1 рік тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Достижения в области физики атомного ядра оказы­вают очень большое влияние на развитие почти всех отраслей человеческого знания. Овладение атомной энер­гией дало в руки ученых самых разнообразных специаль­ностей новые средства и способы научного исследования. Неизмеримо выросли возможности научного познания.

Научная медицина с самого своего зарождения чер­пает в физике и химии новые идеи и средства для преду­преждения болезней и борьбы с ними. Стоит напомнить, например, что открытие в конце прошлого века рентге­новских лучей привело к тому, что теперь без рентгенов­ского аппарата не обходится даже небольшое лечебное учреждение. Исключительное значение имеет для меди­цины использование атомной энергии. Эта отрасль науки обогатилась новыми, весьма ценными методами изучения жизненных процессов, диагностики и лечения болезней.

В основе большинства этих методов лежит использо­вание радиоактивных и устойчивых изотопов. С рассказа о том, что они собой представляют, мы и начнем нашу книжку.

ЧТО ТАКОЕ ИЗОТОПЫ

Все окружающие нас тела состоят из атомов. Не­смотря на малые размеры, атомы представляют собой сложные образования. Наиболее простые по строению атомы принадлежат химическому элементу водороду (Н), занимающему первую клетку в таблице Д. И. Менделеева (Подробно о периодической таблице химических элементов рассказывается в брошюре «Научно-популярной библиотеки»: А. Л. Колесников, Закон Менделеева). Атом этого элемента состоит из двух частиц: протона и электрона. Протон образует ядро атома, а элек­трон, вращаясь вокруг протона,— оболочку атома.

И протон, и электрон — электрически заряженные ча­стицы. По величине их заряды одинаковы, но противопо­ложны по знаку. Каждый протон несет один элементар­ный заряд положительного электричества, а каждый элек­трон несет элементарный заряд отрицательного электри­чества. Заряды протона и электрона нейтрализуют друг друга, и в целом атом водорода заряда не имеет.

Округленно масса протона принята равной единице; масса электрона почти в 2000 раз меньше массы протона. Массу атома водорода поэтому можно считать равной (с некоторым приближением) массе протона, то есть еди­нице. Это означает, что масса атома водорода в шестна­дцать раз меньше массы атома изотопа кислорода, кото­рую принимают равной точно шестнадцати.

Сокращенно сведения об атоме водорода мы можем записать так: 1H1. Здесь цифра, стоящая слева внизу, обозначает число зарядов в ядре атома (атомный но­мер) и порядковый номер в таблице Менделеева, а циф­ра справа вверху показывает целочисленное значение атомного веса — атомную массу.

За водородом в таблице Менделеева по порядку идет элемент гелий (Не). В ядре атома гелия два протона, а на оболочке вращаются два электрона. В ядро атома гелия, помимо двух протонов, входят две другие ядерные частицы, которые не имеют электрического заряда. Их называют нейтронами. Таким образом, ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса нейт­рона почти равна массе протона, поэтому атомная масса гелия равна четырем.

Сокращенно сведения об атоме гелия можно записать так: 2Не4.

Подобным образом построены атомы всех других эле­ментов. Атомы каждого элемента имеют определенное число протонов в ядре и равное ему число электронов на оболочках атома. Кроме протонов, в ядре находятся ней­троны. Сумма числа протонов и нейтронов в ядре атома равна атомной массе и приближенно равна атомному весу данного химического элемента.

Все атомы, принадлежащие какому-либо одному эле­менту, имеют в ядре одинаковое число протонов. Но этого нельзя сказать о числе нейтронов. В ядрах разных атомов одного и того же элемента может быть неодинаковое число нейтронов.

Даже у самого простого элемента, водорода, не все атомы имеют описанное выше строение. Если большое количество воды подвергнуть разложению электрическим током (электролизу) на водород и кислород, то на дне сосуда будет накапливаться вода, удельный вес которой выше удельного веса обыкновенной воды. Это так назы­ваемая тяжелая вода. А тяжесть ей придает то, что в со­став такой воды входит вместо наиболее распространен­ного в природе легкого водорода с атомной массой, рав­ной единице, тяжелый водород, масса атомов которого равна двум. В ядре такого атома, помимо протона, содер­жится еще один нейтрон. Тяжелый водород может быть, следовательно, обозначен символом 1H2 или латинской буквой D (от другого названия атомов тяжелого водоро­да — дейтерий).

Большинство химических элементов состоит из ато­мов, которые различаются по своему весу, так как содержат разное количество нейтронов в ядре. Изото­пами и называют такие атомы, которые имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре.

У разных элементов число встречающихся в природе изотопов неодинаково. Некоторые элементы, например фосфор, представлены в природе только одним изотопом (15P31), а у олова их девять.

Смесью изотопов являются также природный углерод (С) и азот (N) — элементы, идущие на построение всего живого. Углерод состоит из двух изотопов: 6С12 и 6С13. В первом на 6 протонов в ядре приходится 6 нейтронов, а во втором — на 6 протонов — 7 нейтронов. Азот состоит тоже из двух изотопов: 7N14 и 7N15, а кислород из трех: 8О168О178О18.

Соотношение между числом атомов с различным весом у одного элемента, откуда бы этот элемент ни выделить, сохраняется в природе, как правило, с большим постоян­ством. Где бы ни собирать, например, воду, в ней всегда на 999 844 атома легкого водорода обнаружится только 156 атомов тяжелого водорода. В углероде на 989 атомов легкого углерода всегда содержится 11 атомов тяжелого, в азоте на 9962 атома изотопа 7N14 всего 38 атомов изо­топа 7N15.

Соотношение атомов разных изотопов одного и того же элемента определяют с помощью специального прибо­ра — масс-спектрометра. Большим достижением физики атомного ядра явилась разработка способов разделения изотопов, Это оказалось очень нелегким делом, потому что химические свойства разных изотопов практически со­вершенно одинаковы. Во всех химических реакциях, не исключая и тех, которые протекают в животном и расти­тельном организме, разные изотопы ведут себя одина­ково (Это не совсем точно лишь для изотопов водорода, хими­ческие свойства которых из-за большой разницы в атомном весе немного различаются). Для разделения их пользуются некоторыми от­личиями в физических свойствах. Мы уже говорили, что разделение изотопов водорода достигается путем элект­ролиза. Молекулы воды, содержащие тяжелый водород, труднее разлагаются током и накапливаются на дне сосу­да. Применяют для разделения и другие методы, например способность более легких изотопов быстрее проникать через мельчайшие отверстия.

Природные изотопы легких элементов, имеющих ма­лые атомные веса, как, например, изотопы водорода, угле­рода, азота и др., устойчивы. Изотопы же тяжелых эле­ментов, занимающих последние места в таблице Д. И. Менделеева, начиная с висмута (атомный номер 83), неустойчивы. Это проявляется в том, что атомные ядра изотопов самопроизвольно распадаются; происходит про­цесс перестройки ядра, который сопровождается тем или иным видом излучения. Впервые это явление было обна­ружено в конце прошлого века французским ученым Анри Беккерелем. Мария и Пьер Кюри дали ему название радиоактивность (Подробно об этом см. брошюру «Научно-популярной биб­лиотеки»: К. Б. 3аборенко, Радиоактивность). Встречающиеся в природе радиоактивные изотопы условно называются естественно-радиоактивными, в отличие от искусственно-радиоактив­ных изотопов.

КАК ПОЛУЧАЮТ РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

До 1934 года были известны лишь немногие, естест­венные радиоактивные вещества, которые добывались из руд урана и тория. Важнейшим из таких радиоактивных веществ являлся радий. Этот элемент уже в первые годы после его открытия Марией и Пьером Кюри (в конце XIX века) начал применяться в медицине для лечения злокачественных опухолей.

В 1934 году известные французские ученые Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри открыли возможность получения ис­кусственных радиоактивных изотопов. С тех пор изучено много ядерных реакций, ведущих к возникновению новых, не встречающихся в природе изотопов. Число таких изо­топов исчисляется уже многими сотнями (около 900).

Остановимся на описании только одной ядерной реак­ции, наиболее важной для получения радиоактивных изо­топов, в том числе многих из тех, которые применяются в медицине. Покажем, как протекает эта реакция на при­мере получения радиоактивного изотопа фосфора из при­родного фосфора (15P31).

В ядре атома фосфора 15 протонов и 16 нейтронов. При бомбардировке природного фосфора медленными нейтронами, обладающими сравнительно небольшой ско­ростью, часть нейтронов будет захватываться атомными ядрами фосфора. При этом ядро в момент захвата испу­скает гамма-излучение.

Реакцию в химических обозначениях можно записать так:

15Р31 + 0n1 = 15P32 + гамма-излучение.

0n1 здесь обозначен нейтрон. Ноль слева указывает, что нейтрон не имеет заряда, а единица справа показывает, что масса его равна единице.

В ядре атома фосфора, захватившем нейтрон, число положительных зарядов не изменится, так как присоеди­нившийся нейтрон не обладает зарядом. Не изменится и число электронов в оболочке атома. Оно останется рав­ным числу положительных зарядов ядра, то есть 15. Из­меняется лишь соотношение протонов и нейтронов. В но­вом ядре на 15 протонов приходится уже не 16, а 17 ней­тронов. Но при этом новом соотношении ядерные силы, действующие между частицами в ядре атома нового изотопа, уже не могут обеспечить его устойчивости. Про­исходит перестройка ядра, которая заключается в пре­вращении одного ядерного нейтрона в протон. При этом в ядре возникает и из него вылетает бета-частица. Ядро фосфора становится ядром другого элемента, имеющего в составе ядра уже не 15, а 16 протонов. Это будет сера (S), занимающая соседнюю с фосфором клетку в таб­лице Менделеева. Вот как сокращенно записывается эта реакция:

15Р32 —> 16S32 + бета-частица.

Полученный таким путем искусственный изотоп фос­фора будет радиоактивным.

В настоящее время для получения искусственных ра­диоактивных изотопов при помощи реакции захвата ней­трона используются чаще всего нейтроны, освобождаю­щиеся при делении ядер урана в ядерных реакторах (атомных котлах) — установках для промышленного по­лучения атомной энергии (Об атомной энергии и ядерных реакторах см. также в бро­шюре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: В. А. Лешковцев, Атомная энергия).

Искусственный радиоактивный изотоп фосфора может быть получен и с помощью других ядерных реакций, при помощи других бомбардирующих частиц, кроме нейтро­нов, и не только из природного фосфора, а также из дру­гих элементов — серы, хлора. С другой стороны, помимо указанного изотопа фосфора, искусственно получены и другие его радиоактивные изотопы. Всего для фосфо­ра их известно четыре, а для йода, например, даже сем­надцать.

Из многих сотен различных радиоактивных изотопов только сравнительно немногие применяются в медицине.

Одним из условий для выбора радиоактивного изотопа с целью применения в медицине является подходящая ско­рость радиоактивного распада. У каждого изотопа в еди­ницу времени распадается строго определенная часть всех имевшихся вначале радиоактивных атомов. Эту часть распадающихся за единицу времени атомов называют постоянной распада. Как показывает само назва­ние, она остается неизменной величиной для данного изотопа.

С постоянной распада связан другой характерный по­казатель скорости радиоактивного распада — период полураспада. Это — тот отрезок времени, за кото­рый распадается половина первоначального числа радио­активных атомов. Для изотопа фосфора Р32 период полу­распада равен 14,3 дня.

Периоды полураспада разных радиоактивных изотопов даже одного и того же элемента неодинаковы (таблица).

Схема распада изотопа Р32 простая. Для такого рас­пада характерен только один вид излучения — это испу­скание бета-частиц. Бета-частица по своим физическим свойствам не отличается от электрона. Из распадающихся ядер атомов фосфора вылетают бета-частицы, обладаю­щие разной скоростью, но максимальная скорость бета-частиц этого изотопа будет характерной для него величи­ной. От скорости бета-частицы зависит длина ее пробега. Самые быстрые бета-частицы фосфора проникают в кожу на глубину не больше чем 8 мм.

Другие изотопы могут иметь более сложную схему рас­пада, чем фосфор. Вот, например, радиоактивный натрий. Его получают по той же реакции с медленными нейтро­нами, что и фосфор, для чего и бомбардируют нейтро­нами кристаллики поваренной соли (хлористого натрия). Изотоп натрия распадается подобно изотопу фосфора с вылетом бета-частицы, при этом ядра натрия переходят в ядра соседнего в таблице Д. И. Менделеева элемента — магния. Но для распада натрия (Na24) характерно также испускание гамма-лучей. Вылет бета-частицы и испуска­ние гамма-лучей совпадают во времени. Таким способом ядро освобождается от избыточной энергии.

Гамма-лучи, испускаемые ядром отдельными порциями энергии, или, как принято говорить, квантами, относятся, как и радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, к электромагнитным излучениям. Фи­зические свойства гамма-лучей подобны свойствам рент­геновских лучей. Как все виды электромагнитных излу­чений, гамма-лучи распространяются со скоростью света, около 300 000 километров в секунду. Для них характерна большая проникающая способность. Чем выше энергия гамма-квант, тем труднее они поглощаются веществом, которое пронизывается этими лучами. Гамма-лучи могут пройти через тело человека и только частично в нем по­глотиться.

В биологии и медицине используются чаще всего изо­топы, распад которых сопровождается бета- или бета-и гамма-излучением. Есть изотопы, распадающиеся несколько иначе, но на этом мы не будем останавли­ваться.

При распаде радия и радона из ядер этих изотопов вылетают альфа-частицы. Альфа-частица несет два поло­жительных заряда. Масса альфа-частицы равна четырем. Эта частица не что иное, как ядро атома гелия. Присоеди­няя два электрона, альфа-частица и становится атомом элемента гелия.

КАК ОБНАРУЖИВАЮТ РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД

Радиоактивные излучения нельзя обнаружить непо­средственно при помощи наших органов чувств, как нельзя без радиоприемника поймать радиоволны. Но их можно открыть и измерить по действию на вещество, в котором излучение поглощается.

Само явление радиоактивности было открыто по дей­ствию на фотографическую эмульсию. Радиоактивное из­лучение оказывает на нее такое же действие, что и види­мый свет. Если облученную фотопленку или фотопла­стинку проявить, то в тех местах, куда падало радиоактив­ное излучение, будет видно потемнение, тем большее, чем сильнее было облучение. Таким путем можно при­близительно судить об активности радиоактивного ве­щества.

Это свойство излучения сейчас широко используется в биологии и медицине главным образом для того, чтобы исследовать распределение радиоактивного вещества в клетках и тканях организма.

При этом поступают таким образом, что в животный организм вводят радиоактивное вещество, затем из тканей или органов этого животного готовят тонкие срезы и тем или иным способом приводят эти срезы в темноте в тес­ное соприкосновение с фотоэмульсией. Через некоторое время, которое зависит от условий опыта, пластинку или пленку с фотоэмульсией проявляют и по отпечатку узна­ют, в каких участках ткани или даже в каких участках растительной или животной клетки отложилось то или иное радиоактивное вещество (рис. 1).

Радиоавтографы щитовидной железы...

Радиоавтографы щитовидной железы…

По фотографическим отпечаткам можно проследить и за тем, как перемещалось в организме радиоактивное ве­щество во времени (рис. 2).

Радиоафтографы лягушки после введения ей радиоактивного фосфора...

Радиоафтографы лягушки после введения ей радиоактивного фосфора…

Метод получения снимков при помощи радиоактивных

излучений называют радиоавтографи­ей, что по-русски мож­но перевести как луче­вая самозапись.

При всей ценности такого способа обнару­жения радиоактивности он не годится в тех слу­чаях, когда ответ о на­личии радиоактивных излучений должен быть дан немедленно и ин­тенсивность излучения необходимо измерить очень точно. Поэтому для обнаружения ра­диоактивных излучений чаще используются дру­гие методы, основанные на свойстве этих излу­чений образовывать в той среде (веществе), где идет поглощение энергии излучений, электрически заряжен­ные частицы — ионы.

Как возникают ионы и что они собой пред­ставляют?

Возьмем какое-нибудь радиоактивное вещество, испу­скающее бета-частицы. Они вылетают из ядра атома по­добно камню, выпущенному из пращи. Скорость полета бета-частиц может быть различной. Чем больше скорость, тем длиннее пробег частицы.

Полет камня замедляется благодаря трению о моле­кулы воздуха. При этом и воздух, и поверхность камня нагреваются. Механическая энергия полета переходит в теплоту.

Скорость полета бета-частицы также уменьшается при взаимодействии с атомами и молекулами среды. При этом энергия бета-частицы растрачивается главным образом на отрыв электронов из оболочки атомов и молекул, а также на возбуждение молекул, то есть увеличение запаса энер­гии в них.

При потере электрона атом или молекула перестают быть электронейтральными, так как число отрицательных зарядов в них с потерей электрона уменьшается, атомы или молекулы превращаются в положительно заряженные ионы.

Оторванный от атома электрон недолго находится в свободном состоянии: он соединяется с другой электри­чески нейтральной частицей — атомом или молекулой — и образует отрицательный ион. Так возникает пара ионов: положительный и отрицательный.

При этом электрические свойства поглощающей среды изменяются. Если это был воздух, он перестает быть хо­рошим изолятором и начинает проводить ток.

Образование ионов при поглощении энергии радиоак­тивных излучений носит название эффекта иониза­ции. Механизм поглощения различных видов радиоак­тивных излучений может несколько отличаться от описан­ного нами для бета-частиц, но в конечном счете при погло­щении любого вида излучения образуются ионы.

На измерении эффекта ионизации основаны весьма разнообразные по устройству приборы, с помощью кото­рых можно с большой точностью измерять активность ра­диоактивных веществ, то есть определять числа распа­дающихся в единицу времени радиоактивных атомов по испускаемому при этом излучению.

Наибольшее значение в медицинских исследованиях имеет счетчик Гейгера-Мюллера. Опишем кратко одну из его конструкций.

Это — алюминиевая, цилиндрическая, замкнутая с обоих концов трубка с тонкими стенками. По оси ее натя­нута вольфрамовая нить. Закреплена нить так, что между нею и корпусом счетчика нет электрического соединения. На нить подается постоянный ток высокого напряжения. Корпус счетчика заземлен. Внутри трубка заполняется газовой смесью, в состав которой входит главным образом аргон.

Что произойдет, когда в газовое пространство счетчика попадет какая-либо ионизирующая частица, скажем та же бета-частица?

Если бета-частица при вылете из ядра атома обладает большой энергией, то лишь часть этой энергии израсхо­дуется на преодоление тонкой стенки счетчика. Попадая внутрь счетчика, бета-частица взаимодействует с атомами заполняющего его газа и образует ионы. При этом как сама бета-частица, так и электроны, сорванные с оболо­чек атомов, устремляются с большой скоростью к поло­жительно заряженной нити счетчика, сталкиваясь «по до­роге» все с новыми атомами газа. В результате в трубке будет образовываться все большее и большее количество свободных электронов, также устремляющихся к нити счетчика.

Это приведет к возникновению в счетчике своего рода «короткого замыкания», «пробоя», длящегося лишь мгно­вение. Напряжение на нити счетчика при этом резко упа­дет. Такой скачок напряжения, или импульс, усиливают с помощью радиотехнического устройства и регистрируют с помощью электромеханического счетчика.

Таким образом, счетчик Гейгера-Мюллера «срабаты­вает» при попадании в его газовое пространство каждой отдельной ядерной частицы, лишь бы это вызвало образо­вание в нем хотя бы одной пары ионов. Этим и объяс­няется чрезвычайно высокая чувствительность счетчика к радиоактивным излучениям.

Счетчики различаются между собой по внешней форме, материалу стенок, составу заполняющей счетчик газовой смеси. В зависимости от того, какой вид ядерного излуче­ния, какой энергии и в каких условиях надо измерить, подбирают наиболее подходящий для работы счетчик (рис.3).

Установка для регистрации радиоактивного распада...

Установка для регистрации радиоактивного распада…

Есть счетчики другого рода. Это так называемые счет­чики сцинтилляций, или люминесцентные счетчики. В них используется еще одно свойство радиоактивных излуче­ний — вызывать свечение некоторых веществ. В практиче­ской жизни это свойство издавна используют, например, нанося на циферблат часов краску, свечение которой вид­но в темноте. В состав краски входит радий и вещество, способное превращать энергию излучения радия в види­мый свет.

Вещества, обладающие таким же свойством, наносят и на экран телевизора или рентгеновского аппарата. Те места, куда попадает много электронов, ярко светятся. Интенсивность свечения в данном случае зависит от ин­тенсивности попадающего на экран излучения.

В счетчиках сцинтилляций в качестве вещества, пре­вращающего энергию ионизирующих излучений в свето­вую, чаще всего применяют (особенно в приборах, пред­назначенных для медицинских целей) большие прозрач­ные кристаллы йодистого натрия. Регистрацию световых вспышек в кристалле производят не глазом, а с помощью специального светочувствительного прибора — фотоумно­жителя, в котором вспышки света в свою очередь превра­щаются в электрические импульсы, которые после усиле­ния регистрируются электромеханическим счетчиком.

Счетчик сцинтилляций имеет то преимущество перед счетчиком Гейгера-Мюллера, что он более чувствителен к гамма-лучам. Поэтому счетчики сцинтилляций начинают в последнее время все чаще применять в тех случаях, когда нужно обнаружить и измерить гамма-излучение, ис­ходящее от живого человека.