§ 37. Ізотопи. Використання ізотопів

Ізотопи. У § 32 ми вже з’ясували, що кожний хімічний елемент має різновиди, які називаються ізотопами.

Ізотопи — різновиди одного й того самого хімічного елемента, що близькі за своїми фізичними й однакові за хімічними властивостями.

Ізотопи певного хімічного елемента займають одну клітинку періодичної системи елементів Менделєєва. Ізотопи неможливо виявити хімічним способом (вони мають однакові хімічні властивості). Ядра атомів ізотопів містять однакову кількість протонів (Ζ), але різну кількість нейтронів (Ν). Саме тому ізотопи мають різну атомну масу.

Наразі відомі ізотопи всіх хімічних елементів. Наприклад, Гідроген має три ізотопи:

Мал. 204. Ізотопи Карбону

Атомна маса природного хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва є середньою атомною масою його ізотопів. Так, атомна маса Хлору 35,5 — середня маса двох його ізотопів з атомними масами 35 і 37.

Властивості й використання ізотопів. Ізотопи можуть бути стабільними та нестабільними (радіоактивними). Залежно від періоду піврозпаду, усі радіоактивні ізотопи прийнято поділяти на дві групи: короткотривалі (Т < 10 діб) і довготривалі (Т >10 діб). Як правило, у природних умовах трапляються тільки стабільні ізотопи, проте в природі можна виявити й деякі радіоактивні ізотопи, в основному ті, у яких період напіврозпаду перевищує вік Землі. Ці ізотопи не встигли розпастися за час існування нашої планети (наприклад: К-40, Th-232 або U-238). Нині відомо близько 270 стабільних ізотопів і більш як 2000 радіоактивних ізотопів 107 хімічних елементів.

Радіоактивні ізотопи широко застосовують у різних сферах наукової та практичної діяльності.

Найчастіше використовують так званий метод «мічених атомів». Додаючи в досліджуваний елемент радіоактивний ізотоп й уловлюючи надалі його випромінювання, ми можемо простежити шлях цього елемента в організмі, у хімічній реакції тощо.

У медицині метод «мічених атомів» використовують з метою діагностики та лікування деяких захворювань. Ізотопи вводять в організм людини в кількості, що не здатна заподіяти шкоду. Кров розподіляє ці ізотопи по всьому організму. Випромінювання, що виникають при розпаді ізотопу, реєструються спеціальними приладами, що розташовані поблизу тіла людини. У результаті можна отримати зображення потрібного внутрішнього органа (мал. 205, а). За цим зображенням можна зробити висновки про розміри й форму цього органа, про підвищену або знижену концентрацію ізотопу в різних його частинах. Можна також проаналізувати швидкість накопичення та виведення радіоізотопу певним внутрішнім органом і зробити висновки про його функціонування. Так, стан кровообігу в серці, швидкість крові, порожнини серця досліджують за допомогою речовин, що містять ізотопи Натрію, Йоду або Технецію; для дослідження легеневої вентиляції й виявлення захворювань спинного мозку застосовують ізотопи Технецію або Ксенону (мал. 205, б).

Мал. 205. Використання ізотопів у медицині: а — фіксація випромінювань від «мічених» ізотопів; б — ізотопи, що використовуються для дослідження внутрішніх органів людини

У фізіології й біохімії тварин і людини використання «міченої» їжі сприяло формуванню нових уявлень про швидкість всмоктування й поширення поживних речовин, а також допомогло проаналізувати вплив внутрішніх (різноманітні хвороби) і зовнішніх (голодування, задуха, перевтома і т. д.) чинників на обмін речовин.

Радіоактивні ізотопи використовують і в сільському господарстві. Опромінення насінин деяких рослин (бавовнику, капусти, редису та ін.) невеликими дозами гамма-променів від радіоактивних ізотопів приводить до помітного збільшення врожайності. Таким способом виведені продуктивні сорти пшениці, квасолі й інших культур, а також отримані високопродуктивні мікроорганізми, що використовуються у виробництві антибіотиків. Гамма-випромінювання радіоактивних ізотопів використовується для боротьби зі шкідливими комахами і для консервації харчових продуктів.

Використовуються «мічені атоми» і в агротехніці. Наприклад, щоб з’ясувати, яке з фосфорних добрив краще засвоюється рослинами, до різних сортів добрива додають однакову кількість радіоактивного фосфору, а потім досліджують рослини на радіоактивність.

Використання ізотопів у біології (мал. 206) привело до перегляду уявлень про те, як відбуваються фотосинтез і процеси засвоєння рослинами неорганічних речовин (карбонатів, нітратів, фосфатів та ін.). З’ясовано шляхи постачання рослин мінеральними речовинами, рідинами й газами, а також роль різних хімічних елементів у житті рослин. Показано, зокрема, що вуглець надходить у рослину не лише через листя, а й через кореневу систему. Установлено шляхи і швидкості переміщення деяких речовин з кореневої системи в стебло і листки, а також із листків через стебло до кореня.

За допомогою ізотопів вивчено переміщення популяцій у біосфері, а також окремих особин усередині популяції, отримано дані про чисельність популяцій, досліджені міграції мікробів і переміщення окремих речовин в організмі.

Мал. 206. Використання ізотопів у біології та археології

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Що таке ізотоп? Наведіть приклади ізотопів.
• 2. Назвіть властивості ізотопів. Які ізотопи називають стабільними, а які — радіоактивними?
• 3. Які наукові й практичні проблеми вдалося вирішити, застосувавши ізотопи?

Розділ 4 ФІЗИКА АТОМА ТА АТОМНОГО ЯДРА. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ АТОМНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Ізотопи. У § 32 ми вже з’ясували, що кожний хімічний елемент має різновиди, які називаються ізотопами.

Ізотопи — різновиди одного й того самого хімічного елемента, що близькі за своїми фізичними й однакові за хімічними властивостями.

Ізотопи певного хімічного елемента займають одну клітинку періодичної системи елементів Менделєєва. Ізотопи неможливо виявити хімічним способом (вони мають однакові хімічні властивості). Ядра атомів ізотопів містять однакову кількість протонів (Z), але різну кількість нейтронів (N). Саме тому ізотопи мають різну атомну масу.

Наразі відомі ізотопи всіх хімічних елементів. Наприклад, Гідроген має три ізотопи:

Н — Гідроген звичайний — основний (стабільний) ізотоп;

Н = Д— Дейтерій (важкий водень), що входить як домішка до природного водню (його вміст становить – частину);

Н = Т — Тритій (надважкий водень), який отримують штучно. Карбон має два ізотопи (мал. 204).

Атомна маса природного хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва є середньою атомною масою його ізотопів. Так, атомна маса Хлору 35,5 — середня маса двох його ізотопів з атомними масами 35 і 37. Щоб визначити їх відсотковий вміст, застосовують такий спосіб: нехай маємо 100 атомів хлору, з них ізотопів СІ — х; СІ — (100 – х). Тоді

Розв’язуючи вираз, отримаємо: СІ = 75 %; СІ = 25 %. При цьому кількісне співвідношення ізотопів для певного хімічного елемента стале й не залежить від способу його видобування.

Властивості й використання ізотопів. Ізотопи можуть бути стабільними та нестабільними (радіоактивними). Залежно від періоду піврозпаду, усі радіоактивні ізотопи прийнято поділяти на дві групи: короткотривалі (Т < 10 діб) і довготривалі (Т >10 діб). Як правило, у природних умовах трапляються тільки стабільні ізотопи, проте в природі можна виявити й деякі радіоактивні ізотопи, в основному ті, у яких період напіврозпаду перевищує вік Землі. Ці ізотопи не встигли розпастися за час існування нашої планети (наприклад: К-40, Th-232 або U-238). Нині відомо близько 270 стабільних ізотопів і більш як 2000 радіоактивних ізотопів 107 хімічних елементів.

Радіоактивні ізотопи широко застосовують у різних сферах наукової та практичної діяльності.

Найчастіше використовують так званий метод «мічених атомів». Додаючи в досліджуваний елемент радіоактивний ізотоп й уловлюючи надалі його випромінювання, ми можемо простежити шлях цього елемента в організмі, у хімічній реакції тощо.

У медицині метод «мічених атомів» використовують з метою діагностики та лікування деяких захворювань. Ізотопи вводять в організм людини в кількості, що не здатна заподіяти шкоду. Кров розподіляє ці ізотопи по всьому організму. Випромінювання, що виникають при розпаді ізотопу, реєструються спеціальними приладами, що розташовані поблизу тіла людини. У результаті можна отримати зображення потрібного внутрішнього органа (мал. 205, а). За цим зображенням можна зробити висновки про розміри й форму цього органа, про підвищену або знижену концентрацію ізотопу в різних його частинах. Можна також проаналізувати швидкість накопичення та виведення радіоізотопу певним внутрішнім органом і зробити висновки про його функціонування. Так, стан кровообігу в серці, швидкість крові, порожнини серця досліджують за допомогою речовин, що містять ізотопи Натрію, Йоду або Технецію; для дослідження легеневої вентиляції й виявлення захворювань спинного мозку застосовують ізотопи Технецію або Ксенону (мал. 205, б).

Мал. 205. Використання ізотопів у медицині: а — фіксація випромінювань від «мічених» ізотопів; б — ізотопи, що використовуються для дослідження внутрішніх органів людини

У фізіології й біохімії тварин і людини використання «міченої» їжі сприяло формуванню нових уявлень про швидкість всмоктування й поширення поживних речовин, а також допомогло проаналізувати вплив внутрішніх (різноманітні хвороби) і зовнішніх (голодування, задуха, перевтома і т. д.) чинників на обмін речовин.

Радіоактивні ізотопи використовують і в сільському господарстві. Опромінення насінин деяких рослин (бавовнику, капусти, редису та ін.) невеликими дозами гамма-променів від радіоактивних ізотопів приводить до помітного збільшення врожайності. Таким способом виведені продуктивні сорти пшениці, квасолі й інших культур, а також отримані високопродуктивні мікроорганізми, що використовуються у виробництві антибіотиків. Гамма-випромінювання радіоактивних ізотопів використовується для боротьби зі шкідливими комахами і для консервації харчових продуктів.

Використовуються «мічені атоми» і в агротехніці. Наприклад, щоб з’ясувати, яке з фосфорних добрив краще засвоюється рослинами, до різних сортів добрива додають однакову кількість радіоактивного фосфору, а потім досліджують рослини на радіоактивність.

Використання ізотопів у біології (мал. 206) привело до перегляду уявлень про те, як відбуваються фотосинтез і процеси засвоєння рослинами неорганічних речовин (карбонатів, нітратів, фосфатів та ін.). З’ясовано шляхи постачання рослин мінеральними речовинами, рідинами й газами, а також роль різних хімічних елементів у житті рослин. Показано, зокрема, що вуглець надходить у рослину не лише через листя, а й через кореневу систему. Установлено шляхи і швидкості переміщення деяких речовин з кореневої системи в стебло і листки, а також із листків через стебло до кореня.

За допомогою ізотопів вивчено переміщення популяцій у біосфері, а також окремих особин усередині популяції, отримано дані про чисельність популяцій, досліджені міграції мікробів і переміщення окремих речовин в організмі.

Мал. 206. Використання ізотопів у біології та археології

Я поміркую й зможу пояснити

1. Що таке ізотоп? Наведіть приклади ізотопів.

2. Назвіть властивості ізотопів. Які ізотопи називають стабільними, а які — радіоактивними?

3. Які наукові й практичні проблеми вдалося вирішити, застосувавши ізотопи?

✅Застосування радіоактивних ізотопів

Радіоактивні ізотопи виявилися незамінними при встановленні віку викопних решток прадавніх форм живого. Особливо часто для цієї мети використовують радіоактивний вуглець С₁₄.

Період його напіврозпаду – близько 5600 років.

С₁₄ завжди присутній в атмосфері, складаючи строго певну частину від загальної кількості вуглецю у вуглекислому газі повітря. Рослини використовують вуглекислий газ повітря для синтезу поживних речовин, а тварини поїдають рослини; в результаті С₁₄ потрапляє в організм всіх живих істот, причому співвідношення стабільного і радіоактивного вуглецю в живих організмах точно таке ж, як в атмосферному повітрі.

Після смерті тварини споживання вуглецю припиняється; кількість С₁₄ поступово зменшується в міру його розпаду і перетворення в звичайний азот; швидкість цього процесу визначається величиною періоду напіврозпаду.

Для визначення віку викопної тварини вимірюють кількість С₁₄, що зберігся в його рештках. Якщо, припустимо, залишилася тільки 1/8 частина спочатку присутнього радіоактивного ізотопу, то значить, що з часу смерті тварини минув час, рівний трьом періодам напіврозпаду С₁₄, тобто 16 800 років.

Однак за допомогою С₁₄ не можна визначити вік найбільш давніх форм живого, оскільки за мільйони років, що минули з часу їх існування, кількість С₁₄, яка збереглася, настільки мала, що не піддається виміру. У таких випадках використовують ізотопи з великим періодом напіврозпаду, зокрема з успіхом застосовують так званий калій-аргоновий годинник.

Радіоактивний ізотоп калію К₄₀ перетворюється в процесі розпаду в аргон.

Період напіврозпаду К₄₀ – 300 мільйонів років. У 1960 році в Південній Африці були знайдені кістки дуже давньої людини.

На підставі вивчення структури кісток фахівці висловили припущення, що ці залишки давніше, ніж всі раніше виявлені. Для визначення віку знахідки в супутніх пластах породи було визначено співвідношення К₄₀ і аргону. В результаті вдалося встановити, що кістки належали людині, що жила 1 750 000 років тому, тобто набагато раніше того періоду, коли, за існуючими припущеннями вчених, з’явилася людина.

Нарешті, датування подій, віддалених від нас на цілі геологічні епохи, проводиться по урану. Уран-238 вважається зазвичай стабільним ізотопом, але він все ж розпадається, хоча і надзвичайно повільно: період його напіврозпаду становить 4,5 мільярда років.

У процесі розпаду, що супроводжується випромінюванням, уран поступово перетворюється в свинець. Вимірюючи співвідношення свинцю й урану в геологічних породах, можна визначити їх вік. Співвідношення 1:1, наприклад, вказує на те, що з часу утворення породи минув час, що дорівнює періоду напіврозпаду U₂₃₈.

Що ми дізналися

Радіоактивні ізотопи мають широкий спектр застосування в науці, медицині, промисловості та інших галузях. Ось декілька ключових прикладів їх використання:

1. Медична Діагностика та Лікування
   • Діагностика: Радіоактивні ізотопи, такі як технецій-99м, широко використовуються у скануванні органів для виявлення пухлин, хвороб серця та інших станів.
   • Лікування раку: Ізотопи, такі як йод-131, використовуються для лікування раку щитоподібної залози.
2. Дослідження в Геології та Археології
   • Радіовуглецеве Датування: Вуглець-14 використовується для визначення віку археологічних знахідок та геологічних утворень.
   • Геологічні Дослідження: Ізотопи урану та торію допомагають вивчати вік та структуру гірських порід.
3. Промислове Застосування
   • Неінвазивний Контроль: Гамма-радіографія з використанням ізотопів, таких як іридій-192, для перевірки зварних швів та металевих конструкцій.
   • Вимірювання Товщини: Ізотопи, такі як стронцій-90, використовуються для вимірювання товщини паперу та металу.
4. Сільське Господарство
   • Дослідження Ґрунтів: Радіоактивні ізотопи допомагають вивчати ерозію ґрунтів та ефективність добрив.
   • Контроль Шкідників: Використання стерильних технік з ізотопами для контролю популяції шкідників.
5. Наукові Дослідження
   • Біологічні Дослідження: Трасерні дослідження з використанням радіоактивних ізотопів для вивчення біохімічних процесів.
   • Ядерна Фізика: Дослідження властивостей атомних ядер та реакцій.

Висновок

Радіоактивні ізотопи відіграють важливу роль у багатьох сферах сучасного життя. Від медичної діагностики та лікування до досліджень в геології, археології та біології, їхні унікальні властивості роблять їх незамінними в наукових та промислових дослідженнях.

Однак важливо пам’ятати про необхідність безпечного та відповідального використання цих потужних ресурсів, з урахуванням потенційних ризиків для здоров’я та навколишнього середовища. Розвиток технологій із використанням радіоактивних ізотопів продовжує відкривати нові можливості для наукових відкриттів та покращення якості життя.