Вступ

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: ₈О¹⁶, ₈О¹⁷, ₈О¹⁸.

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…

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…

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…

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.

• Ізотопи як мічені атоми в дослідженнях обміну речовин →