Дж/моль).

Например, энергия связи, приходящаяся на один нуклон, в ядре гелия приблизительно равна 7 МэВ, а в ядре хлора-35 она составляет 8,5 МэВ.

Чем больше энергия связи на один нуклон, тем больше устойчивость ядра. На рис. 1.33 показана зависимость энергии связи от массового числа элементов. Следует обратить внимание на то, что наибольшей устойчивостью обладают элементы с массовым числом, близким к 60. К таким элементам относятся 56Fe, 59Co, 59Ni и 64Cu. Элементы с более низкими массовыми числами могут, по крайней мере с теоретической точки зрения, повышать свою устойчивость в результате увеличения их массового числа. На практике, однако, представляется возможным увеличивать массовые числа только наиболее легких элементов, таких, как водород. (Гелий обладает аномально высокой устойчивостью; энергия связи нуклонов в ядре гелия не укладывается на кривую, изображенную на рис. 1.33.) Массовое число таких элементов увеличивается в процессе, называемом ядерным синтезом (см. ниже).

Изучая явление радиоактивности, ученые в первое десятилетие XX в. открыли большое количество радиоактивных веществ - около 40. Их было значительно больше, чем свободных мест в периодической системе элементов в промежутке между висмутом и ураном. Природа этих веществ вызывала споры. Одни исследователи считали их самостоятельными химическими элементами, но в таком случае оказывался неразрешимым вопрос об их размещении в таблице Менделеева. Другие вообще отказывали им в праве называться элементами в классическом понимании. В 1902 г. английский физик Д. Мартин назвал такие вещества радиоэлементами. По мере их изучения выяснилось, что некоторые радиоэлементы имеют совершенно одинаковые химические свойства, но различаются по величинам атомных масс. Это обстоятельство противоречило основным положениям периодического закона. Разрешил противоречие английский ученый Ф. Содди. В 1913 г. он назвал химически сходные радиоэлементы изотопами (от греческих слов, означающих «одинаковый» и «место»), т. е. занимающими одно и то же место в периодической системе. Радиоэлементы оказались изотопами естественных радиоактивных элементов. Все они объединяются в три радиоактивных семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана.

Изотопы кислорода. Изобары калия и аргона (изобары - атомы различных элементов с одинаковым массовым числом).

Число стабильных изотопов для четных и нечетных элементов.

Вскоре выяснилось, что и у остальных стабильных химических элементов тоже есть изотопы. Основная заслуга в их открытии принадлежит английскому физику Ф. Астону. Он обнаружил стабильные изотопы у многих элементов.

С современной точки зрения изотопы - это разновидности атомов химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра.

Их ядра, таким образом, содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Например, природные изотопы кислорода с Z = 8 содержат в ядрах соответственно 8, 9 и 10 нейтронов. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре изотопа называется массовым числом A. Следовательно, массовые числа указанных изотопов кислорода 16, 17 и 18. Ныне принято такое обозначение изотопов: слева внизу от символа элемента дается величина Z, слева вверху - величина A. Например: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

После открытия явления искусственной радиоактивности с помощью ядерных реакций было получено около 1800 искусственных радиоактивных изотопов для элементов с Z от 1 до 110. У подавляющего большинства искусственных радиоизотопов очень малые периоды полураспада, измеряемые секундами и долями секунд; лишь немногие имеют сравнительно большую продолжительность жизни (например, 10 Ве - 2,7 10 6 лет, 26 Al - 8 10 5 лет и т. д.).

Стабильные элементы представлены в природе примерно 280 изотопами. Однако некоторые из них оказались в слабой степени радиоактивными, с огромными периодами полураспада (например, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Продолжительность жизни этих изотопов столь велика, что позволяет рассматривать их как стабильные.

В мире стабильных изотопов еще немало проблем. Так, неясно, почему их количество у разных элементов столь сильно различается. Около 25% стабильных элементов (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) представлены в природе лишь одним видом атомов. Это так называемые элементы-одиночки. Интересно, что все они (кроме Be) имеют нечетные значения Z. И вообще для нечетных элементов число стабильных изотопов не превышает двух. Напротив, некоторые элементы с четными Z состоят из большого числа изотопов (например, Xe имеет 9, Sn - 10 стабильных изотопов).

Совокупность стабильных изотопов у данного элемента называют плеядой. Содержание их в плеяде нередко сильно колеблется. Интересно отметить, что больше всего содержание изотопов с величинами массовых чисел, кратными четырем (12 C, 16 O, 20 Ca и т. д.), хотя есть и исключения из этого правила.

Отрытие стабильных изотопов позволило разгадать многолетнюю загадку атомных масс - их отклонение от целых чисел, объясняющееся различным процентным содержанием стабильных изотопов элементов в плеяде.

В ядерной физике известно понятие «изобары». Изобарами называют изотопы различных элементов (т. е. с разными значениями Z), имеющие одинаковые массовые числа. Изучение изобаров способствовало установлению многих важных закономерностей поведения и свойств атомных ядер. Одну из таких закономерностей выражает правило, сформулированное советским химиком С. А. Щукаревым и иемецким физиком И. Маттаухом. Оно гласит: если лва изобара различаются по значениям Z на 1, то один из них обязательно будет радиоактивным. Классический пример пары изобаров - 40 18 Ar - 40 19 K. В ней изотоп калия радиоактивен. Правило Щукарева - Маттауха позволило объяснить, почему отсутствуют стабильные изотопы у элементов технеция (Z = 43) и прометия (Z = 61). Поскольку они имеют нечетные значения Z, то нельзя было для них ожидать более двух стабильных изотопов. Но оказалось, что изобары технеция и прометия, соответственно изотопы молибдена (Z = 42) и рутения (Z = 44), неодима (Z = 60) и самария (Z = 62), представлены в природе стабильными разновидностями атомов в большом диапазоне массовых чисел. Тем самым физические закономерности накладывают запрет на существование стабильных изотопов технеция и прометия. Вот почему эти элементы фактически не существуют в природе и их пришлось синтезировать искусственно.

Ученые уже давно пытаются разработать периодическую систему изотопов. Конечно, в её основе лежат другие принципы, нежели в основе периодической системы элементов. Но эти попытки пока не привели к удовлетворительным результатам. Правда, физики доказали, что последовательность заполнения протонных и нейтронных оболочек в атомных ядрах в принципе подобна построению электронных оболочек и подоболочек в атомах (см. Атом).

Электронные оболочки у изотопов данного элемента построены совершенно одинаково. Поэтому практически тождественны их химические и физические свойства. Только изотопы водорода (протий и дейтерий) и их соединения обнаруживают заметные различия в свойствах. Например, тяжелая вода (D 2 O) замерзает при +3,8, кипит при 101,4 °C, имеет плотность 1,1059 г/см 3 , не поддерживает жизни животных и растительных организмов. При электролизе воды на водород и кислород разлагаются преимущественно молекулы H 2 0, тогда как молекулы тяжелой воды остаются в электролизере.

Разделение изотопов других элементов - задача чрезвычайно сложная. Тем не менее во многих случаях необходимы изотопы отдельных элементов со значительно измененным по сравнению с природным содержанием. Например, при решении проблемы атомной энергии возникла необходимость разделения изотопов 235 U и 238 U. Для этой цели сначала был применен метод масс-спектрометрии, с помощью которого в 1944 г. в США были получены первые килограммы урана‑235. Однако этот метод оказался слишком дорогим и был заменен методом газовой диффузии, в котором использовался UF 6 . Сейчас существует несколько методов разделения изотопов, однако все они достаточно сложны и дороги. И всё‑таки проблема «разделения неразделимого» успешно решается.

Появилась новая научная дисциплина - химия изотопов. Она изучает поведение различных изотопов химических элементов в химических реакциях и процессы изотопного обмена. В результате этих процессов происходит перераспределение изотопов данного элемента между реагирующими веществами. Вот простейший пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула воды обменивает атом протия на атом дейтерия). Развивается и геохимия изотопов. Она исследует колебания изотопного состава разных элементов в земной коре.

Широчайшее применение находят так называемые меченые атомы - искусственные радиоактивные изотопы стабильных элементов или стабильные изотопы. С помощью изотопных индикаторов - меченых атомов - изучают пути перемещения элементов в неживой и живой природе, характер распределения веществ и элементов в различных объектах. Изотопы применяются в ядерной технике: как материалы конструкций ядерных реакторов; в качестве ядерного горючего (изотопы тория, урана, плутония); в термоядерном синтезе (дейтерий, 6 Li, 3 He). Радиоактивные изотопы также широко используются в качестве источников излучений.

/ На переднем крае науки и техники

Что такое изотопы

При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество. В Периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку. Таким разновидностям одного и того же вещества было дано название «изотопы» (от греческого isos - одинаковый и topos – место). Итак, изотопы – это разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

Как известно, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. В самом деле, заряд ядра изотопов одного элемента одинаков, следовательно, количество протонов в ядре одинаково. Ядра различаются по массе, соответственно они содержат разное количество нейтронов.

Изотопы бывают стабильными и нестабильными. На сегодняшний день известно около 270 стабильных изотопов и более 2000 нестабильных. Стабильные изотопы – это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.

Большая часть нестабильных изотопов была получена искусственным путём. Нестабильные изотопы радиоактивны, их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц и/или излучений. Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд. Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно количество изотопов ограничено. У чётных по количеству протонов элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти. Например, олово имеет 10 изотопов, ксенон – 9, ртуть – 7 и так далее.

Те элементы, количество протонов которых нечётно, могут иметь лишь по два стабильных изотопа. У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп. Это такие вещества, как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие. Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связаны со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.

Практически все вещества в природе существуют в виде смеси изотопов. Количество изотопов в составе вещества зависит от вида вещества, атомной массы и количества стабильных изотопов данного химического элемента.

Где применяют изотопы

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Стабильные изотопы нашли наибольшее применение в химии (для изучения механизма химических реакций, процессов горения, катализа, синтеза химических соединений, в спектрометрии), в биологии, физиологии, биохимии и агрохимии (для изучения процессов обмена веществ в живых организмах, превращения белков, жирных и аминокислот, процессов фотосинтеза в растениях, движения воды от корня по стеблю к листьям и плодам). Они также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счётчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счёта более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов. Перечисленное, однако, далеко не исчерпывает все существующие и возможные области использования изотопов. Более того, сфера их использования как эффективных помощников в решении целого ряда научных и прикладных проблем расширяется с каждым годом.

В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны.

В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопов связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во второй половине XX века. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы, железа, йода были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и прочих биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. Использование изотопов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза. С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и других мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решён ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растениях, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервные и мышечные ткани, кальция в кости). Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за «судьбой» отдельных атомов и химических групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении современных схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах.

В медицине с помощью изотопов были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний. Изотопы вводят в организм в крайне малых количествах, не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Различные элементы неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и изотопы. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют специальными приборами. Так, можно определить состояние большого и малого круга кровообращения, сердечного кровообращения, скорости кроветока, получить изображение полостей сердца.

Для чего нужен дыхательный тест

Выдыхаемый человеком воздух содержит столько информации, что, научившись анализировать её, можно составить полнейшее представление о состоянии организма. Можно поставить диагноз в зависимости от состава выдыхаемого воздуха. На этом основан новый метод исследования пищеварительной системы человека, при котором применяются так называемые дыхательные тесты. Его самый очевидный плюс – нет опасности заразиться гепатитом или СПИДом. А традиционные трубки для осмотра желудка, взятия желудочного сока при плохой дезинфекции могут стать причиной этих и других вирусных инфекций. Метод этот весьма точен – примерно 90% достоверности.

«Не навреди» – основной принцип медицины с древних пор. Дыхательные диагностические тесты заболеваний полностью ему удовлетворяют в отличие от зондирования и биопсии. А использование тест-препаратов со стабильным изотопом углерода 13С (так обозначают изотоп с атомным весом, то есть общим числом нейтронов и протонов в ядре равным 13) исключает и возможность радиоактивного облучения (не только пациентов, но и персонала). Выпил раствор 13С-препарата и по содержанию 13СО 2 (углекислого газа) в выдыхаемом воздухе определил состояние того или иного органа – просто, точно и безопасно. Но ещё более широкие возможности открывают новейшие 13С-магниторезонансные методы, которые позволяют получать высококачественные снимки опухолей, сосудов... и даже контролировать метаболические процессы, а значит, и наше здоровье без использования рентгеновских, радиоизотопных и прочих дорогих, сложных и небезопасных методов диагностики.

Стабильно-изотопная диагностика – это не больно!

Вы заходите в кабинет гастроэнтеролога. Вам дают выпить раствор препарата, растворённый в апельсиновом соке, и через 20 минут просят выдохнуть в пробирку. Выдохнули! А всё остальное сделает доктор. Он присоединит эту пробирку к специальному прибору и сообщит результат: опаснейшая бактерия H. pylori у вас отсутствует.

А что за препарат в соке растворяли? Да самую обычную мочевину. Но вместо распространённого углерода 12С её молекула содержит изотоп 13С, которого в природе немного – чуть больше 1%, но он есть везде, и в теле человека его около двухсот граммов. Это так называемый стабильный изотоп углерода, который не распадается, ничего не излучает и отличается от «обычного» атома 12С только тем, что он чуть тяжелее – на один нейтрон.

Ценность изотопа 13С в том, что он нисколько не меняет химические свойства веществ, благодаря чему мы можем принимать 13С-препараты без вреда для здоровья. Этот изотоп легко увидеть с помощью современных приборов, на чём и основана стабильно-изотопная диагностика: если зловредная H. pylori всё же попала в ваш организм, её фермент (уреаза) быстро разлагает мочевину, образующийся углекислый газ кровью переносится в лёгкие и удаляется с выдыхаемым воздухом. Выпив раствор 13С-мочевины, вы выдохните 13СО 2 , что и увидит доктор на экране прибора.

И не надо глотать жуткие скользкие металлические шланги-зонды. Помимо всего прочего эти методы обладают высочайшей точностью (до 100%) и специфичностью (поставленный диагноз будет однозначен). Именно благодаря этим достоинствам можно получить массу информации, например: как работает желудок (перистальтика), поджелудочная железа (хорошо ли усваиваются жиры), здорова ли печень (циррозы, гепатиты) и так далее.

Для того чтобы применять активные изотопы в медицине, нужно налаженное производство веществ, их содержащих, то есть меченых. Такого производства в России нет.

За рубежом стабильно-изотопные медицин­ские тест-препараты выпускаются уже более 15 лет, и производство их продолжает расти. Иностранными фирмами освоен выпуск нескольких сотен диагностических субстанций и ряда готовых лекарственных форм. Диагностические приборы выпускаются различными фирмами и используются для рутинных анализов, благодаря чему в развитых странах метод СИД (стабильно-изотопной диагностики) вошёл в повседневную практику врачей. Однако лишь немногие страны (в основном США) имеют собственное производство стабильно-изотопных соединений; остальные вынуждены приобретать их на внешнем рынке.

В то же время перечень заболеваний, выявляемых с помощью тест-препаратов на основе стабильных изотопов, быстро растёт и включает болезни органов пищеварения, печени, поджелудочной железы. Метод применяют для выявления ряда онкологических заболеваний, заболеваний крови, центральной нервной системы (ЦНС), а также в эндокринологии (диабет). В целом, медицинская диагностика с помощью стабильных изотопов быстро развивается и имеет большие перспективы.

Наиболее востребованны органические соединения, меченные лёгкими стабильными изотопами 13С.

В России существуют объективные условия быстрого развития данного направления. Госкорпорация «Росатом» выпускает изотопное сырьё высшего качества – двуокись углерода (113CO 2), пригодное для производства медицинских тест-препаратов, освоено производство окиси углерода (13CO).

В 2007 году по инициативе авторов проекта на базе научно-технической программы правительства Москвы (Департамент науки) «Разработка и практическое освоение в здравоохранении новых методов и средств профилактики, диагностики и лечения онкологических, инфекционных и других опасных заболеваний» начато выполнение этой программы НИОКР. В работе участвовали ведущие медицинские научные центры: ГНЦ РФ – ИМБП РАН, НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН и ряд других научных организаций.

В настоящее время впервые в нашей стране разработаны способы получения 14 различных 13С‑препаратов медицинского назначения. В соответствии с приказом Минздравсоцразвития РФ от 25.08.2005 г. № 539 начата подготовка производства первого в России препарата СИД «Геликотест» на основе высокообогащённого (99%) 13С‑карбамида для диагностики Helicobacterpylori методом дыхательного теста. Разработан оригинальный и недорогой отечественный прибор для массовой 13С‑диагностики методом дыхательных тестов (изготовлены действующие образцы прибора для медицинской регистрации). Проведена успешная медицинская апробация дыхательных тестов с использованием ряда 13С‑препаратов.

В ходе выполнения работ участниками проекта получены патенты РФ. Растёт интерес к данной проблеме в отечественной медицине.

Однако российские медицинские организации в отсутствие отечественных препаратов СИД вынуждены закупать их по импорту. Вместе с тем началось проникновение на внутренний рынок зарубежных компаний, поставляющих дорогие импортные 13С-препараты.

Рыночные цены меченых соединений составляют от 100 до 1000 долларов США (и более) за 1 грамм вещества; потребность составляет более 1000 килограммов в год и постоянно растёт. Только Москве для однократной диспансеризации населения требуются сотни килограммов 13С-карбамида, а номенклатура необходимых препаратов СИД превышает 20 наименований. С учётом значительного роста потребности медицины и других областей в стабильно-изотопных тест-препаратах производство этой продукции должно возрастать ускоренными темпами.

Итоговые перспективы проекта СИД

Проектом предусмотрено решение трёх основных задач:

1) разработка новых способов получения 13С-продуктов и значительное расширение их номенклатуры с целью широкого внедрения методов стабильно-изотопной диагностики в практику российского здравоохранения;

2) создание новой наукоёмкой отечественной продукции – высокообогащённых (99%) 13С‑препаратов – для реализации на внешнем рынке;

3) освоение и развитие новых областей использования стабильно-изотопных продуктов – в криминалистике, судебно-медицинской экспертизе, космической медицине, антидопинговом контроле, экологии, геологии, геофизике, изучении биосинтеза и других научных исследованиях, производстве стандартных образцов.

Первая задача предполагает разработку методов синтеза и создание научных основ производства стабильно-изотопных препаратов медицинского назначения, содействие в разработке и производстве диагностических приборов и оборудования, широком освоении методов СИД в различных областях отечественной медицины.

Вторая задача нацелена на производство и продажу большой номенклатуры отечественных стабильно-изотопных продуктов на мировом рынке. Отличительная особенность продукции – её экономическая эффективность (малые количества и высокие цены).

Решение третьей задачи обеспечит выпуск и использование тест-препаратов специального назначения независимо от рыночной конъюнктуры (то есть от импорта), а также ускоренное развитие ряда областей экономики.

В ходе работы планируется разработка новых способов синтеза 13С-продуктов для производ­ства диагностических препаратов для дыхательных тестов.

В итоге работы ожидаются следующие результаты:

– расширение номенклатуры отечественных 13С-продуктов, принадлежащих к разным классам соединений, до 40–50 наименований, включая моно- и поликарбоновые органические (в том числе ароматические) кислоты и их производные, аминокислоты, углеводы, мочевины, циклические карбонаты и другие;

– научные основы технологий эффективного производства 13С-продуктов;

– установки синтеза 13С-продуктов в количествах, необходимых для проведения медицин­ских и иных испытаний с целью создания отечественной стабильно-изотопной диагностики (включая разработку и медицинскую регистрацию 13С-препаратов и приборов для дыхательных тестов);

– образцы 13С-продуктов медицинского и иного назначения.

Полученные результаты позволят приступить к организации серийного производства 13С-препаратов для дыхательных тестов, а также 13С-продуктов иного назначения, в том числе для их поставок на экспорт, провести клиническую апробацию и внедрение методов 13С‑диагностики заболеваний с помощью 13С-компьютерной томографии, расширять исследования в смежных (немедицинских) областях использования 13С-тест-препаратов и продуктов.

Развитие данного направления значительно расширит возможности российского здравоохранения, уменьшит его зависимость от импорта, повысит экспортопригодность отечественной наукоёмкой продукции, будет способствовать увеличению её доли на мировом рынке.

Учёные РН-ЦИР ведут успешные исследования в этом направлении и ожидают хороших результатов.

Оценить:

Ещё древние философы высказывали предположение, что материя строится из атомов. Однако о том, что сами «кирпичики» мироздания состоят из мельчайших частиц, учёные начали догадываться лишь на стыке XIX и XX веков. Опыты, доказывающие это, произвели в науке в своё время настоящую революцию. Именно количественное соотношение составных частей отличает один химический элемент от другого. Каждому из них отведено своё место в согласно порядковому номеру. Но существуют разновидности атомов, занимающие в таблице одни и те же клетки, несмотря на различие в массе и свойствах. Почему это так и о том, что такое изотопы в химии, будет рассказано далее.

Атом и его частицы

Исследуя структуру материи посредством бомбардировки альфа-частицами, Э. Резерфорд доказал в 1910 году, что основное пространство атома заполнено пустотой. И только в центре находится ядро. Вокруг него по орбиталям двигаются отрицательные электроны, составляя оболочку этой системы. Так была создана планетарная модель «кирпичиков» материи.

Что такое изотопы? Вспомните из курса химии, что ядро тоже имеет сложное строение. Оно состоит из положительных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Количество первых определяет качественные характеристики химического элемента. Именно число протонов отличает вещества друг от друга, наделяя их ядра определённым зарядом. И по этому признаку им присваивается порядковый номер в таблице Менделеева. Но количество нейтронов у одного и того же химического элемента дифференцирует их на изотопы. Определение в химии данному понятию поэтому можно дать следующее. Это разновидности атомов, отличающиеся по составу ядра, обладающие одинаковым зарядом и порядковым номеров, но имеющие разные массовые числа, ввиду различий в количестве нейтронов.

Обозначения

Изучая химию в 9 классе и изотопы, школьники узнают о принятых условных обозначениях. Буквой Z отмечается заряд ядра. Это цифра совпадает с количеством протонов и поэтому является их показателем. Сумма этих элементов с нейтронами, отмечаемыми значком N, составляет А - массовое число. Семейство изотопов одного вещества, как правило, обозначается значком того химического элемента, которых в таблице Менделеева наделяется порядковым номером, совпадающим с числом протонов в нём. Левый верхний индекс, добавляемый к указанному значку соответствует массовому числу. К примеру, 238 U. Заряд элемента (в данном случае урана, отмеченного порядковым номером 92) обозначается похожим индексом снизу.

Зная эти данные, легко можно подсчитать количество нейтронов у данного изотопа. Оно равно массовому числу за вычетом порядкового номера: 238 - 92 = 146. Количество нейтронов могло бы быть меньше, от этого данный химический элемент не перестал бы оставаться ураном. Следует заметить, что чаще всего у других, более простых, веществ число протонов и нейтронов приблизительно совпадает. Подобные сведения помогают понять, что такое изотоп в химии.

Нуклоны

Индивидуальностью определённый элемент наделяет именно число протонов, а количество нейтронов на неё никаким образом не влияет. Но атомная масса составляется из этих двух указанных элементов, имеющих общее наименование «нуклоны», представляя собой их сумму. Однако этот показатель не зависит от формирующих отрицательно заряженную оболочку атома. Почему? Стоит только сравнить.

Доля массы протона в атоме велика и составляет приблизительно 1 а. е. м. или 1,672 621 898(21)·10 -27 кг. Нейтрон близок к показателям этой частицы (1,674 927 471(21)·10 -27 кг). А вот масса электрона в тысячи раз меньше, считается ничтожной и не учитывается. Вот почему, зная верхний индекс элемента в химии, состав ядра изотопов узнать несложно.

Изотопы водорода

Изотопы некоторых элементов настолько известны и распространены в природе, что получили собственные наименования. Ярким и наиболее простым примером тому может служить водород. В естественных условиях он содержится в своей самой распространённой разновидности протия. Этот элемент имеет массовое число 1, а ядро его состоит из одного протона.

Так что такое изотопы водорода в химии? Как известно, атомы этого вещества имеют первый номер в таблице Менделеева и соответственно наделены в природе зарядовым числом 1. Но количество нейтронов в ядре атома у них различно. Дейтерий, являясь тяжёлым водородом, помимо протона имеет в составе ядра ещё одну частицу, то есть нейтрон. В результате это вещество проявляет собственные физические свойства, в отличие от протия, обладая собственным весом, температурой плавления и кипения.

Тритий

Сложнее всех устроен тритий. Это сверхтяжёлый водород. В соответствии с определением изотопов в химии, он имеет зарядовое число 1, но массовое число 3. Его часто называют тритоном, потому что помимо одного протона, он имеет в составе ядра два нейтрона, то есть состоит из трёх элементов. Наименование этого элемента, открытого в 1934 году Резерфордом, Олифантом и Хартеком, было предложено ещё до его выявления.

Это неустойчивое вещество, проявляющее радиоактивные свойства. Ядро его обладает способностью расщепляться с выделение бета-частицы и электронного антинейтрино. Энергия распада данного вещества не очень велика и составляет 18,59 кэВ. Поэтому подобная радиация не является для человека слишком опасной. От неё способна защитить обыкновенная одежда и хирургические перчатки. А получаемый с пищей этот радиоактивный элемент быстро выводится из организма.

Изотопы урана

Гораздо опаснее оказываются различные типы урана, которых на сегодняшний день науке известно 26. Поэтому, рассказывая о том, что такое изотопы в химии, невозможно не упомянуть об этом элементе. Несмотря на разнообразие видов урана, в природе его изотопов встречается всего три. К ним относятся 234 U, 235 U, 238 U. Первый из них, обладая подходящими свойствами, активно применяется как топливо в ядерных реакторах. А последний - для производства плутония-239, который сам, в свою очередь, незаменим как ценнейшее топливо.

Каждый из радиоактивных элементов характеризуется собственным Это отрезок времени, в течение которого вещество расщепляется в отношении ½. То есть в результате этого процесса количество сохранившейся части вещества вдвое уменьшается. Этот отрезок времени для урана огромен. К примеру, для изотопа-234 он исчисляется в 270 тысячелетий, а для двух других указанных разновидностей он гораздо значительнее. Рекордный период полураспада - у урана-238, продолжающийся миллиарды лет.

Нуклиды

Не каждый из видов атома, характеризующихся собственным и строго определённым числом протонов и электронов, настолько стабилен, чтобы существовать хоть сколько-нибудь продолжительный период, достаточный для его изучения. Те из них, которые обладают относительной устойчивостью, называются нуклидами. Стабильные образования такого рода радиоактивному распаду не подвергаются. Нестабильные называются радионуклидами и тоже, в свою очередь, делятся на короткоживущие и долгожители. Как известно из уроков химии 11 класса о строении атомов изотопов, наибольшим числом радионуклидов обладают осмий и платина. По одному стабильному имеют кобальт и золото, а наибольшее количество устойчивых нуклидов у олова.

Вычисление порядкового номера изотопа

Теперь постараемся обобщить сведения, описанные ранее. Поняв, что такое изотопы в химии, пришло время выяснить, как можно использовать полученные знания. Рассмотрим это на конкретном примере. Допустим, известно, что некоторый химический элемент обладает массовым числом 181. При этом оболочка атома данного вещества содержит в себе 73 электрона. Как можно, воспользовавшись таблицей Менделеева, узнать название данного элемента, а также число протонов и нейтронов в составе его ядра?

Приступим к решению задачи. Определить наименование вещества можно, зная его порядковый номер, который соответствует количеству протонов. Так как число положительных и отрицательных зарядов в атоме равны, то оно составляет 73. Значит, это тантал. При том, общее количество нуклонов в сумме составляет 181, а значит, протонов у данного элемента 181 - 73 = 108. Достаточно просто.

Изотопы галлия

Элемент галлий в имеет порядковый номер 71. В природе у этого вещества есть два изотопа - 69 Ga и 71 Ga. Как определить процентное соотношение разновидностей галлия?

Решение задач на изотопы по химии почти всегда связано с информаций, которую можно получить из таблицы Менделеева. В этот раз следует поступить аналогичным образом. Определим из указанного источника среднюю атомную массу. Она равна 69,72. Обозначив за x и y количественное соотношение первого и второго изотопа, примем сумму их равной 1. А значит, в виде уравнения это запишется: x + y = 1. Отсюда следует, что 69x + 71y = 69,72. Выразив y через x и подставив первое уравнение во второе, получаем, что x = 0,64, а y = 0,36. Это значит, что 69 Ga содержится в природе 64 %, а процентное соотношение 71 Ga составляет 34 %.

Превращения изотопов

Радиоактивное расщепление изотопов с трансформацией их в другие элементы разделяется на три основных типа. Первым из них является альфа-распад. Он происходит с испусканием частицы, представляющей собой ядро атома гелия. То есть это образование, состоящие из совокупности пар нейтронов и протонов. Поскольку количество последних определяет зарядовое число и номер атома вещества в периодической системе, то в результате этого процесса происходит качественное превращение одного элемента в другой, а в таблице он сдвигается влево на две клетки. При этом массовое число элемента уменьшается на 4 единицы. Это мы знаем из о строении атомов изотопов.

При потере ядром атома бета-частицы, по сути представляющей собой электрон, меняется его состав. Один из нейтронов трансформируется в протон. Это значит, что качественные характеристики вещества вновь меняются, а элемент сдвигается в таблице на одну клетку вправо, практически не теряя при этом в массе. Обычно подобное превращение сопряжено с электромагнитным гамма-излучением.

Превращение изотопа радия

Вышеизложенные сведения и знания из химии 11 класса об изотопах снова помогают решать практические задачи. К примеру, следующие: 226 Ra при распаде превращается в химический элемент IV группы, обладающий массовым числом 206. Сколько альфа- и бета-частиц при этом он должен потерять?

Учитывая изменения в массе и группу дочернего элемента, воспользовавшись таблицей Менделеева, легко определить, что образовавшимся при расщеплении изотопом будет свинец с зарядом 82 и массовым числом 206. А учитывая зарядовое число этого элемента и исходного радия, следует предположить, что ядро его потеряло пять альфа-частиц и четыре бета-частицы.

Использование радиоактивных изотопов

Всем прекрасно известно, какой вред живым организмам может нанести радиоактивное излучение. Однако свойства радиоактивных изотопов бывают для человека полезны. Они с успехом применяются во многих отраслях промышленности. С их помощью возможно обнаружить утечку в инженерных и строительных сооружениях, подземных трубопроводах и нефтепроводах, накопительных баках, теплообменниках на электростанциях.

Указанные свойства активно используются также в научных экспериментах. К примеру, муха цеце является переносчиком многих серьёзных заболеваний для человека, скота и домашних животных. В целях предотвращения подобного самцов этих насекомых стерилизуют посредством слабого радиоактивного излучения. Изотопы также бывают незаменимы при изучении механизмов некоторых химических реакций, ведь атомами данных элементов можно метить воду и другие вещества.

При биологических исследованиях часто также используются меченые изотопы. К примеру, именно таким образом было установлено, как фосфор влияет на почву, рост и развитие культурных растений. С успехом свойства изотопов применяются и в медицине, что позволило лечить раковые опухоли и другие тяжёлые заболевания, определять возраст биологических организмов.