3.4. Ядерные реакции. Меченые атомы

А. Ядерные реакции – превращения одних нуклидов в другие, вызванные взаимодействием ядер с другими ядрами или элементарными частицами больших энергий. Приведём в качестве примера постоянно происходящую в земной атмосфере ядерную реакцию превращения в :

Нейтроны большой энергии из космического излучения, приходящего к нам от Солнца, взаимодействуют с ядрами азота ,превращая их в радиоактивный изотоп углерода

Эту ядерную реакцию можно записать и так:

Первая ядерная реакция, проведённая в лаборатории ( в 1919 году Э.Резерфордом):

А в 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри осуществили ядерную реакцию:

В обоих случаях превращения нуклидов произошло под воздействие -частиц.

Ядерные реакции распада тяжёлых ядер, сопровождаются освобождением огромной энергии ядра. Например, открытая в 1938 году немецкими учёными Отто Ганном, Фрицем Штрассманом, Лизой Мейтнер и Отто Фришем реакция деления ядра урана:

При делении 1г урана выделяется энергии почти в 3млн раз больше, чем при сжигании 1г угля.

Реакция деления тяжёлых ядер в 1945 году была преступно использована армией США для убийства сотен тысяч мирных людей в японских городах Хиросима и Нагасаки, а в СССР в 1954 году впервые в Обнинске заработал мирный ядерный реактор на АЭС –атомной электростанции. В 1986 году в СССР произошла страшная трагедия - аварии на АЭС в Чернобыле, которая поставила под сомнение разумность строительства АЭС, однако во многих странах до сих пор значительная часть электроэнергии поставляется АЭС. Надо заметить, что при нормальной работе АЭС более экологична, чем тепловая электростанция. Даже радионуклидов АЭС выбрасывают в атмосферу меньше, чем тепловые электростанции. Однако до сих пор не решена проблема захоронения радиоактивных отходов работы АЭС.

При ядерных реакция синтеза лёгких ядер выделяется ещё большая энергия. Например, реакция синтеза гелия:

На реакцию синтеза лёгких ядер возлагались большие надежды, однако до сих пор не решена проблема проведения управляемой термоядерной реакции. Поэтому, к сожалению, она пока использовалась только, в так называемых, водородных бомбах,

Для медицины и фармации исключительно важно, что ядерные реакции позволяют получать искусственные радиоизотопы многих элементов. Они отличаются от своих стабильных «родственников» числом нейтронов в ядре, что и делает их неустойчивыми. А вот химические свойства у них такие же, потому что в их ядрах то же количество протонов и, соответственно, такие же электронные оболочки. И вот это то и привело к созданию изумительного, потрясающе точного метода исследования – методу меченых атомов.

Б. Меченые атомы – это радиоактивные изотопы тех элементов, местоположение которых требуется обнаружить. Например, для фармации очень важна проблема преодоления лекарственными веществами биологических барьеров. Для обнаружения скорости и путей распространения исследуемого вещества, а также мест его депонирования – накопления, а также скорости и путей выведения вещества из организма в исследуемое вещество среди элементов его составляющих вводится некоторое количество меченых атомов. У меченых атомов ядра – нестабильные. Они периодически распадаются и испускают ионизирующее излучение. Концентрация меченых атомов требуется ничтожная, их излучение абсолютно безопасно для организма. Однако, очень точные приборы по этому излучению надёжно определят и местоположение и концентрацию меченых атомов, а значит и исследуемого вещества.

Метод меченых атомов открыл новые возможности для диагностики ряда заболеваний. Особенно для ранней диагностики онкологических заболеваний. Новообразования отличаются по химическому составу от здоровых тканей. Введя в организм эти вещества, с небольшим количеством меченых атомов, можно надёжно их обнаружить по большей или меньшей активности, наблюдаемой над определёнными участками организма. Например, введение в организм радиоизотопа иода I¹³¹ позволяет по его накоплению в щитовидной железе и в других органах диагностировать рак щитовидной железы и метастазы по ионизирующему излучению, сопровождающему распад:

Метод меченых атомов позволяет исследовать многие биологические процессы. Например, этим методом было обнаружено, что за три месяца организм обменивает 50% своих белков, что скорость движения соков растений порядка метров в секунду.

Радиоизотопы используются также для терапии - в основном, для лечения онкологических заболеваний.

Приведём ещё один пример применения радионуклидов - для определения объёма крови пациента. В кровь пациента вводится объём V вещества, содержащего N₁ радионуклидов. Через несколько минут, за которые введённое вещество успевает перемешаться со всей кровью пациента, берут пробу вещества такого же объёма V. Сравнивая активность введённой порции А ₁ с активностью пробы А₂ , можно определить объём крови по формуле:

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 3

1.Какова природа , и - излучений. Какие ядерные превращения они сопровождают?

2. Период полураспада -5600 лет. Во всех растениях и животных при жизни содержится определённое количество этого радиоактивного изотопа углерода. Через сколько лет содержание в органических останках снижается в 4 раза?

3. Во сколько раз отличаются активности двух радиоактивных препаратов, если у второго препарата период полураспада в 2 раза больше, чем у первого, а число нестабильных ядер в нём в 8 раз больше, чем в первом?

4. Два радиоактивных препарата содержат одинаковое количество нестабильных ядер. У второго препарата период полураспада в два раза больше, чем у первого. Через какое время их активности окажутся одинаковыми?

5. Допишите уравнение ядерной реакции:

5. В чём заключается метод меченых атомов? Для чего он используется в медицине и фармации?