Сообщение на тему применение изотопов. Курсовая работа: Применение радиоактивных изотопов в технике

Ушакова А.А. 1

Гришина В.С. 1

1 Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение городского округа Заречный «Средняя общеобразовательная школа № 4»

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Я считаю, что моя исследовательская работа актуальна именно сегодня. Появившаяся в конце XIX века ядерная физика, бурное развитие которой привело к созданию атомного и водородного оружия, уже в середине XX века заставила общественность во весь голос заговорить об угрозе самого существования человечества. Но ведь энергию деления ядра и радиоактивность можно использовать и для созидания. Например, радиоизотопы используются в различных производствах, при научных исследованиях и в медицине.

Промышленное использование включает дефектоскопию и процессы контроля в металлургической (литейной), бумажной, химической промышленности и в дорожном строительстве.

В современной медицине получило развитие новое направление - ядерная медицина, использующее радиоактивные вещества и свойства атомного ядра для диагностики и терапии в различных областях научной и практической медицины. Ядерная медицина обогатилась новыми методами изучения жизненных процессов, диагностики и лечения болезней. На ее нужды расходуется более 50% годового производства радионуклидов во всем мире. Радионуклиды применяются в ядерной медицине в основном в виде радиофармацевтических препаратов (РФП).

Люди должны понимать, что радиоактивное излучение - это не есть что-то невероятно опасное и непостижимое, а наоборот, чем больше ведется изучения радиоактивных явлений, тем более осознанно с ними можно обращаться, используя их свойства на благо человека.

Проблема исследования. Обучающиеся старших классов имеют недостаточные знания о радиоизотопах, их применении в различных областях жизнедеятельности человека.

Предмет исследования. Радиоактивные изотопы и область их применения.

Цель исследования. Выяснить, что представляют собой радиоактивные изотопы, какими свойствами они обладают и как можно их использовать на благо человека.

В связи с поставленной целью предстояло решить следующие задачи:

Расширить знания о строении ядра атома, явлении радиоактивности, радиоактивных изотопах.

Узнать в специальной литературе и интернет-ресурсах современное состояние дел, успехов и проблем в производстве изотопов.

Найти информацию о деятельности АО «Институт реакторных материалов» ГО Заречный» по производству радиоизотопов и их применению в различных сферах жизни человека.

Организовать встречу с сотрудником ОА «ИРМ» для методической консультации по данной теме.

Подготовить и провести классный час «Радиоактивные изотопы на службе у человека» для обучающихся 8-11 классов МКОУ «Средняя общеобразовательная школа № 4».

Провести исследование среди учащихся 8-11 классов МКОУ «Средняя общеобразовательная школа № 4» с целью выявления данных о том, какими знаниями владеет подрастающее поколение по темам «Радиоактивность. Радиоактивные изотопы», «Радионуклидная продукция».

Показать необходимость использования радиоизотопов в различных отраслях деятельности человека.

Практическая значимость исследования. Данный исследовательский проект можно использовать на уроках химии и физики по теме «Радиоактивность. Изотопы. Радиоактивные изотопы».

Структура и объем работы. Исследовательский проект состоит из введения, 7 глав, заключения, списка используемых источников, приложений № 1,2,3,4,5. В тексте проекта содержится 3 рисунка.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

1. Понятие «изотопы».

Изото́пы (отдр.-греч.Ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов(и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа (см. рис.1.1.). Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Д.И. Менделеева.

Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12 C, 222 Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например,дейтерий,актинон).На март 2017 года известно 3437 изотопов всех элементов.

По количеству открытых изотопов первое место занимают США (1237), затем идут Германия (558), Великобритания (299), СССР/Россия (247) и Франция (217). За 10 лет (2006—2015 годы включительно) в среднем физики открывали в год 27 изотопов. Общее количество учёных, являвшихся авторами или соавторами открытия какого-либо изотопа, составляет 3598 человек.

2. Понятие «Радионуклиды».

Нуклиды, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад. Большинство известных нуклидов радиоактивны (стабильными являются лишь около 300 из более чем 3000 нуклидов, известных науке). Все нуклиды, имеющие зарядовое число, равное 43 или 61 или большее 82, радиоактивны; соответствующие элементы называются радиоактивными элементами. Существуют радионуклиды и с другими зарядовыми числами (от 1 до 42, от 44 до 60 и от 62 до 82). Радионуклиды отличаются между собой энергией излучения, периодом полураспада.

Радиоактивные изотопы, встречающиеся в природе, называются естественными, например, 40 K. В 1934 году французские ученые Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что радиоактивные изотопы могут быть созданы искусственным путем в результате ядерных реакций. Такие изотопы назвали искусственными.

Для получения искусственных радиоактивных изотопов обычно используют ядерные реакторы и ускорители элементарных частиц. Впоследствии был получены искусственные изотопы всех химических элементов. Всего в настоящее время известно примерно 3000 радиоактивных изотопов, причем 300 из них - естественные.

3. Торговля радиоактивными изотопами.

Не менее половины изотопов имеют медицинское назначение (остальное — промышленность и научные исследования).

Мировой экспорт и импорт искусственными радиоактивными изотопами (ИРИ) составлял последние 3 года чуть более 1 млрд долларов в год. Список экспортеров возглавляют Канада, США, Нидерланды, Бельгия и Германия. В списке импортеров лидируют США, Япония, Германия, Англия и Китай.

России сегодня принадлежит 6% мирового экспорта и 1% импорта. Динамика международной торговли ИРИ России показана на рисунке (приложение № 1). Хорошо виден рост экспорта за 15 лет — более чем втрое! Импорт же в последние годы стабилен.

Главное направление российского экспорта ИРИ — Запад, с большим отрывом лидирует Великобритания: около 50%. На втором месте — США, на третьем — Германия, четвертый Китай.

Россия закупает за рубежом главным образом радиофармацевтические препараты и источники излучения для медтехники; основные поставщики — Германия и США.

4. Применение радиоактивных изотопов.

В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяют в различных сферах научной и практической деятельности: технике, медицине, сельском хозяйстве, средствах связи, военной области и в некоторых других. При этом часто используют так называемый метод меченых атомов.

4.1. Применение радиоизотопов в медицине.

Изотопы, в первую очередь радиоактивные, широко применяются в современной медицинской практике.

В изотопной диагностике в мире и в России все большее значение имеет позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).

Рис. 4.1.1.Оборудование для позитронной эмиссионной томографии

Поэтому растет потребность не только в традиционных радиоизотопах, таких как 11 С, 13 N, 15 O, 18 F, но и генераторных изотопах 68 Ga и 82 Rb, а также перспективных для новейшей диагностической технологии, совмещающей позитронно-эмиссионную и компьютерную томографию, изотопах 38 K, 45 Ti, 62 Cu, 64 Cu, 75 Br, 76 Br, 94m Tc и 124 I.

Развитие получают и терапевтические методы на основе радиоактивных изотопов, например, лучевая терапия открытыми источниками радионуклидов, особенно эффективная при борьбе со злокачественными лимфомами, раком щитовидной железы и др.

131 I был и продолжает оставаться наиболее широко используемым терапевтическим изотопом (ежегодно в Европе — более 90000 ГБк (один беккерель определяется как активность источника, в котором за одну секунду происходит в среднем один радиоактивный распад), в России — около 2000 ГБк). Йодотерапия не имеет альтернативы при тяжелых формах рака щитовидной железы.

Радиоиммунотерапия на начальных этапах своего становления и развития также проводилась с использованием препаратов 131 I, но в последнее десятилетие резко возрос интерес к 90 Y.

Одним из направлений применения микроисточников (брахитерапия) с 103 Pd или 125 I в последние 10-15 лет стало лечение рака предстательной железы и некоторых других онкопатологий. В настоящее время перспективным изотопом для брахитерапии является 131 Cs.

В радиофармацевтике диагностического и терапевтического назначения наметился сдвиг в сторону короткоживущих радиоизотопов. Наряду с применением стандартных медицинских изотопов 198 Au, 131 I, 125 I, 203 Hg, 197 Hg и др. все чаще применяют их заменители с меньшим периодом полураспада. Все большее признание в исследовательской деятельности и клинической практике получает фармацевтика на основе короткоживущих 99m Tc, 123 I, 13 N, 15 O, 11 C, 18 F, 77 Br, 68 Ga, 81m Kr и др.

4.2. Применение радиоизотопов в промышленности.

Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности и промышленных исследованиях. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д.

Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

4.3. Применение радиоизотопов в сельском хозяйстве.

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором 32 P. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.

4.4. Применение радиоизотопов в археологии и геологии.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом. Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

5. Производство изотопов в АО «Институт реакторных материалов» ГО Заречный.

Аргон-37

В 2003-2004гг. АО «ИРМ» и Белоярская АЭС в коллаборации с Академией наук, ФЭИ и другими предприятиями создали источник нейтрино. Аргон-37 использовался как искусственный источник нейтрино для калибровки галлиевых детекторов Баксанской обсерватории (Кабардино-Балкария). Изучая солнечные нейтрино с помощью детекторов, откалиброванных с применением аргона-37, баксанские астрофизики сделали научное открытие мирового значения. Таким образом, сотрудники АО «ИРМ» и Белоярской АЭС внесли весомый вклад в науку о звёздных процессах мироздания, которые оказывают существенное влияние на развитие человеческой цивилизации.

40 Ca + 1 n = 37 Ar + 4 He

В ИРМ была разработана, изготовлена и смонтирована установка растворения облучённой окиси кальция и экстракции 37 Ar с его последующей очисткой. Была также разработана конструкция газового источника, технология его заполнения и измерение его активности.

Рис. 5.1. Галлий-германиевый нейтринный телескоп ИЯИ РАН.

Фрагмент Баксанской Нейтринной обсерватории находящейся в горном массиве на глубине более 2 км.

Углерод-14

В настоящее время АО «ИРМ» нарабатывает углерод-14 и производит препараты на его основе.

14 N + 1 n = 14 C + 1 p

Данная продукция используется как непосредственно в ядерной медицине, так и фармакологии при создании и тестировании новых фармацевтических субстанций, где роль этого изотопа трудно переоценить. Практически все фармацевтические субстанции - это более сложные органические соединения синтезированные, из некоторого набора исходных углеродных соединений - прекурсоров. «Пометив» углеродом-14 те или иные исходные части синтезированной сложной молекулы, можно проследить ее фармокинетику в организме. Такие органические соединения - прекурсоры меченые углеродом-14 производятся в АО «ИРМ» и поставляются в американские и европейские лаборатории.

Для ядерной медицины АО «ИРМ» производит меченую углеродом-14 мочевину, которую поставляет в ФГУП «НИФХИ им. Л.Я.Карпова», где на ее основе изготавливаются капсулы «Урекапс». Данный радиофармпрепарат используется для проведения дыхательных тестов на Helicobacter Pillory. Для получения 14 C разработана и внедрена наиболее эффективная технология, использующая в качестве материала мишени нитрид алюминия. На регулярной основе выпускается ряд органических соединений, меченных 14 C, которые являются прекурсорами при проведении синтезов сложных радиохимических соединений. Эффективность выделения 14 C из AlN превышает 97%.

Цезий-131

Кроме того для нужд ядерной медицины в АО «ИРМ» организовано производство из природного бария радиоизотопа 131 Cs с радиохимической чистотой не менее 99,99%.Чистота продукта существенно превосходит зарубежные аналоги.

131 Cs образуется при распаде 131 Ba, получаемого нейтронным облучением соединений бария:

130 Ba + 1 n = 131 Ba + γ

131 Ba → ЭЗ 11.5 дн. 131 Cs

Оптимальное сочетание периода полураспада и энергии излучения делают 131 Cs перспективным радиоизотопом для брахитерапии злокачественных заболеваний предстательной железы, легкого, молочной железы и т.д. Введение его в клиническую практику рассматривается как одно из наиболее значимых достижений в брахитерапии.

Иридий-192

На предприятии организована наработка 192 Ir из природного и изотопно-обогащённого иридия.

191 Ir+ 1 n = 192 Ir + γ

В качестве материала мишени используется металлический иридий в виде дисков различного типоразмера. Применяемая схема облучения и конструкция облучательного устройства позволяет нарабатывать на среднепоточном ядерном реакторе 192 Ir с удельной активностью достаточной для использования в дефектоскопах при неразрушающих методах контроля в науке и технике, а также в ядерной медицине для высокодозовой брахитерапии.

Лютеций-177

Наработка 177 Lu проходит по реакции:

176 Lu+ 1 n = 177 Lu + γ

Привлекательность радионуклида 177 Lu для современной ядерной медицины определяется относительно низкой энергией бета-излучения и, соответственно, невысокой проникающей способностью в мягких тканях что позволяет использовать 177 Lu в терапии опухолей небольшого размера, а также при лечении паталогических изменений костных тканей.

Период полураспада Lu (6,65 сут.) позволяет осуществлять доставку данного радионуклида на достаточно большие расстояния от места его производства.

Более 99% радиоизотопной продукции АО «ИРМ» экспортирует в США и страны Западной Европы (Англия, Германия, Голландия). 40% радиоизотопной продукции выпускается для нужд промышленности, 60% - ядерной медицины и фармацевтической промышленности. АО«ИРМ» не входит в число крупнейших экспортеров радиоизотопной продукции на международном рынке. Но по оценкам экспертов, по эффективности организации радиоизотопного производства АО «ИРМ» занимает лидирующие позиции в ГК «Росатом».

6. Проведение классного часа «Радиоактивные изотопы на службе у человека»

Работая над данным проектом, овладев теоретическим материалом по теме «Изотопы. Практическое применение радиоизотопов в жизни человека», автору проекта стало интересно: Изучают ли данную тему в школе? Что знают обучающиеся о радионуклидной продукции и ее использовании в различных сферах жизни человека? В связи с тем, что на изучение данной темы в школе отводится 1 урок, автор проекта подготовила классный час, посвященный радиоактивным изотопам.

23 января 2018 года были проведены тематические классные часы «Радиоактивные изотопы на службе у человека», где была представлена информация о радионуклидной продукции Института реакторных материалов ГО Заречный, а также перспективах развития данного направления деятельности АО «ИРМ». На классных часах присутствовали 128 учеников 8-11 классов МКОУ ГО Заречный «Средняя общеобразовательная школа № 4». По окончании мероприятия был проведен социологический опрос (приложение № 2,3).

7. Социологический опрос.

С целью выявления данных о том, какими знаниями владеет подрастающее поколение по темам «Радиоактивность. Радиоактивные изотопы», «Радионуклидная продукция», автором проекта было проведено социологическое исследование, в котором приняли участие 128 обучающихся 8-11 классов МКОУ «Средняя общеобразовательная школа № 4» (приложение № 4,5).

На вопрос «Много ли Вы знаете о радиоактивных изотопах (нуклидах)?» 97% обучающихся ответили отрицательно. Это говорит о том, что данная тема изучается недостаточно полно. Обучающиеся знают лишь основной теоретический материал.

67% обучающихся 8-11 классов заинтересовались материалом, предложенным на классном часе. Обучающиеся предложили изучить данную тему подробнее на одном из факультативных занятий по предмету «Химия».

45% респондентов высказались за увеличение количества уроков по теме «Радиация. Радиоактивность. Радиоактивные изотопы» на уроках предмета «Физика».

95% обучающихся считают, что радиация - главный источник большинства онкологических заболеваний. В связи с этим необходимо вести разъяснительную работу о значении радиации в жизни человека и ее последствиях, объяснять обучающимся, что не только радиация является причиной онкологических заболеваний, но и последствия неправильного образа жизни, вредных привычек, а также вредные условия труда.

97% обучающихся 8-11 классов не знали, что такое «радиофармпрепараты», каким образом они используются для диагностики и лечения онкозаболеваний.

93% обучающихся не имели представления о радионуклидной продукции, выпускаемой в Институте реакторных материалов ГО Заречный. Тем более обучающиеся не знали, для каких целей их производят, и кто является покупателем радиоизотопов ИРМ.

Таким образом, обобщая данные анкетирования, можно сказать, что классный час по теме «Радиоактивные изотопы на службе у человека» способствовал расширению знаний обучающихся о строении атома, истории создания искусственных изотопов, систематизации знаний о явлении радиоактивности, применении радионуклидов в различных сферах жизни человека. Благодаря проведенному классному часу обучающиеся более подробно узнали о направлениях деятельности АО «ИРМ» ГО Заречный. Некоторые ребята собираются в дальнейшем связать свою жизнь с атомной отраслью, и теперь они имеют более полное представление о деятельности одного из ведущих предприятий нашего города.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Радиоактивные изотопы служат человеку во многих сферах его жизнедеятельности. Это еще раз доказывает, что радиацию можно использовать во благо человечества, помогая людям.

За ядерной медициной стоит будущее. Знание законов физики и химии двигает науку вперед. Люди должны знать о радиоактивных изотопах, радионуклидной продукции, о той пользе, которую они приносят.

Катастрофа на Чернобыльской АЭС, а затем распад СССР привели к негативным последствиям, закрывались научно-исследовательские институты, уезжали за границу лучшие умы России. В настоящее время производство радиоактивных изотопов - одно из важнейших направлений развития отрасли атомной энергетики.

Проанализировав большое количество материалов научной литературы и Интернет-ресурсов, на основе проведенного исследования можно сделать выводы:

1.Доказано, что радиоактивные изотопы служат человеку в медицине, сельском хозяйстве, науке, промышленности, археологии и геологии.

2.Выявлено, что АО «Институт реакторных материалов» по эффективности организации радиоизотопного производства занимает лидирующие позиции в ГК «Росатом».

3. В рамках работы над исследовательским проектом автор участвовала в разработке и подготовке классного часа «Радиоактивные изотопы на службе у человека», где были представлены материалы данного проекта, подготовлена презентация.

4. Проведен социологический опрос обучающихся 8-11 классов.Обучающиеся интересовались производством радионуклидной продукции, выпускаемой АО «ИРМ», задавали много вопросов по теме.Думаю, что теперь они имеют представление о направлениях деятельности данного предприятия.

5. Выявлена необходимость проведения разяснительной работы среди обучающихся 8-11 классов о значении радиации в жизни человека и ее последствиях.

Поставленные передо мной задачи были решены, цель достигнута.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Давыдов А.С., Теория атомного ядра. - М., 1958.

Маргулова Т.Х. Атомная энергетика сегодня и завтра. - М.: Высшая школа, 2016.

Мурин А.Н., Введение в радиоактивность. - Л., 1955.

Современная медицинская энциклопедия/Русское издание под общей ред. Г.Б.Федосеева. - СПб.:Норинт, 2014.

Учение о радиоактивности. История и современность. М. Наука, 2003.

Фурман В.И. Ядерные излучения в науке и технике. М. Наука, 1984.

Холл Э.Дж. Радиация и жизнь/Пер.с англ. - М.: Медицина, 2012.

Энциклопедия для детей. Физика. Т.16/ Под ред. В.А. Володина. - М.: Аванта+, 2000.

CD ROM «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия», 2015.

Интернет-ресурсы:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Изотопы

https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоактивные_изотопы

https://infourok.ru/videouroki/413

http://irm-atom.ru

Приложение №1

Схема Импорта и экспорта искусственных радиоактивных изотопов изРоссии в 1998-2014 гг., $ млн.

Приложение№2

Классный час «Радиоактивные изотопы на службе у человека»

Анкета Приложение № 4

Дорогой друг! Мы предлагаем тебе заполнить данную анкету для выявления отношения к радионуклидной продукции (изотопам):

1. Много ли вы знаете о радиоактивных изотопах (нуклидах)?

2. Заинтересованы ли вы в увеличении знаний по теме «Радиоактивные изотопы. Применение нуклидов в жизни человека»?

3. Считаете ли Вы, что количество уроков в школьной программе по теме «Изотопы. Радиоактивные изотопы» должно быть увеличено?

4. Считаете ли вы, что большинство онкологических заболеваний и генетических изменений связаны с радиацией?

5. Знаете ли Вы о том, что на основе радиоактивных изотопов производятся радиофармпрепараты, которые сегодня активно используют при лечении онкологических заболеваний?

знал ранее

теперь знаю

6. Знаете ли Вы, что на территории ГО Заречный в институте реакторных материалов производят радионуклидную продукцию и успешно реализуют ее на мировом рынке?

Приложение № 5

Социологическое исследование учащихся МКОУ «Средняя

общеобразовательная школа № 4»

Изотопы, особенно радиоактивные, имеют многочисленные применения. В табл. 1.13 указаны отдельные примеры некоторых промышленных применений изотопов. Каждая методика, упоминаемая в этой таблице, используется также и в других отраслях промышленности. Например, методика определения утечки вещества с помощью радиоизотопов используется: в производстве напитков-для определения утечки из накопительных баков и трубопроводов; в строительстве инженерных сооружений -для

Таблица 1.13. Некоторые применения радиоизотопов

Стерилизованный слабым источником радиоактивного излучения самец мухи цеце маркируется для последующего обнаружения (Буркина-Фасо). Эта процедура является частью эксперимента, проводимого для изучения мухи цеце и установления эффективных мер контроля, препятствующих широкому распространению трипаносомоза (сонной болезни). Муха цеце является переносчиком этого заболевания и заражает им людей, домашних животных и дикий скот. Сонная болезнь чрезвычайно распространена в некоторых частях Африки.

определения утечки из подземных водоводов; в энергетической промышленности-для определения утечки из теплообменников на электростанциях; в нефтяной промышленности-для определения утечки из подземных нефтепроводов; в службе контроля сточных и канализационных вод-для определения утечки из магистральных коллекторов.

Изотопы также широко используются в научных исследованиях . В частности, они используются для определения механизмов химических реакций. В качестве примера укажем использование воды, меченной устойчивым изотопом кислорода 18O, для изучения гидролиза сложных эфиров, подобных этилацетату (см. также разд. 19.3). С использованием масс-спектрометрии для обнаружения изотопа 18O было установлено, что при гидролизе атом кислорода из молекулы воды переходит в уксусную кислоту, а не в этанол

Радиоизотопы широко используются в роли меченых атомов в биологических исследованиях. Для того чтобы прослеживать метаболические пути * в живых системах, используют радиоизотопы углерод-14, тритий, фосфор-32 и сера-35. Например, усвоение фосфора растениями из обработанной удобрениями почвы можно проследить, пользуясь удобрениями, которые содержат примесь фосфора-32.

Радиационная терапия . Ионизирующее излучение способно разрушать живые ткани. Ткани злокачественных опухолей более чувствительны к облучению, чем здоровые ткани. Это позволяет лечить раковые заболевания при помощи у-лучей, испускаемых из источника, в качестве которого используется радиоактивный изотоп кобальт-60. Излучение направляют на пораженный опухолью участок тела больного; сеанс лечения длится несколько минут и повторяется ежедневно в течение 2-6 недель. Во время сеанса все остальные части тела больного должны быть тщательно закрыты непроницаемым для излучения материалом, чтобы предотвратить разрушение здоровых тканей.

Определение возраста образцов при помощи радиоуглерода. Небольшая часть того диоксида углерода, который находится в атмосфере, содержит радиоактивный изотоп "бС. Растения поглощают этот изотоп в процессе фотосинтеза. Поэтому ткани всех

* Метаболизм-это совокупность всех химических реакций, протекающих в клетках живых организмов. В результате метаболических реакций происходит превращение питательных веществ в полезную энергию или в составные части клеток . Метаболические реакции обычно протекают в несколько простых этапов -стадий. Последовательность всех стадий метаболической реакции называется метаболическим путем (механизмом).

Радиоизотопы используются для наблюдения за механизмами осаждения наносов в устьях рек, портах и доках.

Использование радиоизотопов для получения фотографического изображения камеры сгорания реактивного двигателя в Центре неповреждающих испытаний лондонского аэропорта Хитроу. (На плакатах надписи: Радиация. Не подходить.) Радиоизотопы широко используются в промышленности для проведения неповреждающих испытаний.

Живые ткани обладают постоянным уровнем радиоактивности, потому что его убывание из-за радиоактивного распада компенсируется постоянным поступлением радиоуглерода из атмосферы. Однако, как только наступает смерть растения или животного, прекращается поступление радиоуглерода в его ткани. Это приводит к постепенному снижению уровня радиоактивности мертвых тканей.

Метод радиоуглеродной датировки позволил установить, что образцы древесного угля из Стоунхенджа имеют возраст около 4000 лет.

Радиоуглеродный метод геохронологии разработал в 1946 г. У.Ф. Либби, получивший за него Нобелевскую премию по химии в 1960 г. Этот метод широко используется в настоящее время археологами, антропологами и геологами для датировки образцов, имеющих возраст вплоть до 35000 лет. Точность этого метода-приблизительно 300 лет. Наилучшие результаты получаются при определении возраста шерсти, семян, ракушек и костей. Для определения возраста образца измеряют активность р-излучения (число распадов в минуту) в расчете на 1 г содержащегося в нем углерода. Это позволяет установить возраст образца при помощи кривой радиоактивного распада для изотопа 14С.

Какой возраст имеют Земля и Луна?

Многие горные породы на Земле и Луне содержат радиоизотопы с периодами полураспада порядка 10-9 -10-10 лет. Измеряя и сравнивая относительное содержание этих радиоизотопов с относительным содержанием продуктов их распада в образцах таких горных пороl, можно установить их возраст. Три наиболее важных метода геохронологии основаны на определении относительного содержания изотопов К (период полураспада 1,4-109 лет). "Rb (период полураспада 6 1O10 лет) и 2I29U (период полураспада 4,50-109 лет).

Метод датировки по калию и аргону . Такие минералы, как слюда и некоторые разновидности полевого шпата, содержат небольшое количество радиоизотопа калий-40. Он распадается, претерпевая электронный захват и превращаясь в аргон-40:

Возраст образца определяется на основе вычислений, в которых используются данные об относительном содержании в образце калия-40 по сравнению с арго-ном-40.

Метол датировки по рубидию и стронцию . Некоторые из наиболее древних горных пород на Земле, например граниты с западного побережья Гренландии, содержат рубидий. Приблизительно третья часть всех атомов рубидия приходится на долю радиоактивного рубидия-87. Этот радиоизотоп распадается, превращаясь в устойчивый изотоп стронций-87. Вычисления, основанные на использовании данных об относительном содержании в образцах изотопов рубидия и стронция, позволяют устанавливать возраст таких горных пород.

Метод датировки по урану и свинцу . Изотопы урана распадаются, превращаясь в изотопы свинца. Возраст таких минералов, как апатиты, которые содержат примеси урана, можно определять, сравнивая содержание в их образцах определенных изотопов урана и свинца.

Все три описанных метода использовались для датировки земных горных пород. Полученные в результате данные указывают, что возраст Земли равен 4,6-109 лет. Указанные методы использовались также для определения возраста лунных горных пород, доставленных на Землю из космических экспедиций. Возраст этих пород составляет от 3,2 до 4,2 *10 9 лет.

ядерное деление и ядерный синтез

Мы уже упоминали, что экспериментальные значения изотопных масс оказываются меньше значений, вычисленных как сумма масс всех входящих в ядро элементарных частиц. Разность между вычисленным и экспериментальным значением атомной массы называется дефект массы. Дефект массы соответствует энергии, необходимой для преодоления сил отталкивания между частицами с одинаковым зарядом в атомном ядре и связывания их в единое ядро; по этой причине она называется энергия связи. Энергию связи можно вычислить через дефект массы при помощи уравнения Эйнштейна

где E-энергия, m-масса и с-скорость света.

Энергию связи принято выражать в мегаэлектронвольтах (1 МэВ = 106 эВ) на одну субъядерную частицу (нуклон). Электронвольт-это энергия, которую приобретает или теряет частица с единичным элементарным зарядом (равным по абсолютной величине заряду электрона), перемещаемая между точками с разностью электрического потенциала в 1 В (1 МэВ = 9,6* 10 10 Дж/моль).

Например, энергия связи, приходящаяся на один нуклон, в ядре гелия приблизительно равна 7 МэВ, а в ядре хлора-35 она составляет 8,5 МэВ.

Чем больше энергия связи на один нуклон, тем больше устойчивость ядра. На рис. 1.33 показана зависимость энергии связи от массового числа элементов. Следует обратить внимание на то, что наибольшей устойчивостью обладают элементы с массовым числом, близким к 60. К таким элементам относятся 56Fe, 59Co, 59Ni и 64Cu. Элементы с более низкими массовыми числами могут, по крайней мере с теоретической точки зрения, повышать свою устойчивость в результате увеличения их массового числа. На практике, однако, представляется возможным увеличивать массовые числа только наиболее легких элементов, таких, как водород. (Гелий обладает аномально высокой устойчивостью; энергия связи нуклонов в ядре гелия не укладывается на кривую, изображенную на рис. 1.33.) Массовое число таких элементов увеличивается в процессе, называемом ядерным синтезом (см. ниже).

Сегодня радионуклидные методы исследования и лечения широко применяются в различных областях научной и практической медицины - в онкологии, кардиологии, гепатологии, урологии и нефрологии, пульмонологии, эндокринологии, травматологии, неврологии и нейрохирургии, педиатрии, аллергологии, гематологии, клинической иммунологии и др.

Классификация радионуклидов, используемых в ядерной медицине

Радионуклиды для ядерной медицины и соответствующие РФП на их основе с точки зрения области их применения классифицируют по отдельным группам как диагностические и терапевтические .

В РФП диагностического назначения радионуклид является информационным носителем, излучение которого, проникающее за пределы организма, регистрируется внешними детекторами. При этом в зависимости от типа излучения радионуклиды диагностического назначения могут быть отнесены к двум группам:

1. Радионкулиды для ОФЭКТ (SPECT в английской аббревиатуре) - однофотонная эмиссионная компьютерная томография; к оптимальным радионуклидам для ОФЭКТ относятся γ-излучатели с энергией γ-квантов в пределах 100-200 кэВ и периодами полураспада от нескольких минут до нескольких дней.
2. Радионуклиды для ПЭТ (PET) - позитронно-эмиссионнная томография - β+ - излучатели с периодами полураспада от нескольких секунд до нескольких часов.

В РФП терапевтического назначения радионуклид является основным лечебным началом, позволяющим локализовать лечебную дозу излучения непосредственно в органе-мишени или, иногда, в пораженных клетках, и, соответственно, обеспечить минимальное облучение окружающих здоровых клеток органов и тканей. В зависимости от характера и локализации патологического процесса для радиотерапии используют:

• β (-) излучатели с энергиями β (-) частиц в области 200-2000 кэВ
• α-излучатели с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ ~100 кэВ/мкм) и коротким пробегом частиц (50-100 мкм);
• радионуклиды, распадающиеся электронным захватом (ЭЗ) или внутренней электронной конверсией (ВЭК).

Подавляющее большинство диагностических процедур (~80%) при помощи техники ОФЭКТ выполняется в течение последних 30 лет с препаратами 99m Tc, который называют «рабочей лошадью ядерной медицины». Широко используются I-123, Tl-201, In-111, в отдельных случаях при необходимости применяются диагностические методики с Cr-51, Ga-67, Kr-81m, I-131 и др. Среди позитрон-излучающих радионуклидов в основном используются C-11, N-13, O-15 и F-18 (применяется наиболее широко).

Интенсивно развивается также лучевая терапия открытыми источниками радионуклидами, которая является эффективным средством как самостоятельного, так и комбинированного лечения больных. Эти методы особенно эффективны в лучевой терапии злокачественных лимфом, рака щитовидной железы, гормонозависимых опухолей, при метастатическом поражении скелета и лимфатической системы, ревматоидных артритах и др.

Действие радиоактивного излучения на человека

Радиоактивное излучение всех видов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают очень сильное биологическое воздействие на живые организмы, которое заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул, входящих в состав живых клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма . Поэтому при работе с любым источником радиации необходимо принимать все меры по радиационной защите людей, которые могут попасть в зону действия излучения.

Однако человек может подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Серьезную опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон.он является продуктом распада радия и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в различных строительных конструкциях. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, концентрация радона непрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает -частицы и превращается в полоний который не является химически инертным веществом. Далее следует цепь радиоактивных превращений серии урана. По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55% ионизирующей радиации за счет радона и только 11% за счет медицинских обслуживаний. Вклад космических лучей составляет примерно 8%. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньшепредельно допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

Применение радиоактивных изотопов

Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина красных кровяных шариков. При введении в пищу радиоактивных атомов железа было установлено, что свободный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа. Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для постановки диагноза, так и для терапевтических целей. Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения, йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей, и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни. Интенсивное гамма-излучение кобальта используется при лечении раковых заболеваний (кобальтовая пушка).

Не менее обширны применения радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить следующий способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца. Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах и т. д.

Мощное гамма-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами гамма-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности. Большие дозы "радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радиоселекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высоко продуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Гамма-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов. Широкое применение получили «меченые атомы» в агротехнике. Например, чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором 15 32P. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения. Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом.Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате -распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Применение радиоактивности .

1. Биологические действия. Радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм этого действия связан с ионизацией атомов и разложением молекул внутри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц. Особенно чувствительны к воздействию излучений клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста и размножения. Это обстоятельство используется для лечения раковых опухолей.

Для целей терапии употребляют радиоактивные препараты, испускающие g-излучение, так как последние без заметного ослабления проникают внутрь организма. При не слишком больших дозах облучения раковые клетки гибнут, тогда, как организму больного не причиняется существенного ущерба. Следует отметить, что радиотерапия рака, так же как и рентгенотерапия, отнюдь не является универсальным средством, всегда приводящим к излечению.

Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызывают тяжелые заболевания животных и человека (так называемая лучевая болезнь) в могут привести к смерти. В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом a-излучение, оказывают, напротив, стимулирующее действие на организм. С этим связан целебный эффект радиоактивных минеральных вод, содержащих небольшие количества радия или радона.

2. Светящиеся составы, Люминесцирующие вещества светятся под действием радиоактивных излучений (ср. § 213). Прибавляя к люминесцирующему веществу (например, сернистому цинку) очень небольшое количество соли радия, приготовляют постоянно светящиеся краски. Эти краски, будучи нанесены на циферблаты и стрелки часов, прицельные приспособления и т. п., делают их видимыми в темноте.

3. Определение возраста Земли. Атомная масса обыкновенного свинца, добываемого из руд, не содержащих радиоактивных элементов, составляет 207,2, атомная масса свинца, образующегося в результате распада урана, равна 206. Атомная масса свинца, содержащегося в некоторых урановых минералах, оказывается очень близкой к 206. Отсюда следует, что эти минералы в момент образования (кристаллизации из расплава или раствора) не содержали свинца; весь наличный в таких минералах свинец накопился в результате распада урана. Используя закон радиоактивного распада, можно по отношению количеств свинца и урана в минерале определить его возраста.

Определенный таким методом возраст минералов различного происхождения, содержащих уран, измеряется сотнями миллионов лет. Возраст древнейших минералов превышает 1,5 миллиарда лет.

Природные радиоактивные веще-ства имеют высокие нуклонные числа. Можно создать искусственные радио-активные вещества путем бомбарди-ровки более легких нуклидов а-частицами, протонами или нейтронами. Образованные таким образом веще-ства называются радиоизотопами.

Примечание.

Нуклид — это любое конкретное ядро, имеющее определен-ные протонное и соответственно нуклонное числа. Различные нуклиды, ко-торые имеют одинаковое протонное число (но различные нуклонные чис-ла), называются изотопами (изотоп-ные нуклиды).

Первым радиоизотопом был неста-бильный изотоп фосфора. Он был по-лучен в 1934 г. путем бомбардировки алюминия а-частицами:

2 4 He + 13 27 Al= 15 30 P+ 0 1 n

В результате реакции образуется фос-фор-30 и нейтрон. Заметьте, что в каждой части уравнения сумма ну- клонных чисел составляет 31, а сумма протонных чисел — 15. Фосфор-30 распадается, испуская позитрон , и имеет период полураспада примерно 3 мин.

О позитроне ранее не упоминалось, поскольку он не присутствует в есте-ственной радиоактивности. Он имеет массу, равную массе электрона, и по-ложительный заряд, который равен и противоположен заряду электрона. Он обозначается как Че.

Когда магний подвергается бом-бардировке нейтронами, то образует-ся радиоизотоп натрия. Происходит следующая реакция:

12 24 Mg+ 0 1 n= 11 24 Na+ 1 1 H

Натрий распадается с испусканием b-частицы:

11 24 Na- -1 0 e= 12 24 Mg

Детально ознакомиться с техникой производства радиоизотопов вы може-те в других изданиях. Важно лишь отметить, что в настоящее время мож-но синтезировать любой радиоизотоп. Большая часть из них имеет короткие периоды полураспада. Это очень важ-но, поскольку их активность и, следова тельно, опасность их радиоактивного излучения не являются длительными.

Применение радиоизотопов

Все изотопы определенного веще-ства имеют одинаковые химические свойства и ведут себя идентично. Пре-имуществом радиоизотопов является то, что их местонахождение можно легко обнаружить по испускаемой ими радиации.

Радиоизотопы могут быть также использованы для определения степе-ни износа подшипников. Если радио-изотоп внедрить в подшипник, то его тонкие стираемые с поверхности и уно-симые с маслом частички будут ра-диоактивными. Если пробу этого мас-ла проверить на радиоактивность, то по результатам можно проверить сте-пень происходящего износа.

Утечки в трубах могут быть об-наружены добавлением небольшого количества радиоизотопа в текущую по ним жидкость. Для нахождения места, где происходит утечка радио-изотопа, используется детектор излу-чения.

Кобальт-60 является нестабильным радионуклидом с периодом полураспа-да 5,23 года. Он образуется бомбар-дировкой нейтронами кобальта-59:

27 59 Co+ 0 1 n= 27 60 Co

Кобальт-60 испускает высокоэнерге- тичное у-излучение. Оно используется в раковой терапии вместо сложно по-лучаемого А’-излучения высокой энер-гии. Оно также может применяться

для обнаружения трещин в сварных швах. Источник уизлучения должен быть особенно хорошо экранирован, но громадным преимуществом его пе-ред источником рентгеновских лучей является то, что он более портативен и не требует источника питания.

Радиоактивный фосфор Р-32 и ра-диоактивный иод-131 являются пред-ставителями тех многочисленных ис-кусственных радионуклидов, которые используются для отыскания повреж-дений. Смеси, содержащие небольшие количества радиоактивного изотопа вместе со стабильным изотопом, при-меняются для прослеживания прохож-дения веществ в стволе растения, те-лах животных и человека. Местона-хождение радиоактивного изотопа в теле может быть определено без вскры-тия или проникновения в него по ис-пускаемой радиации. Это позволяет диагностировать состояние некоторых внутренних органов без хирургическо-го вмешательства

Радиоизотопы широко применяют-ся в промышленности, например, для гого, чтобы проверить, постоянна ли толщина производимого материала. По мере того как материал проходит между радиоактивным источником и счетчиком, любое изменение его тол-щины вызывает изменение в скорости счета (если толщина уменьшается, то скорость счета увеличивается), и этр может быть зафиксировано (рис. 1).




Естественные радиоактивные изотопы

Существует небольшое число ра-диоизотопов с низким протонным чис-лом, которые находятся в естествен-ном виде. Они образуются в резуль-тате бомбардировки излучением из космоса (космическими лучами). Наи-более известным из них является ра-диоактивный углерод-14, который об-разуется из азота при бомбардировке его нейтронами:

7 14 N+ 0 1 n= 6 14 C+ 1 1 H

Углерод-14 распадается с испусканием b-частицы и снова становится азотом:

6 14 C- -1 0 e= 7 14 N

Углерод-14 имеет большой период по-лураспада — примерно 5600 лет. Сле-дует отметить, что существует равно-весие уровня образования углерода-14 в атмосфере и уровня его распада и что количество его в атмосфере по-стоянно. Часть его вбирается расте-ниями и животными. Когда растение или животное погибает, то оно более не потребляет углерод, а имевшийся в нем углерод-14 распадается. Таким образом, время, когда существо умер-ло, может быть определено по актив-ности углерода-14 в нем. Датирование при помощи углерода стало, таким образом, важным методом работы ар-хеологов и антропологов.