Радиоактивные изотопы и их применение

Ⅳ. МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

При радиоактивном распаде происходит излучение альфа- или бета- (электроны, позитроны) и гамма-лучей. Из опытов Беккереля мы знаем, что эти лучи действуют на фотографическую пластинку так же, как действует на нее свет. Обнаружение радиоактивных излучений с помощью фотопластинок начало развиваться на заре исследований радиоактивности.

Уже в 1904 году русский врач Лондон применял фотопластинки для регистрации наведенной радиоактивности тела животных, помещенных в сосуды с газом радоном. Эта активность на теле животных получалась за счет осаждения радиоактивных изотопов — продуктов распада радона.

Теперь ученые широко используют фотографический способ для обнаружения радиоактивных изотопов. Этот метод получил название радиографии, а снимок — радиоавтографа. Для получения радиоавтографа предмет, содержащий радиоактивный изотоп, прикладывается в темноте к фотопластинке и выдерживается некоторое время. Далее пластинка проявляется. В местах, на которые действовало радиоактивное излучение, появляется потемнение. С полученного таким образом негатива печатается снимок. На снимке светлые места соответствуют участкам, где скапливается радиоактивный элемент. На рис. 13 показан негатив и позитив коренных зубов собаки, концентрировавших радиоактивный натрий, а на рис. 14 — радиоавтограф минерала, содержащего уран.

Радиоактивное излучение может быть обнаружено еще следующим путем. Представим себе, что в цилиндр с поршнем введен чистый водяной пар. С помощью поршня быстро увеличим объем, занимаемый паром, настолько, чтобы пар переохладился. Если в цилиндре нет заряженных частиц, пар останется паром. Если же в цилиндре есть какие-нибудь заряженные частицы, например ионы, то начнется образование тумана — ионы служат центрами, вокруг которых образуются мельчайшие водяные капельки. Так как альфа- и бета-лучи ионизируют воздух, то на пути каждой альфа-частицы или электрона, попадающего в такой цилиндр, т. е. в пространство с переохлажденным паром, возникнет полоска тумана. Полоски можно наблюдать глазом или сфотографировать и по ним считать отдельные частицы, выбрасываемые из ядер атомов. На этом принципе построен специальный прибор — камера Вильсона.

Радиоактивное излучение ионизирует воздух, делает его проводником электрического тока. Поместим радиоактивное вещество в металлическую камеру, в центре которой укреплен металлический стержень, не соприкасающийся с ее стенками. Такая камера называется ионизационной. Присоединим к камере и стержню электрическую батарею. Благодаря присутствию радиоактивного вещества воздух ионизируется и между стержнем и стенкой цилиндра будет протекать электрический ток. Ток этот тем больше, чем интенсивнее излучение. Силу тока можно измерить электрометром. Электрометр — это прибор, в котором тончайшая металлическая нить, соединенная со стержнем металлической камеры, находится между двумя пластинками противоположного знака. Если нить соединена с землей, то электрический ток течет в землю. Если же нить отъединить от земли, то на стержне и на нити будет накопляться электрический заряд, и нить будет перемещаться к пластинке, заряженной электричеством противоположного знака. Перемещение нити идет тем быстрее, чем больше радиоактивного вещества находится в камере. Движение нити наблюдают в микроскоп. Скорость движения нити является мерой интенсивности излучения. На рис. 15 показана схема ионизационной камеры с электрометром.

В настоящее время наиболее распространенным прибором для регистрации радиоактивного излучения является счетчик Гейгера-Мюллера. При различного рода исследованиях применяют счетчики различных конструкций. Одна из них представляет собой тонкостенный стеклянный баллон диаметром, равным 1–2 сантиметрам, и длиной в 10–20 сантиметров. Стенки баллона изнутри покрыты слоем металла, концы баллона запаяны, и по оси его натянута металлическая нить, изолированная от покрытия стенок. Баллон наполнен смесью аргона и паров спирта при давлении, равном приблизительно 10 сантиметрам ртутного столба. Покрытие стенок присоединяется к источнику высокого напряжения в 1000–2000 вольт, а нить через высокое сопротивление заземлена (рис. 16).

Если в такой счетчик проникает электрон, то он ионизирует некоторое количество молекул газа, находящегося внутри счетчика. Образовавшиеся при этом электроны вследствие высокой разности потенциалов между электродами счетчика с большей скоростью устремляются к нити, производя при этом ионизацию новых молекул газа. Таким образом, число электронов растет подобно снежной лавине, начинающейся с падения небольшого комка снега. В итоге происходит разряд. В момент разряда по сопротивлению к земле будет течь ток. Вследствие этого на сопротивлении возникнет импульс напряжения, который усиливается специальным прибором и регистрируется с помощью электросчетчика. Электросчетчик отвечает на каждую проникшую в газовый счетчик частицу перемещением стрелки на одно деление. При помощи счетчика Гейгера-Мюллера можно определить интенсивность излучения или количество распадающихся атомов радиоактивного элемента по числу зарегистрированных в единицу времени импульсов тока.

Если в счетчик проникают гамма-фотоны, то они выбивают из стенок счетчика электроны, которые в итоге и вызывают в счетчике разряд. Счетчик фотонов может быть толстостенным. Для регистрации альфа-частиц и электронов малой энергии, которые не могут проникнуть внутрь счетчика через его стенку, применяют счетчики специальной конструкции с окошками, закрытыми тонкой слюдой, или применяют счетчики, конструкция которых позволяет вводить препарат внутрь счетчика. На рис. 17 показан общий вид одной из отечественных установок для регистрации излучения радиоактивных элементов с помощью счетчика Гейгера-Мюллера.

Альфа-частицы могут быть обнаружены и сосчитаны и по сцинтилляциям — световым вспышкам, которые получаются при попадании альфа-частиц на экран из сернистого цинка. Сцинтилляции можно наблюдать в темноте с помощью микроскопа.

Сцинтилляционный метод широко применяется в настоящее время и для регистрации электронного и гамма-излучения. Однако электроны вызывают настолько слабые вспышки света на сцинтиллирующем экране, что регистрация их возможна лишь с помощью специального прибора. Таким прибором является фотоумножитель, перед стеклянным окошком которого ставится сцинтиллирующий экран.

Фотоумножитель представляет собой откаченный до глубокого вакуума небольшой цилиндрический стеклянный баллон, в котором размещены катод, эмиттеры и анод (коллектор). На рис. 18 приведена схема устройства и включения электронного умножителя. На эмиттеры подается со специального прибора (делителя напряжения) возрастающее от первого к последующим эмиттерам напряжение. Анод является фактически последним в ряду эмиттеров и к нему так же подается напряжение, большее, чем у последнего эмиттера. На катод подается отрицательное напряжение порядка 1000–1500 вольт. Излучение радиоактивных изотопов попадает на сцинтиллирующий экран или специальный кристалл — фосфóр, который ставится перед окном фотоумножителя. Под действием световых фотонов с поверхности катода вырываются электроны, которые фокусируются и ускоряются в электрическом поле между катодом и первым эмиттером. Обычно используют сурмяно-цезиевые катоды, из которых электроны легко выбить. Попадая на первый эмиттер, электроны вырывают из его поверхности новые электроны в большем числе. Последние под действием электрического поля движутся, все ускоряясь, ко второму эмиттеру и вырывают из его поверхности еще большее число электронов, которые устремляются к следующему эмиттеру, и так до тех пор, пока все электроны не попадут на анод. Число электронов, попадающих на анод, в сто тысяч — миллион раз больше числа электронов, срывающихся с катода. Число последних обычно не превышает тысячи. Таким образом, на появление в кристалле фосфóра одной ионизирующей частицы радиоактивного излучения фотоэлектронный умножитель отвечает кратковременным электрическим сигналом, сила которого достаточна для регистрации его с помощью радиолампового усилителя и электромеханического счетчика. Каждому электрону или фотону, попадающему на катод фотоумножителя, электромеханический счетчик отвечает перемещением стрелки на одно деление.

В качестве фосфóров можно использовать кристаллы иодистого натрия с таллием, антрацена, нафталина, вольфрамата кальция, некоторые жидкости и растворы, например раствор терфенила в ксилоле.

Сцинтилляционные счетчики отличаются большой эффективностью регистрации всех видов радиоактивного излучения.

Мы описали лишь наиболее распространенные методы регистрации радиоактивных излучений.

В основе большинства явлений природы и искусственных процессов, проводимых в лабораториях и промышленности, лежит движение атомов и молекул. С движением атомов и молекул связаны: течение рек, движение воздуха, рост растений, разложение их при гниении, усвоение пищи животным и человеком, горение ракеты, взрыв динамита и т. д. Атомы во многих из этих процессов не только перемещаются, но и меняют партнеров, с которыми они были соединены, образуют новые химические соединения, новые вещества. Изучение природных и лабораторных процессов, следовательно, связано с наблюдением за перемещением атомов. Наука нашла много тончайших методов исследования, однако один из этих методов отличается такими возможностями, которые не таят в себе другие. Он позволяет наблюдать движение в самых сложных и скрытых химических и физических процессах и называется методом «меченых атомов».

Ученые давно мечтали о том, чтобы пометить атомы, как метят птиц и других животных, за которыми хотят провести наблюдение. Кольцо на ноге птицы или какая-либо другая отметка на теле животного дает возможность определить, далеко ли животное уходит от места метки, куда и какими путями улетают на зиму птицы, как долго живут рыбы и т. д. С помощью таких меток удалось, например, установить, сколько лет живут щуки, что угри из рек Европы и Америки уходят метать икру в Саргассово море, где умирают и откуда через несколько лет молодое поколение угрей приплывает в реки Западной Европы и Америки.

Метод меток распространен довольно широко. Так, в поисках подземного пути рек в горных местностях гидрологи примешивают к воде рек краски, которые позволяют доказать по выходу окрашенной воды из-под земли в нескольких километрах ниже по течению от места, где была влита краска, связь двух рек между собою. Так с помощью флуоресцена — краски, которая даже при очень сильном разбавлении легко заметна, удалось доказать подземную связь Дуная с рекой, текущей от нее в нескольких километрах.

Недавно способ метки был применен пчеловодами. В улье находится до сорока тысяч пчел, и наблюдение за отдельными группами пчел невозможно без их метки. Пчеловоды делают улей с прозрачной крышей, а пчел, вылетающих на сбор корма, метят краской у поставленных на разных расстояниях и в разных направлениях от улья кормушках. За поведением отмеченных краской пчел легко проследить в улье с прозрачной крышей. Пчеловодам удалось таким путем узнать многие тайны жизни пчел.

Но не можем же мы превратиться в микроскопических гномов, уменьшиться в миллиард раз, чтобы атомы стали для нас подобны пчелам и мы смогли бы их видеть и пометить. Что же делать? Как можно пометить атомы? Только ли глазом можно следить за движением тел? Вспомните прогулку в лесу за грибами. Вы потеряли своего товарища, но вот слышите повторяющийся возглас «ау!» и по этому возгласу легко определяете его местоположение. Значит, по звуку можно следить за движением так же, как с помощью зрения. Теперь представьте себе самолет, который в тумане или ночью идет на посадку. Посадочный аэродром непрерывно посылает в эфир радиосигнал, а летчик принимает этот сигнал с помощью специального приемника и ведет самолет к месту посадки так же точно, как если бы он его видел. Представьте себе корабль, получивший повреждение; его радиостанция непрерывно посылает сигналы бедствия. Эти сигналы позволяют установить местопребывание судна. Представьте себе, наконец, радиолокационную станцию, которая на огромном расстоянии может проследить за движением самолета, корабля, подводной лодки, воспринимая отражение посылаемой ею волны от отыскиваемых целей.

Читателю уже известно, что радиоактивные атомы способны посылать сигнал в виде излучения и что этот сигнал с помощью приборов, описанных в предыдущем разделе, может быть принят — зарегистрирован.

Впервые, как уже было рассказано выше, этот сигнал атомов — радиоактивное излучение — был принят и зарегистрирован Анри Беккерелем при исследовании соединений элемента урана. Этим же воспользовались и Мария и Пьер Кюри при поисках радия и полония. Излучение радия и полония являлось, следовательно, природной меткой, по которой супруги Кюри обнаружили и выделили эти элементы.

Описанные примеры показывают, что радиоактивное излучение может служить для атомов меткой, с помощью которой можно проследить их местонахождение. Но надо иметь в виду, что радиоактивное излучение — это результат радиоактивного распада, и, следовательно, мы можем зарегистрировать только гибель атома, его превращение в другой атом. Вспомним, что радиоактивному распаду подвергаются не все радиоактивные атомы одновременно, распад происходит постепенно, в течение времени, которое зависит от свойств данного радиоактивного элемента, от его периода полураспада. Например, количество атомов радиоактивного фосфора 32 убавится наполовину за 14,3 дня, радиоактивного золота 198 за 2,7 дня, радиоактивной меди 64 за 12,9 часа и т. д.

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.

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.

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.

Рассмотрим примеры применения меченых атомов в химии.

Поведение атомов в растворах. Всыплем в стакан с водой ложку поваренной соли и размешаем. Соль растворится в воде; ее частицы равномерно распределятся между молекулами воды, образуя однородную жидкость.

Если мы прибавим к полученному раствору еще немного соли, то и она растворится. В 100 граммах воды при температуре 20° можно растворить 35,77 грамма поваренной соли. Но если к такому раствору прибавить еще соли, она уже не будет растворяться, как бы долго мы ее ни перемешивали. Раствор, который уже не может растворять новые порции вещества, называют насыщенным, а количество граммов вещества, которое содержится в 100 граммах насыщенного раствора, — растворимостью.

Одни вещества растворяются лучше, другие хуже. Сахар растворяется в воде очень хорошо, столовая соль хуже, а мел совсем плохо.

Происходят ли какие-нибудь изменения с кристаллами соли, если их бросить в насыщенный раствор? Представим себе, что к насыщенному раствору обычной столовой соли прибавлены кристаллы соли, содержащей в своем составе радиоактивный натрий. Через несколько минут мы обнаружим, что в растворе появились радиоактивные атомы натрия, которые можно легко обнаружить, отделив раствор и измерив его активность. Через несколько десятков минут радиоактивность раствора достигает наибольшего значения. Это явление можно объяснить только следующим образом. Молекулы хлористого натрия отрываются от поверхности кристалла и переходят в насыщенный раствор, на их место сейчас же становятся молекулы из раствора. Значит, в насыщенном растворе все время идет обновление кристаллов.

Если вещество растворяется в воде более или менее хорошо, то определить его растворимость нетрудно. Для этого получают насыщенный раствор, взвешивают небольшое его количество, а затем выпаривают из него воду и взвешивают сухие кристаллы. После этого рассчитывают, сколько вещества содержится в 100 граммах раствора.

А как быть, если вещество растворяется в воде очень плохо? На современных точных аналитических весах можно взвесить 100–200 граммов вещества с точностью до 0,0002 грамма, на микровесах несколько граммов с точностью до 0,000002 грамма, на специальных весах, представляющих собой кварцевую пружинку, можно взвешивать с точностью до 0,000000001 грамма, но не более 0,000000025 грамма, а для определения растворимости надо взвесить и вещество и сосуд, а сосуд всегда весит несколько граммов. Поэтому с помощью весов определить растворимость малорастворимых веществ нельзя. Здесь снова на помощь приходят меченые атомы.

Предположим, что нам нужно определить растворимость какого-либо вещества. Как известно, мел в воде практически не растворяется. Мел — это углекислый кальций; молекулы мела состоят из кальция, углерода и кислорода. Для опыта возьмем мел, в котором часть атомов кальция радиоактивна. Определим с помощью счетчика радиоактивность одного миллиграмма мела. Затем приготовим обычным путем насыщенный раствор, выпарим определенное количество его и найдем с помощью счетчика активность остатка после выпаривания.

Дальше, разделив активность остатка на активность миллиграмма мела, найдем количество мела в остатке после выпаривания и, наконец, рассчитаем содержание его в 100 граммах раствора.

Таким путем была определена растворимость многих веществ, которые считаются практически нерастворимыми.

Устойчивы ли молекулы? На столе лежит белый порошок. Это бариевая соль угольной кислоты — углекислый барий (BaCO₃). В его состав введен радиоактивный углерод.

Измерим величину его радиоактивности с помощью счетчика и оставим углекислый барий на столе. Мы заметим, что активность соли будет постепенно уменьшаться. Но уменьшение происходит не за счет распада радиоактивного углерода, так как период его полураспада велик.

Что же происходит с углекислым барием?

Находящийся в воздухе углекислый газ (СО₂) переходит в молекулы соли, а радиоактивный углерод постепенно уходит в воздух:

(звездочками помечены атомы радиоактивного углерода).

Молекулы углекислого бария, оказывается, неустойчивы; они все время обновляются, так же как обновляется кристалл в насыщенном растворе.

Рассмотрим, еще один пример. Иодистый этил (C₂H₅J) — это жидкость, кипящая при 72°. Иодистый этил можно испарить, а затем снова перевести в жидкость; молекулы его при этом не изменятся. Растворим иодистый этил, содержащий в своем составе радиоактивный иод, в спирте и добавим к нему иодистый натрий (NaJ). Покипятив некоторое время смесь и поместив ее в фарфоровую чашку, выпарим иодистый этил и спирт. В чашке останется только иодистый натрий. Соберем оставшийся иодистый натрий и с помощью счетчика измерим его активность. При этом мы обнаружим, что соль стала радиоактивной. Это означает, что радиоактивный иод из йодистого этила перешел в иодистый натрий. Произошла реакция обмена:

Внешне ничего в смеси не изменяется, но атомы меняются местами. Таким образом могут обмениваться атомы во многих соединениях, которые обычно считаются вполне устойчивыми.

Все ли атомы в молекулах ведут себя подобным образом? Нет. Многие атомы в молекулах прочно сохраняют свое место. Например, атомы серы в молекулах серной кислоты не меняются местами с атомами серы в других соединениях; углерод органических молекул также не обменивается с углеродом, находящимся в молекулах других веществ.

С помощью меченых атомов, таким образом, можно определить способность атомов к обмену. От этой способности зависят многие природные, лабораторные и производственные процессы, например распределение фосфора в организме. Это распределение связано с обменом.

Испаряются ли твердые вещества? С помощью обоняния можно обнаружить присутствие в воздухе крайне малых количеств пахучих веществ. Но обонянием невозможно определить количество вещества. Если же вещество не обладает запахом, то трудно обнаружить и его присутствие.

Запахом обладают не только газы, но и жидкости и твердые тела, например бензин, нафталин и т. п. Несомненно, что ощущение запаха связано с попаданием молекул пахучего вещества в нос, а из этого следует, что не только жидкие, но и твердые тела способны испаряться.

Испарение твердых тел идет весьма медленно, и в воздух попадает ничтожное количество молекул твердого вещества. Способность твердых тел к испарению оценивается по давлению образуемых ими паров.

Для измерения давления воздуха пользуются барометрами, для определения давления газа в закрытых сосудах — манометрами. С помощью этих приборов давление пара твердых тел измерять нельзя — оно очень мало. Как же можно определить малые давления пара?

На помощь приходят радиоактивные атомы.

Обычно малые давления пара измеряют методом испарения в вакуум с открытой поверхности или по истечению пара в вакуум сквозь маленькое отверстие. В первом случае количество вещества, испаряющегося в секунду, тем больше, чем больше поверхность, с которой идет испарение. Во втором случае оно зависит от величины отверстия сосуда, в котором помещено вещество. В обоих случаях количество испарившегося вещества растет с увеличением температуры, при которой выдерживается твердое вещество, и пропорционально времени испарения. Определив вес испарившегося вещества за некоторый промежуток времени с одного квадратного сантиметра поверхности или через отверстие известной площади, можно рассчитать давление пара.

Масса испарившегося вещества так мала, что непосредственно его взвесить невозможно. Однако можно собрать все испарившееся вещество на холодной поверхности. Пары твердого вещества на такой поверхности будут осаждаться так же, как осаждаются пары воды на холодной ложке, поднесенной к горячему чаю. Если твердое вещество содержало радиоактивные атомы, то при помощи счетчика можно обнаружить их присутствие на охлаждаемой поверхности. По числу отсчетов счетчика в минуту можно рассчитать число радиоактивных атомов и при его помощи вес испарившегося вещества, так как заранее известна доля радиоактивных атомов в данном веществе.

Если, например, известно, что 1 миллиграмм исходного вещества дает на счетчике 100 тысяч отсчетов в минуту, а при измерении излучения от испарившегося металла получается 100 отсчетов, то испарилось 0,001 миллиграмма вещества. Таким путем удалось измерить давление пара многих твердых веществ.

Метод меченых атомов позволил советским исследователям создать новый метод измерения малых давлений пара. При этом методе два одинаковых образца вещества, например металлических диска, один из которых содержит радиоактивный изотоп, помещаются в вакууме напротив друг друга и нагреваются до постоянной температуры. При этом атомы металла, испаряющиеся с поверхности каждого из образцов, сталкиваются с противоположной поверхностью и оседают на ней. Таким образом, между поверхностями обоих образцов идет непрерывный обмен атомами. Атомы, осевшие на поверхности металла, вследствие диффузии проникают в глубь образца. В результате этих процессов радиоактивный изотоп постепенно переходит в неактивный образец. Скорость перехода зависит от температуры образцов, их первоначальной активности, давления насыщенного пара и скорости диффузии. Если измерить со временем нарастание активности первоначально неактивного образца, то по этим опытным данным можно вычислить давление насыщенного пара и скорость диффузии одновременно. На рис. 19 приведена принципиальная схема прибора для измерения малых давлений пара тремя описанными методами. Отдельно нарисованы камера с малым отверстием, тигель с металлом для испарения с открытой поверхности и камера для проведения обмена между двумя образцами.

Атомы-контролеры. Химики умеют определять состав вещества, узнают, какие элементы и в каком количестве содержатся в исследуемом веществе. Определение качественного и количественного состава веществ при их промышленном производстве весьма важно. Не зная, насколько химически чист полученный продукт, нельзя говорить о его пригодности для тех или иных целей.

В промышленности часто приходится вести анализ сплава, содержащего золото, платину и иридий. Однако разделить эти три металла друг от друга очень сложно.

Для проверки одного из способов разделения металлов приготовляли смесь, содержащую заранее известные количества золота, платины и иридия, а затем производили их разделение. Вес выделенного золота был выше взятого, а вес иридия и платины ниже. Казалось, что при разделении золото загрязняется иридием и платиной, а иридий и платина выделяются чистые.

Так ли это? Нет, — показывают меченые атомы. Если к смеси трех металлов прибавить атомы радиоактивного золота, а затем их разделить, то в иридии и платине оказывается радиоактивное золото. Это легко определить счетчиком.

С помощью меченых атомов химики проверили многие способы химического анализа и методы промышленного разделения веществ. Важные исследования в этой области проведены академиком В. Г. Хлопиным и его сотрудниками.

Изотопный анализ. Чтобы найти содержание того или иного элемента или вещества в смеси, необходимо провести химическое отделение этого вещества или элемента в виде какого-либо известного соединения в чистом виде. Эта задача в ряде случаев является невыполнимой или очень трудно выполнимой.

Если из сложной смеси удается выделить все интересующие исследователя вещества, то оно выделяется загрязненным другим веществом, сходным с ним по свойствам. Если выделяют чистое вещество, то не удается его выделить без потерь. Благодаря этому определение количества вещества оказывается затрудненным. Меченые атомы помогают решить эту задачу.

Представим себе, что необходимо провести определение содержания металла рубидия в его руде. Полное выделение рубидия из руды практически невозможно. Однако несложно выделить из руды небольшую часть рубидия в виде чистой соли. Для анализа изотопным методом возьмем определенное весовое количество руды, растворим ее в кислоте, добавим к раствору определенное весовое количество соли рубидия, содержащее известное количество радиоактивного изотопа рубидия. Добавленный рубидий смешается с тем, который был в растворе. При этом доля радиоактивных атомов рубидия в растворе уменьшится во столько раз, во сколько раз рубидия в растворе стало больше, чем было добавлено. Далее химическим путем выделим из раствора небольшое количество чистой рубидиевой соли и определим вес выделенного рубидия и относительное содержание радиоактивного изотопа. Для этого определим с помощью счетчика, какое количество отсчетов дает миллиграмм выделенной рубидиевой соли. Разделив эту величину на число отсчетов, которое давал миллиграмм рубидиевой соли, добавленной к раствору, и умножив на количество добавленной соли, получим содержание рубидиевой соли в растворе после добавления. Отсюда, вычтя количество добавленной соли, нетрудно найти содержание рубидия во взятом растворе и, следовательно, в руде.

Активационный анализ. Перед вами несколько брусков стали, среди которых имеются образцы марганцовой стали. Можно ли отличить эти образцы, не прибегая к химическому анализу?

Да, можно, используя радиоактивные атомы.

Если образцы облучить нейтронами, то атомы элементов, входящих в состав стали, будут поглощать нейтроны, образуя радиоактивные элементы. Но не все атомы одинаково легко вступают в подобную реакцию. Атомы марганца, например, вступают в эту реакцию гораздо легче, чем атомы железа.

Хотя железа в стали больше, чем марганца, нейтроны будут взаимодействовать главным образом с атомами марганца.

Ядро атома марганца захватывает нейтрон и превращается в радиоактивное ядро с массой на единицу большей. Из марганца с массой 55 образуется его изотоп с массой 56, который распадается с испусканием электронов и гамма-лучей. Период полураспада радиоактивного марганца равен 2,6 часа.

Обнаружить радиоактивный марганец легко: нужно поднести к облученной нейтронами поверхности бруска счетчик. Количество электронов, попадающих в счетчик, будет тем больше, чем больше образовалось в стали радиоактивного марганца, а радиоактивного марганца образуется при одинаковых условиях облучения тем больше, чем больше марганца в стали. Следовательно, можно не только ответить на вопрос о том, какой образец стали является марганцовой сталью, но и определить количество марганца в стали. Прием этот прост, и с его помощью можно легко и быстро определить состав сплава, не разрушая детали.

Мы привели только один пример распознавания состава сплава с помощью облучения его нейтронами. Таким же способом можно установить содержание различных элементов в самых сложных комбинациях. Можно определить, например, содержание серы и фосфора в бумаге, углерода в поверхностных слоях стали и т. д. Этот способ получил название активационного анализа (материал активируется нейтронами или другими ядерными частицами).

Активационный анализ применяется тогда, когда нужно определить малые количества примесей в чистых металлах или быстро установить состав сложной смеси.

Особенно легко активационным анализом определить содержание редкоземельных элементов, так как они обладают очень большой способностью к поглощению нейтронов. Например, европий и гольмий могут быть определены в количествах до 10^-11 грамма на грамм вещества. Определение же редкоземельных элементов в таких материалах, как графит, висмут, свинец и т. п., употребляемых в современной атомной промышленности, очень важно, так как редкоземельные элементы нарушают правильное течение процессов в ядерном реакторе.

Редкоземельными элементами называют 15 родственных по своим химическим свойствам металлов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. В периодической системе Д. И. Менделеева эти химические элементы имеют порядковые номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций). Иногда к редкоземельным элементам относят также иттрий и (реже) скандий.

Название редкоземельные элементы, или элементы редких земель, устарело. В действительности многие из редкоземельных элементов, такие как церий, лантан, неодим, по своей распространенности в природе превосходят хорошо известные элементы, играющие большую роль в технике. Долгое время редкоземельные элементы находили применение лишь в виде смеси. В последнее время произошли коренные сдвиги в использовании этих элементов. В настоящее время установлены новые области их использования в промышленности. Четко наметилось индивидуальное применение отдельных металлов этой группы.

В свободном состоянии редкоземельные элементы — это металлы, быстро тускнеющие на воздухе. Воду они разлагают на холоде медленно, а при нагревании — быстрее. Они очень активны и способны непосредственно взаимодействовать с кислородом, водородом, азотом и другими неметаллами. Редкоземельные элементы легко сплавляются с большинством металлов. Многие из сплавов редкоземельных элементов при трении дают раскаленные искры, что находит практическое применение. Окислы редкоземельных элементов применяются для обесцвечивания, окрашивания и изготовления оптических и других стекол и для окрашивания фарфора. Их окислы применяются также как абразивы для полировки оптических стекол.

Добавление редкоземельных элементов улучшает пластичность, структуру, ударную вязкость и другие свойства сталей, увеличивает жаропрочность нихрома, улучшает свойства алюминия и магния. Стекла с церием не темнеют под действием излучения радиоактивных элементов. Вот почему в ядерных реакторах цериевые стекла употребляются для защиты обслуживающего персонала от вредного действия радиации.

Гадолиний, самарий, прометий, европий и диспрозий активно поглощают медленные нейтроны. Этим элементам, особенно гадолинию, предсказывается большое будущее в ядерных реакторах на самолетах и подводных лодках, где важное значение имеет экономия объема и веса.

В настоящее время использование редкоземельных элементов открывает новые возможности для техники, медицины, геологии и многих других областей.

Изучение катализаторов. Каждому знакома серная кислота, но, может быть, не все помнят, что ее получают соединением сернистого газа с кислородом воздуха с последующим растворением полученного таким образом серного ангидрида в воде. Но сернистый газ очень медленно соединяется с кислородом в обычных условиях. Этот процесс очень сильно ускоряется присутствием платины. Платина необходима в процессе образования кислоты, но она остается химически неизменной. Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами остаются химически неизменными, называются катализаторами.

Процессов, происходящих с участием катализаторов, известно чрезвычайно много. Бóльшая часть химической промышленности работает, используя катализаторы. Реакции получения аммиака, азотной кислоты и многих других веществ протекают в присутствии катализаторов.

При помощи меченых атомов в ряде случаев удается установить, принимает ли участие катализатор в процессе перехода атомов от одной молекулы к другой.

При взаимодействии окиси углерода с водородом в присутствии железа в качестве катализатора образуется метан и другие углеводороды. Ученые считали, что окись углерода с железом образует карбид, то есть соединение железа с углеродом, а карбид железа взаимодействует с водородом, образуя углеводороды. Эта точка зрения до последнего времени излагалась в учебниках.

При помощи меченых атомов удалось доказать, что эти взгляды неправильны. К катализатору подмешивали карбид железа, содержащий радиоактивный углерод. После этого над катализатором пропускали смесь водорода и окиси углерода с нерадиоактивным углеродом.

Получающийся метан вводился в счетчик, и измерялась его активность. Оказалось, что радиоактивный углерод остается в катализаторе, а углеводороды получаются слаборадиоактивными. Следовательно, карбид железа не участвует в переносе углерода от окиси углерода к углеводородам. Процесс в этом случае идет на поверхности катализатора, так же как он идет при образовании серной кислоты на платине.

Изотопы в хроматографии. Разделение многих смесей веществ в настоящее время производится с помощью адсорбционной колонки. Адсорбционная колонка представляет собою трубу, заполненную веществом, способным поглощать (адсорбировать) из раствора различные химические соединения. При фильтровании через такую колонку все растворенное вещество поглощается в ее верхней части. Затем колонка промывается растворителем, при этом адсорбированные вещества перемещаются вдоль колонки сверху вниз с различной скоростью. По мере перемещения вдоль колонки происходит разделение смеси на отдельные вещества. Из колонки последовательно вытекают растворы чистых веществ. Этот метод разделения был разработан в 1903 г. русским ученым Цветом на примере растительных пигментов и был назван хроматографическим. В качестве наполнителя колонки Цвет употребил белую окись алюминия, а за ходом разделения следил глазами, так как разделяемые им вещества образовывали окрашенные кольца. Колонка Цвета была сделана из стекла.

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.

В живых растениях на место распадающихся атомов радиоактивного углерода приходят новые из углекислого газа атмосферы. В животных организмах пополнение углерода идет за счет питания растениями.

А если растение или животное погибнет? В этом случае на место распадающихся атомов радиоактивного углерода не будут поступать новые атомы из атмосферы. Число атомов радиоактивного углерода в умершем организме будет уменьшаться в соответствии с законом радиоактивного распада: через 6000 лет количество радиоактивного углерода убавится вдвое, через 12 000 лет — вчетверо, через 18 000 лет — в 8 раз и т. д. Поэтому содержание радиоактивного углерода в древних остатках животных и растений может служить своего рода часами, по которым можно определить время смерти животного или растения.

Ученые воспользовались этими часами для определения возраста раскопанных древних поселений и археологических находок.

Представим себе, что в раскопках древнего поселения найден кусок дерева. С помощью счетчика мы можем определить количество атомов радиоактивного углерода, приходящееся на один грамм чистого углерода в дереве, а затем рассчитать, когда это дерево было срублено, и таким образом узнать, к какому времени относится древнее поселение. Например, в образцах деревьев, свалившихся при каких-либо обстоятельствах 11440 и 5720 тысяч лет назад, на один грамм углерода приходится такое количество радиоактивного углерода, которое дает 170 и 340 распадов за 40 минут, а грамм углерода из образца свежесрезанного дерева дает 680 распадов за тот же промежуток времени. Таким путем был определен возраст целого ряда образцов дерева, найденных при проведении раскопок.

Описанным методом можно определить возраст пород, заключающих в себе соединения углерода, которые образовались в результате отмирания растений или животных, если их возраст не превышает нескольких десятков тысяч лет. Это ограничение связано с тем, что через 60 тысяч лет, то есть через время, равное 10 периодам полураспада, от имевшегося в образце количества атомов радиоактивного углерода остается лишь тысячная доля и обнаружить ее будет практически невозможно.

Исследование истории образования земли и горных пород, залежей и минералов, изучение богатств недр нашей планеты — вот те необъятные задачи, которые входят в предмет изучения геологии.

Меченые атомы нашли большое применение в исследованиях геологов. В этом разделе будет рассказано о применении радиоактивных изотопов в геологии.

Геологические часы. Радиоактивные атомы могут быть использованы для определения возраста горных пород. «Геологическими часами» является соотношение урана и свинца в урановых рудах. Природный уран состоит из трех изотопов с массовыми числами 234, 235 и 238. Уран с массовым числом 234 называется ураном вторым. Он получается из урана первого, массовое число которого 238, в результате ряда превращений, показанных на рис. 5. Дальнейший распад приводит к образованию устойчивого изотопа свинца. Другой изотоп урана — уран 235 (актиноуран) не связан с рядом урана 238, но также в результате ряда превращений переходит в свинец.

Соотношение количества изотопов в природном уране, а следовательно, и в урановой руде соответствует 99,28% урана 238, 0,714% урана 235 и 0,006% урана 234. Но это соотношение миллиард лет назад было иным, так как скорости распада урана 235 и урана 238 различны. Образование свинца из урана происходит чрезвычайно медленно, так как периоды полураспада урана 238 и урана 235 очень велики. За 900 миллионов лет количество атомов урана 235 уменьшилось в два раза, а от имевшегося количества урана 238 осталось 86%. За 2 миллиарда лет количество урана 235 уменьшилось в 4,65 раза, а количество урана 238 — в 1,36 раза. Следовательно, природная смесь урана, находящаяся в настоящее время в земной коре, получилась из урана 238 и урана 235.

Накопление свинца в урановой руде подчиняется закону радиоактивного распада. Расчет показывает, что за один миллион лет из 1 грамма природной смеси изотопов урана образуется 0,000137 грамма свинца, а за 10 миллионов лет — 0,00136 грамма свинца. Если учесть изменение соотношения изотопов в смеси с течением времени, то можно рассчитать количество свинца, которое могло образоваться из урана и за более продолжительное время. Можно решить и обратную задачу: определить количество урана и свинца в урановой руде и по соотношению этих количеств рассчитать время, прошедшее с момента образования руды. В этих рассуждениях предполагается, что весь свинец, который находится в урановой руде, образовался из урана.

Эта интересная задача решается следующим образом.

Кусочек урановой руды растворяется в смеси кислот. Из полученного раствора свинец осаждается химическим путем. Но весь свинец выделить очень трудно. Как же узнать, какое количество свинца было в руде? Для этого приходится использовать меченые атомы. Перед осаждением свинца к раствору урановой руды добавляется ничтожное по весу количество радиоактивного изотопа свинца — радия D. Радий D — продукт распада радия. Он имеет период полураспада, равный 22 годам. Химические свойства радия D и свинца одинаковы. И если из раствора выделяется, допустим, одна двадцатая часть всего прибавленного радия D, то и свинца выделяется такая же часть. Определить относительное количество радия D в растворе и в осадке легко по радиоактивности. Зная соотношение между растворенным и выделенным радием D и определив количество выделенного свинца, рассчитывают его общее количество, а затем вычисляют время образования уранового минерала. Если этот минерал образовался вместе со всей массой земной коры, то тем самым определяется возраст земной коры. По таким подсчетам возраст земной коры равен приблизительно 4 миллиардам лет.

Определение геологического возраста можно производить не только по свинцу. При переходе урана в свинец в цепи превращений выделяется 8 альфа-частиц (8 атомов гелия). За один год из одного грамма урана образуется 1,1∙10^-7 кубических сантиметров гелия. Гелий скапливается в урановой руде и может быть из нее извлечен. Определив количество гелия в руде, можно рассчитать время, прошедшее с момента образования урановой руды. Однако такой расчет менее точен, чем по свинцу, так как газообразный гелий частично теряется минералами.

Поиски полезных ископаемых. Как определить наличие того или иного вещества в земной коре? Для этого необходимо исследовать пробы, взятые с различных глубин земли, например из буровой скважины. Но анализ проб — сложная и трудоемкая работа. На помощь геологам могут прийти радиоактивные атомы.

Если в буровую скважину опустить ионизационную камеру, соединенную с прибором, записывающим активность, то можно обнаружить залегание минералов, содержащих радиоактивные элементы уран, торий, калий и др. (рис. 20).

Исследования показали, что глины, сланцы и фосфорные известняки обладают высокой радиоактивностью, а каменный уголь, песчаные образования и известняки, в которых может быть нефть, и газы — низкой. Таким образом, с помощью ионизационной камеры можно обнаружить залегание нефти.

Ценные результаты дает измерение излучения, которое появляется при спускании в скважину нейтронного источника из смеси полония и бериллия. Альфа-лучи полония взаимодействуют с бериллием с образованием нейтронов. Источник нейтронов подвешивается снизу счетчика гамма-лучей и изолируется от его излучения. Счетчик регистрирует гамма-лучи, получающиеся при взаимодействии нейтронов с элементами породы. При взаимодействии нейтронов с большинством химических элементов происходит их захват с испусканием гамма-лучей, происходят так называемые n, γ-реакции. Эти реакции сопровождаются образованием радиоактивных изотопов. Последние при распаде также испускают гамма-лучи. Ядерные реакции захвата нейтронов зависят от состава породы, через которую проходит источник нейтронов. В пористых породах, содержащих нефть, наведенная гамма-радиоактивность будет низкой, в плотных рудных породах — высокой. Нейтронным гамма-корротажем можно, следовательно, искать нефть, руды многих элементов, особенно таких как бор, марганец, вольфрам, ртуть, редкоземельные и другие элементы, сильно взаимодействующие с нейтронами. Радиоактивные изотопы нашли широкое применение в нефтяной промышленности при бурении скважин.

Для определения местоположения в скважине пористых пород, в которых можно ожидать скопления нефти и газа, при бурении употребляют раствор, содержащий некоторое количество радиоактивного изотопа натрия. Раствор накачивается в скважину и проникает в пористые легкопроницаемые породы. В этом случае при опускании в скважину счетчика повышение радиоактивности будет соответствовать пористым, легкопроницаемым породам.

Радиоактивные изотопы позволили обнаружить нефтяные пласты в толще пермских отложений, найти продуктивные горизонты среди толщи известняков и доломитов ряда нефтяных месторождений. При помощи радиоактивных изотопов удалось ввести в действие много заброшенных скважин Апшеронского полуострова и улучшить буровую разведку нефти и другого ценного сырья.

За последние годы меченые атомы нашли большое применение в металлургии и металловедении. Исследование процессов выплавки металлов и изучение свойств сплавов металлов широко проводится с применением радиоактивных изотопов. Это легко понять из описанных ниже примеров.

Движение атомов в газах. Вы сидите в комнате, а в соседней комнате пролили духи. Через очень небольшой промежуток времени вы почувствуете их запах. Как он передается?

Душистое вещество испаряется, его молекулы смешиваются с непрерывно движущимися молекулами воздуха, рассеиваются в нем и постепенно проникают во все уголки помещения.

Процесс распространения одного вещества по объему, занятому другим веществом, носит название диффузии. Если вещество имеет запах или окрашено, то за его диффузией легко проследить по запаху или окраске. Но за бесцветным газом, не имеющим запаха, проследить трудно. В этом случае можно использовать меченые атомы. С помощью счетчика легко определяется скорость движения газа.

Используя газы, в молекулах которых есть радиоактивные атомы, удалось проследить за движением вредных газов в вентиляционных системах на промышленных предприятиях.

С помощью радиоактивного газа радона было исследовано движение газов в доменной печи.

Для этой цели ампула с радиоактивным газом радоном вводилась в фурму доменной печи. В определенный момент ампула взрывалась и радон вместе с воздухом поступал в домну. Пробы газа, начиная с момента введения радона в печь, отбирались в колошнике доменной печи на различных расстояниях от стенок. Радиоактивность проб газа измерялась с помощью счетчика. Таким образом устанавливалось время, а следовательно, и скорость прохождения газов в доменной печи в разных ее сечениях. Этим путем было установлено, что скорость движения газов у стенок печи больше, чем в ее центре.

Как ведут себя атомы в твердых телах. Атомы в твердых телах, так же как в жидкостях и газах, находятся в непрерывном движении. Принято считать, что они прочно связаны со своими соседями и совершают только колебательное движение около определенных точек. Но это не совсем верно. Одними колебаниями движение атомов в твердом теле не ограничивается.

Если привести в соприкосновение гладкие поверхности двух кусков какого-либо металла, например золота, и нагреть их так, чтобы они не расплавились, то оказывается, что атомы золота из одного куска перемещаются в другой.

Но как об этом можно узнать? Для этого ученые бомбардировали один из кусков золота нейтронами. При такой бомбардировке идет процесс образования радиоактивных атомов золота:

Золото 198 радиоактивно, оно распадается, испуская электроны. Период полураспада золота 198 равен 56 часам.

Атомы радиоактивного золота постепенно проникают из одного куска золота во второй и тем глубже, чем дольше они соприкасаются и чем сильнее нагреты. За этим легко проследить, счищая с куска золота небольшие слои и измеряя радиоактивность полученных опилок счетчиком.

Следовательно, атомы в металлах также способны к диффузии или, как принято называть этот процесс, к самодиффузии. Но диффузия в твердых телах происходит гораздо медленнее, чем в жидкостях и газах.

Металлургам очень важно знать скорость диффузии различных атомов в сплавах, так как сплав меняет свои свойства, если составляющие его атомы изменяют взаимное расположение.

Советскими учеными за последние годы разработан ряд методов измерения скорости диффузии металлов в твердом состоянии. Эти методы основаны на использовании радиоактивных изотопов. Один из методов заключается в следующем. На исследуемый металл путем электролиза наносится тонкий слой металла, содержащего радиоактивный изотоп. Металл подвергается в печи отжигу при определенной температуре заданное время. В результате диффузии атомы радиоактивного изотопа проникают внутрь металла. Чем глубже мы будем удаляться от поверхности металла, тем меньше должно быть там радиоактивного изотопа. Для определения содержания радиоактивного изотопа на разных глубинах в металле, с его поверхности электролитическим методом снимают тонкие слои металла, сначала один, затем второй такой же слой, третий и т. д. Для этой цели пластинку металла присоединяют к положительному электроду источника постоянного тока и опускают в раствор кислоты. При пропускании тока определенной силы в течение определенного времени происходит растворение пластинки и снятие с нее слоя определенной толщины. Далее определяют радиоактивность каждого снятого слоя, выделяя растворенный металл химическим путем и измеряя радиоактивность на счетчике. На основании полученных данных вычисляют скорость диффузии.

Другой метод заключается в том, что по мере отжига пластинки металла с нанесенным на нее слоем радиоактивного металла радиоактивность, измеренная сначала со стороны, на которую был нанесен слой радиоактивного металла, а затем с противоположной, будет меняться. Радиоактивность стороны, на которую был нанесен слой радиоактивного металла, будет уменьшаться, а противоположной стороны — увеличиваться вследствие того, что радиоактивные атомы будут проникать вглубь, и излучение, идущее с лицевой стороны, будет поглощаться в слое металла. Излучение же, идущее с противоположной стороны пластинки, будет расти, так как слой металла, препятствующий прохождению бета-лучей, по мере проникновения изотопа внутрь пластинки будет уменьшаться. Данные измерения радиоактивности обеих сторон пластинки со временем при постоянной температуре дают возможность вычислить скорость диффузии.

В помощь металловедам. С диффузией в твердом состоянии связаны многие свойства сплавов металлов.

Что такое обыкновенная сталь? Это сплав железа с углеродом. Небольшая примесь углерода делает железо твердым. Атомы железа и углерода в стали располагаются в определенном порядке.

Если приготовить закаленную сталь, содержащую радиоактивный углерод, и гладкую поверхность куска стали приложить к фотопластинке, завернутой в черную бумагу, то на пластинке получится изображение куска. Излучение радиоактивного углерода засвечивает фотопластинку, и поэтому места вкрапления радиоактивного углерода будут отмечены более темными пятнами.

Теперь нагреем сталь, а затем медленно охладим. От этого она станет более мягкой. Повторим радиографирование. Новый снимок покажет уже иное расположение атомов радиоактивного углерода в куске.

С течением времени атомы углерода в куске стали перемещаются. Сталь, как говорят, стареет, ее прочность изменяется.

За перемещением атомов в сплавах можно легко проследить с помощью меченых атомов. Эти исследования очень важны для всех отраслей промышленности, использующих сплавы.

Сплавы — тела кристаллические. От величины отдельных кристаллов и их расположения зависят многие свойства сплавов. Как же выявить строение сплава? Как определить величину кристаллов? Для этого применяют различные способы. Один из них заключается в следующем. Гладко отшлифованную поверхность сплава подвергают действию кислоты, травят. Кислота по-разному действует на различные части сплава. После травления поверхность сплава рассматривают в микроскоп и устанавливают размеры отдельных кристаллов.

Меченые атомы также позволяют определить структуру сплава. Кроме того, они позволяют установить, какие кристаллы выделяются из расплавленной массы первыми. Опыт производится таким образом. Кусок стали помещается в закрытом сосуде над радиоактивным элементом радиоторием. Радиоторий после ряда превращений образует атомы тория В с периодом полураспада 10,6 часа. Атомы тория В осаждаются на поверхности стали.

Подготовленный таким образом кусок стали расплавляют, а затем металлу дают остыть. В жидком расплаве начинается образование кристаллов. Торий В выделяется из расплава только к концу затвердевания слитка и располагается по границам кристаллов или в примесях. Поверхность металла шлифуют и прикладывают к фотопластинке, которая засвечивается в тех местах, где расположен торий В.

Точно так же можно исследовать строение самых разнообразных сплавов, выявив расположение и величину отдельных кристаллов при радиографировании. На рис. 21 дан радиоавтограф стали, содержащей большое количество радиоактивного фосфора (белые пятна).

Изучение металлургических процессов. Для изготовления качественной стали, то есть стали, обладающей какими-либо особенно ценными свойствами, например нержавеющей или подшипниковой, при плавке добавляют те или иные металлы. Процесс плавки стали связан с выгоранием и отшлаковыванием вредных примесей, таких, как сера и фосфор.

Все эти процессы легко контролировать с помощью меченых атомов. Степень и скорость удаления серы и фосфора из стали, например, можно определить путем введения в плавку определенного количества радиоактивного фосфора и серы. Используя радиоактивный кальций, можно также найти степень загрязнения стали шлаком и материалами футеровки печи. Количество радиоактивного кальция в выплавленном металле показывает степень загрязнения металла шлаком и материалами печи. Так, советские ученые установили, что 12% примесей, имеющихся в подшипниковых сплавах, попадает в них из шлака и до 20% из футеровки печи.

Методом меченых атомов можно решать и многие другие вопросы металлургии и металловедения, например распределение легирующих металлов в сплавах, изменение структуры сплавов при термической и механической обработке и т. п.

Радиоактивные изотопы в технике находят все большее и большее применение. Это применение развивается главным образом по линии использования излучения радиоактивных изотопов, поэтому основные примеры будут описаны в главе «Применение радиоактивных изотопов как излучателей». Однако несколько примеров целесообразно дать в главе «Меченые атомы».

Изучение износа деталей машин от трения. Движущиеся части машины при работе изнашиваются из-за трения. При смазывании трущихся частей маслом трение и износ уменьшаются.

Вспомните поездку по железной дороге. Узловая станция. Вдоль поезда проходит смазчик и заливает масло в каждое гнездо у колес вагонов, в подшипники. Многие из вас видели дым, идущий от горящих подшипников. Это бывает при плохой смазке: трение возрастает, металл сильно нагревается и масло загорается. Без смазки металл быстро изнашивается и деталь теряет прочность.

Как найти металлы, которые менее всего изнашиваются? Как найти смазки, лучше всего предохраняющие металл от износа? Метод меченых атомов дает в руки исследователей этих вопросов необходимое оружие.

Для испытания износа того или другого металла приготовляют из него платформу и ползун (брусок). В ползун вводят радиоактивный изотоп металла, а затем заставляют его двигаться по платформе. При движении атомы металлов вследствие трения переходят с одной поверхности на другую. Вместе с нерадиоактивными атомами перемещаются и радиоактивные, и это перемещение можно проследить, исследуя поверхность платформы с помощью специального счетчика или радиографии. В последнем случае после проведения опыта по трению на платформу накладывают фотопластинку и, выдержав определенное время, проявляют ее. Чем больше металла перенесено на платформу, тем сильнее почернеет фотопластинка. Испытания проводятся в отсутствии смазки, с различными сортами смазывающих материалов и при различных нагрузках на ползун.

Эти испытания дают важный материал для выбора металлов и смазок. Испытания трудно провести без помощи меченых атомов, так как при трении в условиях испытания переносятся столь ничтожные количества вещества, что они не могут быть обнаружены никакими другими методами.

С помощью меченых атомов можно испытывать качество не только куска металла или сплава, но и готовых деталей машин.

Например, для испытания автомобильного двигателя на его поршень надевают кольцо, облученное нейтронами, в котором образовалось радиоактивное железо. Двигатель пускают в ход. При этом частички металла, отрывающиеся от кольца, попадают в масло, которым смазывается машина. Масло приходит в соприкосновение со счетчиком, с помощью которого легко определить количество радиоактивного железа, по последнему судят об износе поршневых колец (рис. 22). Здесь же можно установить, как влияет качество топлива на износ поршневых колец. Если топливо содержит в своем составе большое количество серы, то износ деталей резко увеличивается.

Путем облучения режущих инструментов нейтронами можно получить в них ряд радиоактивных изотопов. Употребление таких режущих инструментов позволяет определить их износ по радиоактивности стружек, на которые радиоактивные элементы попадают в результате износа во время работы. Точность такого метода испытания в несколько раз выше стандартной, а время испытания в 25 раз меньше.

Описанный способ прост, быстр и, безусловно, имеет большие перспективы при испытании материалов и машин.

Двигатель внутреннего сгорания обслуживает электростанцию, его поршни ведут непрерывную работу, передавая движение на маховик. Но как узнать, не останавливая машины, не пора ли менять поршень или поршневые кольца, не пришли ли они в негодность в результате износа? Для этой цели можно использовать радиоактивные элементы. Они смогут вовремя дать сигнал о необходимости замены изношенных деталей. В трущейся поверхности машины высверливают маленькое отверстие, в него помещают радиоактивный элемент так, чтобы наружный край его был на такой глубине, дальше которой износ деталей опасен.

На рис. 23 дана схема расположения радиоактивного элемента в трущейся детали машины. Когда износ превышает допустимую глубину, то в смазочное масло машины попадает радиоактивный изотоп, который легко может быть обнаружен в масле с помощью счетчика, вмонтированного в масляную систему.

Таким путем можно контролировать износ ответственных деталей машин, которые не поддаются непосредственному наблюдению.

Автоматизация перекачки нефтяных продуктов. Представим себе трубопровод, по которому перекачиваются на большое расстояние различные сорта минеральных масел. Как сделать так, чтобы одно масло не могло смешаться с другим в приемнике, если процесс перекачки ведется непрерывно? Радиоактивные изотопы помогают решить и эту задачу. Между двумя сортами масла вливают жидкость, содержащую радиоактивное вещество. Выход из трубы соединяют с клапаном, связанным со счетчиком прибора, который переключает направление движения текущей жидкости в новый приемник, как только прибор начинает реагировать на протекание мимо него радиоактивной жидкости.

Контроль работы фильтров. Многие производства перед спуском отработанных жидкостей в канализационную сеть производят их обезвреживание фильтрованием. Специальные фильтры поглощают ядовитые вещества. Фильтры с течением времени насыщаются и перестают поглощать отравляющие вещества. В таком случае их нужно менять, временно пропуская канализационные воды через запасные фильтры.

Контролировать работу фильтра можно с помощью радиоактивных атомов. Для этого в сточные воды примешивается небольшое количество поглощаемого ядовитого вещества, имеющего в своем составе радиоактивные атомы. Когда отработанную жидкость спускают в канализацию, за фильтром ставят счетчик, который присоединен к прибору, переключающему ток жидкости из одного трубопровода в другой. Если через фильтр начинает проникать ядовитое вещество, счетчик отмечает присутствие радиоактивных атомов в сточной воде и включает прибор автоматического переключения.

О шелковых нитях. Всем знаком искусственный шелк. Многие знают, как его делают, но мало кто знает, что качество шелка во многом зависит от тончайшего покрытия, которое наносится на нить при ее получении; от этого тончайшего покрытия зависит равномерность окраски нити и качество вязки. Если нить покрыта неровным слоем вещества, то краска ложится неровно, и нить при дальнейшей обработке путается. Вещество это называется олеатом натрия и является натриевой солью олеиновой кислоты.

Равномерность покрытия нити олеатом натрия можно контролировать с помощью радиоактивного натрия, который вводится в состав соли. Нить проходит вблизи специально сконструированного счетчика Гейгера-Мюллера. Если слой олеата натрия слишком тонок, радиоактивность будет меньше контрольной величины; если же слой толстый, то и радиоактивность будет больше. Все это регистрирует счетчик. Он соединен с особым автоматическим устройством, которое тотчас же изменяет в нужную сторону толщину наносимого слоя.

Изучение процессов, происходящих в животном и растительном организмах, процессов их роста и питания, обмена веществ и т. п. является предметом биологических наук. Особенно важными являются исследования, проводимые на неповрежденном организме. К этому стремился в своих исследованиях великий русский физиолог И. П. Павлов. Метод меченых атомов позволил осуществить стремления Павлова. Этот метод широко проник во все уголки биологической науки, он позволяет изучить распределение различных веществ в живых объектах, превращение и обмен веществ в организме, роль отдельных элементов в питании животных и растений и многие другие вопросы. Познакомимся на ряде примеров с возможностями и достижениями метода меченых атомов в биологии.

От корней к тканям растения. Одной из самых больших тайн природы, в которую удалось проникнуть с помощью метода меченых атомов, является поведение химических элементов в живом организме.

Фосфор является одним из важнейших элементов, необходимых для жизни растений и животных. Он входит в состав многих тканей, в больших количествах содержится в костях животных, в плодах и семенах растений.

В организм животных фосфор попадает с пищей, а растения всасывают его корнями из почвы в виде солей фосфорной кислоты. Если почву у корней растения полить раствором соли фосфорной кислоты, в состав которой введены атомы радиоактивного фосфора, то легко проследить, как фосфор проникает в корни растения, затем поднимается по его стеблю и распространяется в листьях по их жилкам. Наблюдение за движением фосфора осуществляют следующим образом. Для опыта используют несколько растений, подкормленных радиоактивным фосфором. Одно из них срезают через час, другое через два часа, третье через пять часов после начала опыта и т. д. Затем от различных частей срезанных растений отделяют по грамму ткани; ткань высушивают и сжигают. В оставшейся золе содержится фосфор, который был в отделенной части растения. Теперь с помощью счетчика можно легко подсчитать, в каких тканях растения находится больше радиоактивного фосфора, как влияет время на изменение количества радиоактивного фосфора в листьях, плодах или других частях растения. Вместо описанного способа можно растения, впитавшие в себя радиоактивный фосфор, срезать и приложить в темноте к фотографической пластинке. Контуры тех частей растения, в которых находится радиоактивный фосфор, будут зафиксированы почернением на фотографической пластинке. Почернение оказывается неравномерным, оно тем больше, чем больше радиоактивного фосфора содержится в той или иной части растения. Таким способом легко можно изучить направление движения атомов фосфора и других элементов в растении.

Можно показать, что фосфор в плодах томата скапливается в семенах (рис. 24), а в табаке, зараженном вирусной мозаикой, фосфор особенно интенсивно поглощается больными листьями (рис. 25).

Фотосинтез. Углерод, идущий на построение клеток тканей, растения получают главным образом из воздуха в виде углекислого газа, который в листьях на свету претерпевает ряд сложнейших превращений. Процесс этот носит название фотосинтеза.

Фотосинтез сложен и многообразен. Исследования А. К. Тимирязева и его учеников заложили основу учения о фотосинтезе, но только с помощью метода меченых атомов удалось показать, как углекислый газ и вода превращаются в углеводы. Оказалось, что кислород, выделяющийся при синтезе углеводов, образуется из воды, что листья растений способны запасать солнечную энергию, то есть процесс фотосинтеза продолжается некоторое время и в темноте. В этих исследованиях растения выдерживались в различных условиях в атмосфере углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод, затем с помощью счетчика определялось количество радиоактивного углерода в тканях листьев. Более сложные опыты заключались в том, что исследовалось не просто содержание радиоактивного углерода, а определялось, в какие химические соединения и при каких условиях он входит. После выдерживания в атмосфере радиоактивного углекислого газа растения убивались спиртом. При этом образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические соединения переходили в раствор.

Для анализа состава раствора к нему добавляли нерадиоактивные вещества, наличие которых в нем предполагали. Эти вещества выделяли из смеси известными химическими приемами. Если вещество оказывалось радиоактивным, то тем самым доказывалось его образование в процессе опыта по фотосинтезу из углекислого газа, так как вместе с нерадиоактивным добавленным веществом извлекалось и то радиоактивное, которое было образовано в процессе фотосинтеза. Если же отделенное вещество было нерадиоактивно, то, следовательно, его образование не связано с поглощением углекислого газа из воздуха.

Интересными являются опыты с применением бумажной хромотографии. В этом случае спиртовой экстракт из растений, выдержанных в атмосфере радиоактивного углекислого газа, наносился на угол вертикально висящего листа фильтровальной бумаги.

Верхний край бумаги опускался в ванночку с органическим веществом — фенолом. Фенол впитывался бумагой и проникал в нее, перемещаясь все ниже и ниже. По мере смачивания бумаги фенолом вещества, нанесенные на ее угол, также передвигались сверху вниз. Скорость передвижения различных веществ при таком способе промывания бумаги различная, поэтому, если выдержать край бумаги в феноле определенное время, вещество переместится на какое-то определенное расстояние от края. Затем лист бумаги поворачивался на 90° и ее край опускался в ванну с раствором пропионовой кислоты в спирте. Снова происходило движение жидкости по бумаге сверху вниз, а вместе с ней и находящихся на бумаге веществ. Благодаря такому приему каждому веществу при стандартных условиях промывания соответствовал определенный участок бумаги. Предварительно те же операции проводили со смесью веществ, которые ожидали найти в растении, содержащих в своем составе радиоактивные атомы. Таким образом, находили места расположения отдельных веществ на бумаге при стандартном промывании. После промывания исследуемого раствора с помощью счетчика или фотографическим методом определяли, на каких частях бумаги находятся соединения, содержащие радиоактивный углерод, и, следовательно, какие вещества образовались из радиоактивного углекислого газа в условиях опыта (рис. 26).

Рисунок 26 показывает, что второе вещество — серин образуется из первого — алонина, так как при 5-секундной экспозиции растения в атмосфере радиоактивного углекислого газа его обнаружить не удается, а при 90-секундной выдержке растения в атмосфере радиоактивного углекислого газа он появляется. Подобные анализы радиоактивности отдельных составляющих смеси, полученной при различном времени выдерживания растений в атмосфере радиоактивного углекислого газа, позволяет найти последовательный ход превращения одних веществ в другие.

Русским исследователям удалось также обнаружить, что источником углерода для растений является не только углекислый газ воздуха. Подкормка растений солями угольной кислоты, содержащими радиоактивный углерод, показала проникновение радиоактивного углерода через корни в ткани растений, тем самым удалось установить новое назначение корневой системы для построения углеродистого скелета растений.

Советскими учеными были найдены сложнейшие пути образования углеродистых веществ в растениях и роль углерода, поступающего из воздуха в листья и из земли через корни. Углекислый газ воздуха в листьях превращается в сахар, который спускается в корни растения, где он переходит в пировиноградную кислоту. Последняя с углекислотой, извлекаемой корнями из земли, дает щавелево-уксусную и затем яблочную кислоту. Яблочная кислота идет вверх: в листья, плоды и т. д. и превращается в них в белок и углеводы.

В то же время углекислота почвы, превращаясь в органические кислоты, проникает во все уголки растения и под влиянием хлорофилла разлагается и выделяет кислород. Таким образом осуществляется кислородное питание растений.

Питание растений азотом и фосфором также осуществляется за счет углекислоты, извлекаемой корнями растения из почвы. Это происходит следующим путем: углекислота превращается в щавелево-уксусную кислоту, которая соединяется с почвенным аммиаком, содержащим азот, и превращается в аспаргиновую кислоту. Образование щавелево-уксусной кислоты идет только в присутствии фосфора, поэтому при недостатке фосфора питание растений азотом не осуществляется.

Советские ученые установили также, что свет с различной длиной волны вызывает различное действие. Так, красный свет вызывает образование углеводов, а синий — белков.

Движение поваренной соли в организме. Путь различных веществ в организме животных еще более сложен, чем путь их в растениях. С пищей различные элементы попадают в желудок и кишечник животного, а из него в кровь. Кровь поставляет их во все уголки тела. Проследить за движением веществ, путь которых интересует исследователя, невозможно без радиоактивных элементов. Метод меченых атомов дает возможность отличить вновь пришедшие в организм атомы от тех, которые в нем были ранее.

Вы выпили стакан воды, в которой растворена столовая соль, то есть хлористый натрий (соединение натрия и хлора). Куда же попадают молекулы хлористого натрия из желудка? Ответ может дать радиоактивный натрий, который легко ввести в состав молекул соли.

Если вы выпьете раствор такой соли и зажмете в руке счетчик, то уже через несколько минут он покажет, что в руке появились атомы радиоактивного натрия, которые распадаются с испусканием электронов и гамма-лучей. Радиоактивный натрий принесла в вашу руку кровь, что легко доказать, взяв пробу крови и проверив в ней присутствие радиоактивного натрия с помощью того же счетчика.

В течение часа бóльшая часть попавшего в желудок хлористого натрия проникает в кровь. Затем хлористый натрий разносится кровью по всему телу и из нее попадает в так называемую межклеточную жидкость, далее постепенно уходит в почки и выделяется из организма. В моче с помощью счетчика можно обнаружить небольшие количества радиоактивного натрия уже через 10 минут после того, как он попал в желудок. Хлористый натрий всегда находится в живом организме; вновь поступающий хлористый натрий заменяет собой тот, который был в организме раньше.

Куда идет фосфор. Попробуем теперь проследить с помощью меченых атомов за движением фосфора в организме животного и установить его роль в питании. Для этого необходимо соединение фосфора — соль фосфорной кислоты, содержащую радиоактивный фосфор, — ввести в желудок. Можно ввести соль фосфорной кислоты и путем подкожного впрыскивания. Она быстро всасывается в кровь и распределяется по всему организму. Для опыта используют животных, например мышей или крыс. Через некоторое время после подкожного впрыскивания крысу умерщвляют.

От различных частей ее тела отделяют по одному грамму ткани и сжигают. Затем с помощью счетчика определяют величину радиоактивности золы, полученной после сжигания каждого вида ткани. Радиоактивность, или, как мы будем говорить в дальнейшем, активность выражают числом импульсов, отмеченных счетчиком в единицу времени. Зная вес и активность 1 грамма ткани, вычисляют активность всей ткани. Полученные активности складывают и, приняв их за 100%, рассчитывают процент активности в каждом виде ткани. Результаты одного из таких опытов приведены в таблице.

Общая активность оказывается наибольшей у костей, но активность на миллиграмм фосфора гораздо бóльшая у мышц и других мягких тканей, где, очевидно, идет наиболее сильный обмен фосфора.

Повторяя подобные опыты с другими крысами, умерщвляя их через различное время, можно проследить изменение этого соотношения со временем. Фосфор постепенно уносится из организма с мочой и калом. Убывание его из мягких тканей идет быстро, а в костях он медленно накопляется. Это изменение можно характеризовать следующей таблицей, построенной на основании одного из опытов.

Значительная часть введенного под кожу крысы радиоактивного фосфора уже через полчаса оказывается в костях; далее процесс накопления фосфора в костях замедляется, но идет непрерывно. В мышцах содержание радиоактивного фосфора доходит до максимума через 20 дней, а затем начинает падать.

Со временем в костях происходит биологическая перекристаллизация. Кровь приносит фосфор, который образует кристаллы фосфата кальция, а старые кристаллы растворяются и уносятся кровью, кости обновляются. 97,8% фосфора, введенного в кровь, как показывают меченые атомы, уже через два часа уходит из нее.

Радиоактивный фосфор в теле животного легко также обнаружить путем радиографии, если приложить его разрез к фотографической пластинке и выдержать некоторое время. Излучение радиоактивного фосфора вызовет засвечивание фотографической пластинки. На рис. 27 показан отпечаток радиоавтографа разреза мыши, под кожу которой был введен радиоактивный фосфор.

Стронций, попавший в организм животного, так же как и фосфор, накапливается в костях.

В организме происходит непрерывный обмен одних атомов на другие и не только в костях, но и в любых других тканях тела животного.

Обмен атомов фосфора происходит во всех частях тела, особенно интенсивно обмен происходит в мозгу. Используя меченый фосфор, удалось показать, что в различных частях мозга обмен усиливается при различного рода раздражениях (световых, звуковых и т. п.). Например, при звуковом раздражении наблюдается усиление обмена фосфором в корковой части слухового анализатора мозга.

Любопытным является тот факт, что фосфор, внесенный в воду в виде солей, проникает в тело рыб через их поверхность, что дает возможность производить подкормку рыб фосфором.

Можно ли было проследить за движением фосфора или других атомов в живых тканях без метода меченых атомов? Конечно, нет.

Откуда берется кальций. В состав скорлупы яиц входит кальций. Предполагали, что кальций непосредственно из пищи поступает в кровь, а из крови в скорлупу яиц. Однако опыты с применением радиоактивного кальция показали, что из пищи весь кальций поступает в скелет, не попадая непосредственно в скорлупу яиц. Из скелета он расходуется, в частности, и на построение скорлупы яиц. Его расходование тем самым регулируется. Оно идет у кур, например, в соответствии с их продуктивностью. У кур, которые за 2 месяца снесли 25 яиц, происходит обновление костяка на 95%, в то время как у ненесущихся кур за то же время костяк обновляется лишь на 25%.

Роль железа. Без элемента железа не могут обходиться живые существа. Железо входит в состав гемоглобина, а гемоглобин является основным веществом, составляющим красные кровяные тельца — эритроциты. Эритроциты переносят кислород от легких во все уголки сложного организма человека и животного. Перенос этот совершается с помощью атомов железа, которые в легких присоединяют кислород, а в тканях тела отдают его.

Как проследить за движением и распределением железа в живом организме? Где накапливаются запасы железа? Меченые атомы помогают ответить на поставленные вопросы.

Для проведения опытов используются радиоактивные изотопы железа, которые вводятся с пищей в желудок животного в виде солей железа. Затем с помощью счетчика измеряется количество радиоактивного железа в крови и различных органах.

В результате многочисленных исследований было установлено следующее.

Железо, поступающее с пищей в организм, всасывается слизистой оболочкой двенадцатиперстной и тонких кишок. Далее оно входит в состав белкового вещества ферритина. Ферритин накапливается главным образом в печени и селезенке.

Если организм здоровый, то кровь, мышцы, печень и другие органы содержат определенное количество железа. В печени и селезенке содержится запас ферритина. Новые порции железа, введенного в желудок, почти целиком выбрасываются организмом. Но стоит взять из вены животного некоторое количество крови, как начинается интенсивное всасывание железа.

Железо ферритина в костном мозгу превращается в гемоглобин, который включается в состав образующихся там же эритроцитов. У малокровных людей идет интенсивное усвоение железа.

Интересен также следующий опыт. Если в вену человека ввести определенный объем крови, эритроциты которой содержат в своем составе радиоактивное железо, то можно определить общий объем крови. Для этого через 24 часа после введения крови у подопытного животного берут кровь в количестве, равном введенному, и измеряют ее активность. Вследствие того что кровь, содержащая радиоактивное железо, смешивается со всей массой крови, полученная активность так относится к введенной, как количество введенной крови к ее общему количеству.

Метод меченых атомов оказался чрезвычайно плодотворным для изучения различных биологических процессов, и тысячи ученых в настоящее время применяют его.

Процессы питания и роста растений, обмена веществ в них и ряд других вопросов, важных для сельского хозяйства, мы уже описали в разделе применения меченых атомов в биологии. В этом разделе мы остановимся на исследовании процессов, непосредственно связанных с выращиванием сельскохозяйственных культур, на изучении возможности повышения их урожайности, на исследовании методов внесения удобрений в почву и т. п.

В полеводстве. Как вносить удобрения в почву, в какие сроки, в каком виде и в каких дозах? Все эти вопросы можно решить, изучая из года в год действие удобрений на опытных участках. Меченые атомы позволяют значительно быстрее и точнее ответить на все приведенные выше вопросы.

Попробуем внести фосфорное удобрение, содержащее радиоактивный фосфор, поверх почвы или с зарыванием в канавку близ корней. В последнем случае растение становится радиоактивным быстрее и в большей степени. Это легко установить с помощью счетчика. Следовательно, при зарывании в канавку удобрение используется быстрее и полнее.

Можно проследить также, как сказывается различное расположение удобрения по отношению к корням. Так, листья, корневая система которых находится в непосредственной близости от удобрения, содержащего радиоактивные элементы, становятся радиоактивными уже через 20 минут. Если удобрения расположены на 3–4 сантиметра от корней, то содержащиеся в них элементы оказываются в листьях через 3 дня, а при расстоянии от корней до удобрения, равном 5–6 сантиметрам, — только через 3–4 недели.

Очевидно, используя радиоактивные вещества, внесенные в почву на различные расстояния от растения, можно проследить за ростом корневой системы, не вынимая растение из земли, а измеряя радиоактивность листьев.

Почва содержит ряд нужных растениям химических элементов, их недостаток необходимо восполнять удобрениями. Внося удобрения, содержащие, например, радиоактивный фосфор, легко показать, что питание растений идет не только за счет фосфора удобрения, но и приблизительно на ⅓ за счет почвенного фосфора. Для этого исследования растение, выросшее на почве, удобренной радиоактивным фосфором, срезают, сжигают и определяют химическим анализом в золе общее содержание фосфора и с помощью счетчика содержание радиоактивного фосфора; тем самым устанавливают долю фосфора, взятого растением из удобрений и из почвы. Таким же способом определяют степень использования фосфора органических удобрений, например навоза. Чтобы получить навоз, содержащий радиоактивный фосфор, овец кормят травой, смоченной раствором соли, фосфорной кислоты, содержащей радиоактивный фосфор.

Большую роль в жизни растений играют микроэлементы, которые присутствуют в растениях в ничтожно малых количествах. Применяя радиоактивные изотопы, например, таких элементов, как кобальт, цинк и другие, можно установить роль этих элементов в жизни растений, необходимость тех или иных элементов для лучшего развития культур.

Ряд опытов, проведенных с мечеными удобрениями, показал, что листья наряду с корнями являются для растений источником не только углекислого газа — углерода, но что они способны всасывать минеральные соли, тем самым помогая корням в питании растений азотом, фосфором и другими необходимыми растениям элементами. Это открытие позволило поставить на научные основы внекорневую подкормку сельскохозяйственных культур. Внекорневая подкормка значительно повышает урожайность ряда культур, например урожайность хлопка на полях наших южных республик таким путем повышается на 10–20%, урожайность картофеля — на 7%, ячменя — на 18%, фасоли — на 17% и т. д. Меченые атомы позволяют установить также, в какой период растение плохо усваивает удобрения из почвы и хорошо листьями, т. е. наиболее рациональные сроки внекорневой подкормки.

В садоводстве. Куда лучше вносить удобрения под деревья? И этот вопрос помогают решить меченые атомы. Внесем удобрение вблизи одного из корней дерева, например яблони. В этом случае спустя некоторое время радиоактивным становится не все дерево, а лишь определенные ветки, плоды и листья, растущие на этой ветке, что легко можно проверить, поднося счетчик к различным частям дерева. Следовательно, питание разных частей дерева осуществляется за счет разных корней, и только при круговом внесении удобрения под все корни можно достигнуть положительного эффекта.

Какова связь между дичком и привитой к нему веткой яблони?

В решении этой задачи меченые атомы являются незаменимыми. Они показывают, что не только из корневой системы дичка питательные вещества направляются к привитой ветке, но привитая ветка начинает полностью функционировать и посылает вырабатываемые в ней вещества в тело и корни дичка.

Врачи давно используют радиоактивные элементы для лечебных целей. Излучение, например, радия или радона, а в настоящее, время и ряда искусственных радиоактивных элементов с успехом применяется для лечения рака, белокровия и других болезней.

Метод меченых атомов также начинает проникать во врачебную практику и практику исследований болезней и их лечения. Последние очень близко примыкают к исследованиям в области физиологии.

В поисках средств борьбы с болезнями. Радиоактивные элементы начинают в настоящее время использоваться при поисках средств для лечения болезней, например гипертонии — повышенного давления крови.

Скорость кровообращения может характеризовать состояние организма. При помощи радиоактивных элементов легко определить скорость кровотока (рис. 28). Если в вену вблизи кисти руки ввести раствор поваренной соли, содержащей в своем составе атомы радиоактивного натрия, то можно по гамма-лучам, испускаемым радиоактивным натрием, при помощи счетчика определить время, необходимое для переноса крови от кисти руки до ступни ноги (или другого места). У здоровых людей это время составляет приблизительно 43 секунды. У лиц, страдающих артериосклерозом, это время увеличивается и может дойти до 105 секунд, а у лиц с расширением вен уменьшается даже до 30 секунд.

Тяжелое заболевание, гипертония, связана с повышением давления крови. Лекарства, помогающие больным гипертонией, должны расширять кровеносные сосуды, создавая таким образом более свободное и быстрое движение крови. Чтобы определить влияние того или другого лекарства, применяемого для лечения гипертонии, раньше необходимо было в течение длительного промежутка времени испытывать его действие.

При помощи меченых атомов задача подбора лекарств решается просто и быстро. Перед испытанием лекарства у больного определяют скорость движения крови с помощью радиоактивного натрия. Повторяют те же измерения после принятия больным лекарства. Если лекарство расширяет кровеносные сосуды, то скорость движения крови увеличивается и время прохождения натрия с кровью от кисти руки до локтей, колен и ступней уменьшается.

При определении болезней. Где и как найти в огромном мире атомов нашего тела атомы иода, которые мы поглощаем вместе с пищей и водой или в виде лекарства?

Эту задачу удается решить, используя меченые атомы. Человеку дают выпить раствор нескольких миллионных долей грамма иодистого калия, в состав которого входит радиоактивный иод. Радиоактивный иод испускает гамма-лучи. Если после введения иодистого калия подставить счетчик к горлу человека, где находится щитовидная железа, то уже через несколько минут счетчик обнаруживает, что атомы радиоактивного иода проникли в щитовидную железу (рис. 29). Иод постепенно в ней накапливается. Его количество сначала нарастает, а затем убывает. Накопление иода в щитовидной железе здоровых и больных людей происходит неодинаково. У здоровых людей наибольшее накопление радиоактивного иода в щитовидной железе происходит через сутки после приема иода. У людей, заболевших базедовой болезнью и при других заболеваниях, усиливающих работу щитовидной железы, иод скапливается в ней быстрее. Его максимальное количество можно обнаружить уже через несколько часов после введения. При угнетении деятельности щитовидной железы максимальное накопление иода происходит через несколько суток. Нарушение работы щитовидной железы происходит и при ряде других заболеваний, например при гипертонической болезни, заболевании сердца, туберкулезе легких. В этих случаях работа щитовидной железы замедляется. При заболевании кожи, наоборот, работа щитовидной железы убыстряется. При выздоровлении работа щитовидной железы становится нормальной и нормально происходит накопление в ней иода. Таким образом, радиоактивный иод помогает определить болезнь и в ходе ее лечения контролировать выздоровление.

При определении болезней крови большую помощь может оказать радиоактивный фосфор. Если взять кровь и прибавить раствор соли фосфорной кислоты, содержащей радиоактивный фосфор, то уже через час он в значительных количествах скапливается в эритроцитах крови. Отделив эритроциты от жидкой части крови, можно с помощью счетчика определить в них количество радиоактивного фосфора. У здоровых людей количество фосфора, включающееся в эритроциты, равно 18–20%, а у больных оно изменяется. При сердечных заболеваниях оно становится не более 10%, при туберкулезе легких около 13% и т. д.

Наряду с радиоактивным иодом и фосфором для установления заболеваний применяют радиоактивный изотоп натрия. Он употребляется для распознавания болезней, при которых изменяется скорость кровообращения, например при заболеваниях сердца, гипертонии, при ревматизме. В этих случаях радиоактивный натрий вводится в кровь и, как это описано выше, определяется скорость движения крови с помощью счетчика.

Но с помощью радиоактивного натрия не только можно определить скорость движения крови, но и отсутствие этого движения в кровеносных сосудах, обслуживающих те или иные органы или части органов тела. При отсутствии проходимости сосудов радиоактивный натрий не проникает в исследуемый участок тканей тела и счетчик регистрирует отсутствие радиоактивности в крови, взятой из этого участка ткани.

Известно, что при ряде заболеваний нарушается скорость обмена натрием между кровью и тканью. При подкожном впрыскивании радиоактивного натрия скорость его перехода в кровяное русло легко найти, отбирая пробы крови и измеряя ее радиоактивность счетчиком. Используя этот метод по замедленному переходу радиоактивного натрия в кровяное русло, можно определить порок сердца, который нарушает процесс обмена натрия в организме.

Установление диагнозов с использованием радиоактивных изотопов, очевидно, будет расширяться все больше и больше по мере исследования влияния болезней на нарушение процессов обмена веществ в организме.

В помощь хирургам. Скопление иода в щитовидной железе дает возможность использовать это явление при хирургическом удалении больной щитовидной железы. Перед операцией больной выпивает раствор йодистого натрия, содержащего радиоактивный иод. Радиоактивный иод накапливается в щитовидной железе. Во время операции легко с помощью счетчика проверить, полностью ли удалена щитовидная железа.

Известно, что некоторые элементы преимущественно скопляются в опухолях. Этим можно воспользоваться для установления местоположения опухоли с помощью радиоактивных изотопов.

В организм вводят вещества, легко накапливающиеся в опухоли, которые содержат в своем составе радиоактивные атомы, обладающие гамма-излучением.

Спустя некоторое время с помощью счетчика можно легко определить местоположение опухоли по гамма-излучению радиоактивного изотопа, накопившегося в опухоли. Особенно важно точно определить положение опухоли в головном мозгу перед операцией, так как в этом случае при операции необходимо вскрывать череп.

В лаборатории. С помощью меченых атомов легко изучить проникновение в различные органы не только питательных веществ, но и лекарственных, что очень важно знать врачам. Особый интерес представляет изучение проникновения лекарственных веществ в те органы, в которые оно затруднено, например в спинномозговую жидкость.

Меченые атомы помогают разобраться и в причинах некоторых болезней. С их помощью установлено, например, что обмен атомов в организме при шоковом состоянии резко замедляется.

Меченые атомы помогли разобраться в природе заболеваний, связанных с недостатком витаминов. Было показано с помощью радиоактивного изотопа серы, что обновление белков в тканях и органах животных, страдающих недостатком витамина С и Д, замедлено; особенно замедлено обновление белков сердечной мышцы, почек и скелетных мышц.

В этом разделе не описано лечебное действие радиоактивных изотопов, основанное на применении их излучения, а этот вид использования радиоактивных изотопов в настоящее время играет важнейшую роль в медицине.

Излучение радиоактивных изотопов поглощается веществами, сквозь которые оно проходит. При поглощении излучения происходит ионизация атомов и молекул. Поэтому альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское и другие виды излучения называют ионизирующими.

Количество излучения, поглощающегося в единице массы вещества, или точнее энергия излучения, поглощающаяся в единице массы вещества, называется дозой ионизирующего излучения. Дозы выражают в единицах, которые называют рентгенами. Рентген — это такая доза рентгеновских или гамма-лучей, которая, проходя сквозь слой воздуха при температуре 0° и давлении 760 миллиметров ртутного столба, создает в 1 куб. сантиметре воздуха 2 миллиарда пар ионов (1 электростатическую единицу положительных и столько же отрицательных ионов). На образование одной пары ионов затрачивается 33 электронвольта энергии, следовательно, поглощение энергии в 1 куб. сантиметре воздуха равно 0,11 эрга.

Для характеристики количества энергии, поглощаемой тканями тела человека, употребляют так называемый масс-рентген, т. е. количество энергии, поглощаемой 1 граммом ткани. Это количество энергии равно тому, которое поглощается 1 граммом воздуха, так как воздух имеет средний атомный вес такой же, как и ткани тела человека. Плотность тканей тела человека приблизительно в 770 раз больше плотности воздуха при 0° и 760-миллиметрах давления ртутного столба. Поэтому при поглощении в теле потока излучения, соответствующего в воздухе 1 рентгену, выделяется энергия, равная 83,8 эрга.

Если происходит поглощение другого вида ионизирующего излучения, например альфа- или бета-лучей, то их доза измеряется в физических эквивалентах рентгена. Физический эквивалент рентгена — это такое количество ионизирующего корпускулярного (состоящего из частиц) излучения, которое соответствует поглощению в 1 грамме воздуха энергии, равной 83,8 эрга.

Доза прямо пропорциональна количеству излучающего вещества и времени действия излучения.

Количество, или активность, радиоактивных изотопов измеряют в единицах, называемых кюри. Кюри — это такое количество радиоактивного изотопа, в котором происходит 37 миллиардов распадов ядер атомов в секунду. Такое количество распадов происходит, например, в одном грамме радия 226, период полураспада которого равен 1590 лет. Единица кюри делится на тысячные доли — милликюри и миллионные доли — микрокюри. 1 миллиграмм радия на расстоянии 1 сантиметра в течение часа создает дозу, равную 8,3 рентгена, 1 милликюри кобальта 60 — дозу 13,3 рентгена. С увеличением расстояния интенсивность излучения, а следовательно, и доза уменьшаются. Если источник излучения точечный, то при увеличении расстояния вдвое доза уменьшается в четыре раза, при увеличении расстояния в три раза — в девять раз, при увеличении в 100 раз — в 10 000 раз, то есть уменьшение дозы происходит пропорционально увеличению квадрата расстояния.

Ионизирующее излучение при систематическом действии или при больших дозах может вредно действовать на живой организм. Вредное действие излучения связано с ионизацией атомов и молекул, входящих в состав клеток живой материи. В результате этого процесса появляются химически активные ионизированные «осколки» молекул — радикалы, которые способны к химическим реакциям, приводящим к гибели клетки живой ткани. Длительное воздействие ионизирующего излучения может вызвать лучевую болезнь.

Облучение может быть внешним, когда нет соприкосновения источника излучения с телом. Облучение может быть и контактным, возникающим при заражении кожи радиоактивными веществами или при попадании их внутрь организма. Внешнее облучение опасно только нейтронами и гамма-лучами, которые глубоко проникают в тело. Альфа-лучи затрагивают лишь верхний слой кожи, а бета-лучи проникают не более чем на несколько миллиметров в глубь тканей. Однако такое действие может вызвать местные поражения кожи. Местные поражения кожи наступают также при ее загрязнении радиоактивными веществами. Эти поражения приводят к воспалению кожи и образованию язв. Особенно подвержены таким поражениям слизистые оболочки глаз, носа и рта.

При попадании радиоактивных изотопов внутрь организма при заглатывании или вдыхании радиоактивные изотопы из желудка или легких проникают в кровь и далее накапливаются в различных органах тела. Радиоактивные изотопы кальция, стронция, бария, фосфора, плутония и ряда других элементов накапливаются в костях, иода — в щитовидной железе, лантана и церия — в печени и т. д. Это также приводит к местным поражениям отдельных органов или всего организма.

Поражения, вызываемые действием ионизирующего излучения, бывают острыми и хроническими. Острые поражения возникают в результате воздействия больших доз в короткие промежутки времени. Хронические поражения наступают в результате многократного воздействия малыми дозами.

При острых поражениях спустя несколько часов после облучения появляются тошнота, рвота, понос и сильная слабость. Затем недомогания исчезают, но по прошествии некоторого промежутка времени (от нескольких часов до трех недель) возобновляется острый период. Во время скрытого периода болезни происходит изменение состава крови. Далее во время последнего острого, или так называемого токсического периода болезни, кроме сильного нарушения пищеварения, происходит выпадение волос, кровотечения, кровоизлияния и еще больше меняется состав крови. Организм перестает сопротивляться инфекционным заболеваниям.

Хронические поражения развиваются в скрытой форме и связаны главным образом с изменением состава крови. Они вызывают болезни крови. При местном систематическом облучении возникают поражения кожи. Лучевая болезнь у различных людей развивается по-разному и зависит не только от особенностей организма, но и от его физической закалки.

Человек может переносить без вреда при однократном облучении значительные дозы ионизирующих излучений, измеряющиеся десятками рентгенов. Безвредными могут быть местные облучения еще бóльшими дозами. Это позволяет использовать излучение радиоактивных изотопов в медицине. При единовременных дозах порядка 100–200 рентгенов наступает лучевая болезнь в легкой форме. Дозы, превышающие 300 рентгенов, вызывают лучевую болезнь в тяжелой форме. Крайне тяжелые заболевания получаются при дозах свыше 500 рентгенов. Систематическое облучение организма даже сравнительно небольшими дозами ионизирующего излучения приводит к заболеваниям, поэтому работы с радиоактивными изотопами должны вестись с соблюдением особых условий и правил. Эти правила предусматривают, что еженедельное общее облучение не должно превышать 0,3 рентгена или ежедневное облучение всего организма должно быть не свыше 0,05 рентгена. Для отдельных частей тела допустимы более высокие дозы, например для рук при систематическом облучении — 1,5 рентгена в неделю.

Особенно опасным является попадание радиоактивных изотопов внутрь организма при вдыхании и заглатывании через легкие и рот. В этом случае, как уже говорилось, происходит накопление радиоактивных изотопов в определенных органах и тканях тела. Оставаясь длительное время в теле человека, радиоактивные изотопы производят систематическое облучение тела, в результате чего может наступить заболевание.

В связи с этим при работе с радиоактивными изотопами необходимо принимать меры против попадания радиоактивных веществ внутрь организма и на поверхность тела работающих, а также против облучения людей излучением радиоактивных изотопов.

Лаборатории для работы с радиоактивными изотопами должны иметь такие полы, стены, потолки и мебель, чтобы их было легко мыть. Пол покрывается линолеумом или метлахской плиткой[9], стены и двери окрашиваются масляной краской. Мебель делается из непористых материалов на ножках, деревянная — окрашивается масляной краской, рабочие поверхности столов и вытяжных шкафов покрываются линолеумом, пластмассой, гетинаксом[10], стеклом и тому подобными материалами. Помещения оборудуются хорошей приточно-вытяжной вентиляцией.

Если работа проводится с малыми количествами радиоактивных изотопов (меньше 0,05 милликюри бета-излучателей на рабочем месте), то основные мероприятия должны быть направлены на предупреждение попадания радиоактивных веществ на поверхность тела и внутрь организма. В защите от внешнего облучения необходимости нет. Если работа ведется с гамма-излучающими изотопами, то количеством, при котором нет необходимости в защите от внешнего облучения, является такое, которое соответствует по создаваемой дозе 0,05 миллиграмма радия. Однако, чтобы предохранить от облучения руки, все операции с радиоактивными веществами совершают с помощью ручных и механических манипуляторов — щипцов специального устройства (рис. 30а и 30б).

При работе с большими количествами радиоактивных изотопов, помимо мер, направленных на предотвращение попадания радиоактивных веществ внутрь организма и на поверхность тела, необходима защита работающих от внешнего облучения.

Для защиты от бета-лучей применяют плексигласовые, а для защиты от гамма-лучей свинцовые экраны.

Чтобы предотвратить загрязнение поверхности тела радиоактивными веществами, пользуются специальной одеждой и всю работу проводят в резиновых перчатках. В случае наличия в атмосфере радиоактивных газов, паров, аэрозолей или пыли применяют при работе противогазы или защитные маски. На рис. 31 справа показан работник лаборатории в комбинезоне и плексигласовом изолирующем шлеме.

Если работы не связаны с попаданием радиоактивных веществ в атмосферу лаборатории, то они производятся на обычных столах для химических работ, но для предотвращения разливания растворов сосуды с растворами ставятся в эмалированные кюветы, кюветы из плексигласа, пластмассы, нержавеющей стали и т. п.

В случаях проведения работ, при которых возможно поступление радиоактивных изотопов в воздух рабочего помещения в виде газов, паров, аэрозолей или пыли, их производят в специальных вытяжных шкафах или закрытых камерах. Эти шкафы и камеры не только изолируют помещение от поступления радиоактивных веществ в атмосферу лаборатории и тем самым предохраняют работающих от попадания радиоактивных веществ в организм через легкие, но и предохраняют от загрязнения тела и от излучения радиоактивных изотопов. На рис. 32 изображен шкаф (камера) для работы с радиоактивными изотопами, испускающими только бета-лучи, а на рис. 33 — тяжелый свинцовый шкаф для работы с гамма-излучающими изотопами. Работа в этих шкафах осуществляется руками, которые вводятся внутрь шкафа через вмонтированные в специальные отверстия резиновые перчатки или с помощью вмонтированных в стенку механических манипуляторов. Вещества для работы вносятся внутрь шкафа через небольшие боковые камеры-шлюзы. Удаление воздуха из шкафов производится через фильтры, поглощающие радиоактивные вещества. В легком шкафу наблюдение осуществляется через переднюю плексигласовую стенку, а в тяжелом — через специальное свинцовое стекло, хорошо поглощающее гамма-лучи.

Если приходится работать с очень большими количествами радиоактивных изотопов, измеряемыми десятками, сотнями и тысячами кюри, то все без исключения операции проводят в специально построенных для этой цели так называемых «горячих» камерах. Работу в «горячих» камерах совершают с помощью механических или электрических манипуляторов. Такие манипуляторы позволяют производить работу из соседнего помещения. Наблюдение за совершаемыми операциями проводятся с помощью оптической системы — перископа или через толстый слой прозрачного поглощающего материала (свинцовое стекло, растворы в воде солей тяжелых металлов, таких, как свинец).

Кроме использования при работе с радиоактивными изотопами специальной аппаратуры и одежды для безопасной работы, необходимо соблюдать ряд мер предосторожности. В рабочих помещениях необходимо соблюдать большую чистоту, не допускать скопления пыли и ежедневно производить влажную уборку помещений.

Загрязнения тела часто происходят от загрязненной спецодежды и рук. В связи с этим необходимо тщательно следить за чистотой халатов и комбинезонов, еженедельно производя их стирку. Несмотря на то что работа с радиоактивными изотопами ведется в резиновых перчатках, после работы, перед едой и курением необходимо тщательно мыть руки. В случае обнаружения загрязнения тела необходимо принять душ.

Организация работы лабораторий также должна служить к предотвращению случаев внешнего и внутреннего облучения работающих.

Для этой цели хранение радиоактивных изотопов осуществляется в специально отведенных помещениях в сейфах, поглощающих излучение. Переноска изотопов проводится в контейнерах (рис. 34), обеспечивающих не только защиту от излучения, но и предохраняющих изотопы от возможного разливания и рассыпания. Изотопы в контейнерах ставятся в других сосудах. Для предотвращения загрязнения канализационной системы отходы радиоактивных изотопов собираются в специальные сосуды и хранятся до полного распада. В случае долгоживущих изотопов их отходы собираются в специальные могильники.

Контроль за работой с радиоактивными изотопами осуществляется самими работающими и службой контроля и дозиметрии, которая должна организовываться в каждой лаборатории. Контроль заключается в систематическом наблюдении за чистотой рабочих помещений, за отсутствием радиоактивных загрязнений в помещениях для работы, на халатах и теле работающих, в особенности на руках. Кроме того, необходим контроль за правильностью хранения и удаления отходов радиоактивных изотопов.

Контроль осуществляется с помощью дозиметрических приборов. В зависимости от назначения дозиметрические приборы делятся на четыре группы: индикаторы, дозиметры, радиометры, рентгенометры.

Индикаторы радиоактивности предназначаются для обнаружения мест, зараженных радиоактивными изотопами, для сигнализации о недопустимых уровнях радиации в воздухе, на поверхности пола, столов, на местности, на спецодежде и теле.

Дозиметры применяются для измерения суммарной дозы радиации. На рис. 35 показана схема карманного дозиметра, выполненного в виде авторучки. Этот дозиметр употребляется для определения дозы излучения, которую получает человек, носящий дозиметр, за все время пребывания в зоне излучения. Такой дозиметр носится в кармане. Он состоит из миниатюрной ионизационной камеры, электроскопа и микроскопа. На внутренний электрод электроскопа подается от специального зарядного устройства постоянное напряжение. При этом подвижной лепесток электроскопа, прикрепленный к электроду, отходит от последнего. Заряд, находящийся на электроде и лепестке, постепенно переносится ионизированным воздухом на корпус дозиметра. Сила отталкивания кварцевого, покрытого платиной лепестка от электрода уменьшается, и благодаря упругой силе лепесток приближается к электроду. Местоположение лепестка определяется через микроскоп глазом по шкале, находящейся внутри микроскопа. Шкала отградуирована так, что дозиметр непосредственно показывает количество миллирентгенов. Прибор позволяет измерять дозы рентгеновых и гамма-лучей от 0 до 200 миллирентгенов.

Рентгенометры предназначаются для определения мощности дозы. Мощность дозы — это доза в единицу времени. Поэтому шкала показывающего стрелочного прибора рентгенометров градуируется в рентгенах в час или микрорентгенах в секунду. Рентгенометр состоит из ионизационной камеры, усилителя ионизационного тока, регистрирующего электроизмерительного прибора и источника питания для усилителя и ионизационной камеры. Действие рентгенометра основано на регистрации с помощью микроамперметра ионизационного тока, возникающего в ионизационной камере под действием излучения, после его усиления. Величина ионизационного тока колеблется в пределах порядка 10^-7–10^-11 ампера, а обычные микроамперметры позволяют измерять токи не менее 1 микроампера. Рентгенометры бывают полевые — батарейные, в которых питание усилителя и ионизационной камеры осуществляется от батарей, сухих элементов, и лабораторные — сетевые с питанием от электрической сети переменного тока через выпрямитель тока. На рис. 36 приведен внешний вид лабораторного сетевого, а на рис. 37 — полевого батарейного рентгенометра. Последний представляет из себя один блок в металлическом кожухе. На верхней панели прибора размещены регистрирующий прибор и ручки управления. Внутри кожуха на передней панели крепится ионизационная камера и в отдельном отсеке размещаются источники питания — батареи сухих элементов. Усилитель тока и другие элементы радиотехнической схемы радиометра очень чувствительны к влаге и поэтому монтируются в отдельном герметизированном отсеке. Для измерения уровня бета-радиации в дне кожуха имеется отверстие. Гамма-излучение проникает в ионизационную камеру прямо через кожух прибора.

Радиометры предназначаются для определения степени зараженности воздуха, воды, поверхностей земли, пола, лабораторной мебели, одежды и тела радиоактивными изотопами.

Радиометр представляет собой прибор, состоящий из приемника излучений, в качестве которого используется газовый счетчик, усилителя импульсов тока, питающего устройства и регистрирующего прибора. В качестве регистрирующих приборов используют электромеханический счетчик импульсов тока или стрелочный прибор, проградуированный в импульсах тока в минуту.

Радиометры, так же как и рентгенометры, бывают сетевые — лабораторные и полевые — батарейные. В первых питание газового счетчика и усилителя тока осуществляется от электрической сети переменного тока, а во вторых — от батареи сухих элементов. Многие радиометры имеют наушники, позволяющие определять на слух интенсивность излучения. На рис. 38 представлен лабораторный сетевой радиометр, а на рис. 39 — полевой радиометр. В последнем счетчик вмонтирован в так называемый зонд. Зонд представляет собою дюралюминиевую трубку диаметром 26 мм, оканчивающуюся поворотной головкой, в которой крепится счетчик. В стволе зонда расположена радиосхема. Зонд радиометра герметичен и допускает его погружение в воду на 200 мм и работу с прибором под дождем.

Головка зонда может быть поставлена в два положения — прямо и под углом 120°. Головка зонда имеет оболочку, которая может быть поставлена в три положения: счетчик закрыт алюминиевым кожухом — измеряется только гамма-излучение, бета-лучи поглощаются оболочкой; счетчик открыт — измеряются бета- и гамма-излучения вместе (рис. 39); доступ к счетчику для бета-лучей открыт в виде щели; в этом случае также измеряются бета- и гамма-излучения, но при этом значительная часть бета-лучей поглощается оболочкой. Это положение необходимо в случаях очень интенсивного бета-излучения. Внутри зонда проходит электрошнур, соединяющий газовый счетчик с регистрирующим и питающим устройствами, смонтированными в одной коробке. Внутри коробки расположены питающие батареи и усилительное устройство. Снаружи под крышкой вмонтирован регистрирующий прибор — микроамперметр, шкала которого проградуирована для бета-излучения в распадах в минуту с квадратного сантиметра поверхности, а для гамма-лучей — в миллирентгенах в час. Некоторые образцы приборов позволяют регистрировать от 50 до 90 000 распадов с 1 кв. сантиметра в минуту по бета-лучам, от 0,02 до 30 миллирентгенов в час по гамма-лучам. Ручки управления и регулировки прибора также находятся на передней панели под крышкой. Параллельно с показывающим прибором к усилителю подключены телефонные наушники. На крышке прибора с внутренней стороны указаны правила обращения с прибором и перевод показаний шкалы прибора в импульсы в минуту и миллирентгены в час. Радиометр может работать при колебаниях температуры от -40 до +50°C и при больших колебаниях влажности воздуха.

В СССР охрана здоровья работающих с радиоактивными изотопами является общегосударственным делом. Законодательным порядком установлены нормативы предельно допустимых уровней облучения и предельно допустимых концентраций содержания радиоактивных изотопов в воздухе и воде. Изданы обязательные правила для работ с радиоактивными изотопами. Нормирована продолжительность рабочего времени и отпусков. Организовано медицинское наблюдение за работающими и установлен государственный контроль за выполнением законодательства в данной области. Работа с радиоактивными изотопами при соблюдении правил безопасна.