Стабильные изотопы. Стабильные и радиоактивные изотопы

Малюгина 10. Стабильные и нестабильные изотопы. Радиоактивность.

Все изотопы подразделяются на стабильные и нестабильные (радиоактивные) .

Стабильные изотопы не подвергаются радиоактивному распаду, поэтому они и сохраняются в природных условиях.

Алюминий" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">алюминия , в природе встречается только один стабильный изотоп, а остальные изотопы неустойчивы. У некоторых элементов, наряду со стабильными, имеются и долгоживущие радиоактивные изотопы. Это 4019K, 8737Rb, 11549In и др.

Радиоактивные изотопы подразделяются, в свою очередь, на естественные и искусственные - и те и другие самопроизвольно распадаются, испуская при этом α - или β-частипы до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп. Искусственные радиоактивные изотопы получают с помощью ядерных реакций. Все они неустойчивы и в результате радиоактивного распада превращаются в изотопы других элементов.

системе химических элементов в квадратных скобках. По химическим свойствам радиоактивные изотопы почти не отличаются от стабильных. Поэтому, они служат в качестве “меченых” атомов, позволяющих по измерению их радиоактивности следить за поведением всех атомов данного элемента и за их передвижением. Радиоактивные изотопы широко применяются в научных исследованиях, в промышленности, сельском хозяйстве , медицине, биологии и химии. В настоящее время их получают в больших количествах.

Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц, называется радиоактивностью. Радиоактивность также сопровождается образованием нового химического элемента.

Процессы, приводящие к образованию нового химического элемента, называются ядерными .

Вопросы для самоконтроля

1. На какие группы по устойчивости классифицируют изотопы?

2. Что такое радиоактивность?

3. На какие группы по происхождению делят радиоактивные изотопы?

4. Сколько науке известно радиоактивных изотопов?

5. Что такое «меченые» атомы?

6. Какие особенности имеют химические элементы, чьи атомные массы в периодической системе указаны в квадратных скобках?

7. Назовите нестабильные лантаноиды.

8. Назовите нестабильный элемент I группы главной подгруппы.

9. Какие процессы называют ядерными?

Посмотреть ответ

1. На стабильные и радиоактивные.

2. Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, при котором происходит испускание элементарных частиц.

3. На естественные и искусственные

4. Около 1500

5. Это изотопы одного элемента, которые заметно отличаются от других, каким-то свойством, которое позволяет их отследить среди других менее заметных изотопов. Таким свойством может служить их радиоактивность.

6. Это химические элементы, у которых все изотопы нестабильные (радиоактивные).

7. Прометий (61Pm)

8. Франций (87Fr)

9. Процессы, приводящие к образованию нового химического элемента.

К ак известно, изотопами называются разновидности атомов химического элемента, в ядрах которых содержатся одинаковые количества протонов (Z ) и различные – нейтронов (N ). Сумма А = Z + N – массовое число – служит важнейшей характеристикой изотопа. Явление изотопии открыл в декабре 1913 г. английский радиохимик Ф.Содди у радиоактивных элементов конца периодической системы. Затем оно было обнаружено у стабильных элементов. Подробнее об истории изотопии см. работы .

Естественные радиоактивные изотопы группируются в три «семейства», родоначальниками которых являются долгоживущие торий-232, уран-238 и уран-235 (их периоды полураспада измеряются миллиардами лет). Завершаются «семейства» стабильными изотопами свинца (Z = 82) с А = 208, 206 и 207 соответственно. В промежутках располагаются короткоживущие изотопы элементов с Z = 81–92, связанные «цепочками» a - и b -распадов . Общее количество членов «семейств» (исключая стабильные разновидности атомов свинца) равно 41.

Посредством различных ядерных реакций было синтезировано более 1600 искусственных изотопов в интервале Z от 1 до 112 (причем для некоторых элементов более 20).

Предметом нашего внимания станут стабильные изотопы. Основная заслуга в их открытии принадлежит английскому физику Ф.Астону. В 1919 г. он установил, что инертный газ неон (атомный вес – 20,2) является смесью двух изотопов с атомными весами 20 и 22. Ученый проводил исследования на протяжении полутора десятилетий и обнаружил 210 стабильных изотопов большинства элементов. Немалый вклад принадлежит американскому ученому А.Демпстеру – 37 изотопов. В работах принимали участие и другие исследователи, но большинство ограничивалось констатацией одного-двух новых видов атомов. Важным событием стало открытие в 1929 г. изотопов кислорода с А , равным 17 и 18, У.Джиоком и Г.Джонстоном (США); Астон же ранее полагал, что существует только 16 О. Наличие у кислорода трех изотопов повлияло на выбор шкалы атомных весов . В 1932 г. Г.Юри, Ф.Брикведде и Г.Мэрфи (США) обнаружили тяжелый изотоп водорода – дейтерий с А = 2. Последним по времени обнаружения (1949) оказался ванадий-50.

Сведения о стабильных изотопах приведены в таблице (см. с. 2). Некоторые из них помечены «звездочкой» (калий-40, ванадий-50, рубидий-87, индий-115, сурьма-123, лантан-138, церий-142, неодим-144, самарий-147, лютеций-176, рений-187, платина-190 и свинец-204): у них обнаружены (или возможны теоретически) b -радиоактивность или a -радиоактивность (Се, Nd, Sm, Pt) c очень большими периодами (> 10 15 лет). Однако фактически их можно рассматривать как стабильные. В таблицу включены также радиоактивные изотопы тория и урана, содержащиеся на Земле в достаточно больших количествах.

Подобная таблица приводится лишь в немногочисленных специальных монографиях. Анализом закономерностей, связанных со стабильными изотопами, занимается специальная дисциплина, которую иногда называют изотопной статистикой .

Таблица содержит 282 стабильных изотопа, количество которых для различных элементов варьируется в широких пределах. Один-единственный вид свойственен 21 элементу с нечетным Z (исключение – бериллий с Z = 4). По два изотопа имеют 20 элементов также с нечетными Z (кроме гелия с Z = 2 и углерода с Z = 6). Шесть элементов – кислород, неон, магний, кремний, аргон и калий – представлены тремя изотопами, у всех остальных элементов с четными Z насчитывается от 4 до 10 изотопов. Своеобразными «рекордсменами» оказываются кадмий и теллур (по 8 изотопов), ксенон (9) и олово (10). В таблице отсутствуют элементы с Z = 43 (технеций) и Z = 61 (прометий). Они не имеют стабильных изотопов и получены искусственно с помощью ядерных реакций. Нет в таблице и изотопов с А , равными 5 и 8.

Большинство изотопов (173) имеют четные А , причем почти все из них содержат в ядрах атомов четные количества Z и N . Изотопов с нечетными А заметно меньше (109). У элементов с четными Z не бывает больше двух изотопов c нечетными А (исключение – Аr с Z = 18 и Се с Z = 58, все их изотопы имеют четные А ).

Совокупность изотопов элемента с определенным значением Z (если их больше одного) называют «плеядой». Распространенность отдельных изотопов в «плеяде» различна. Для «легких» представителей периодической системы (Z < 32) при четных Z преобладают изотопы с меньшими значениями А . У последующих элементов, напротив, природа отдает предпочтение изотопам с большими значениями А . Из двух изотопов с нечетными Z более распространенным является тот, у которого А меньше.

В целом же картина такова. У элементов от водорода до никеля (Z = 28) наблюдается резко повышенная распространенность какого-то одного изотопа. При больших значениях Z , хотя содержание изотопов в «плеяде» различается (иногда довольно существенно), фактор абсолютного «лидерства» уже не проявляется.

Наиболее распространенными в природе элементами являются (% мас. земной коры): кислород (47), кремний (29,5), алюминий (8,05), железо (4,65), кальций (2,96), натрий (2,5), калий (2,5) и магний (1,87). Их суммарное содержание более 99%. Следовательно, на долю остальных приходится менее 1%.

Из этой «восьмерки» алюминий и натрий представлены единственным видом атомов (27 А1 и 23 Na); у других – один из изотопов имеет резко преобладающее содержание (16 О, 28 Si, 56 Fe, 40 Ca, 39 K, 24 Mg). Таким образом, перечисленные изотопы являются тем материалом, из которого фактически построена вся «земная твердь». Главные «компоненты» атмосферы – 14 N и 16 O. Наконец, водное пространство – сочетания того же изотопа кислорода с легким изотопом водорода (1 Н). Водород, кислород вместе с углеродом и азотом входят во все растительные и животные организмы, в связи с чем их выделяют в особую группу элементов – органогенов .

Таким образом получается, что всего десять стабильных изотопов в решающей степени обусловливают бесконечное разнообразие неорганической и органической природы.

П очему почти половина элементов, существующих на Земле, представлены лишь одним или двумя видами атомов? Почему содержания отдельных изотопов в «плеядах», как правило, заметно различаются? Почему, наконец, природа отдает предпочтение разновидностям атомов с четными значениями Z ? Перечень подобных вопросов легко продолжить. Ответы на них с той или иной степенью полноты дает теоретическая ядерная физика. Разумеется, в рамках данной статьи невозможно даже в общих чертах изложить их суть. В связи с этим ограничимся рассмотрением лишь одной, но весьма важной закономерности, во многом определяющей «статистику» стабильных изотопов.

В ядерной физике существует понятие «изобары» – разновидности атомов с одинаковыми А , но различными Z и N . В 1934 г. немецкий ученый Й.Маттаух сформулировал правило: если два изобара отличаются по величинам Z на 1, то один из них должен быть нестабильным . Например, в паре изобаров 40 Ar– 40 К последний радиоактивен. Это правило дает возможность внести определенную ясность в некоторые особенности «изотопной статистики».

Почему у элементов с Z = 43 и 61 нет стабильных изотопов? В принципе они могли бы иметь один или два устойчивых вида атомов. Однако соседние с технецием и прометием элементы (молибден и рутений, неодим и самарий соответственно) представлены в природе большим числом изотопов в широком диапазоне А . Согласно правилу изобаров, вероятные значения А для Z = 43 и 61 оказываются «запрещенными». Когда изотопы технеция и прометия были синтезированы, то выяснилось, что большинство из них характеризуются невысокой продолжительностью жизни.

Те изотопы, которые в таблице помечены «звездочкой», составляют изобарные пары с изотопами соседних элементов (например, 87 Pb с 87 Sr, 115 In c 115 Sn и т. д.), но они радиоактивны в очень малой степени.

На заре эволюционного развития Земли распространенность изотопов различных элементов отличалась от современных. Еще присутствовали многие радиоактивные изотопы с относительно большими периодами полураспада. Постепенно они превращались в стабильные изотопы других элементов, благодаря чему изменялось их содержание в «плеядах». Сохранились лишь «первичные» торий-232, уран-238 и уран-235, но и их земные ресурсы за миллиарды лет уменьшились. Если бы они не были столь долгоживущими, то ныне отсутствовали бы и «вторичные» элементы, изотопы которых составляют радиоактивные «семейства». В таком случае естественной верхней границей периодической системы оказался бы висмут с Z = 83.

Таким образом, правило изобаров играло своеобразную «сортирующую» роль. Оно «отсеивало» разновидности атомов с небольшой продолжительностью жизни, изменяло первоначальный изотопный состав элементов и в конечном счете способствовало окончательному формированию той картины «мира стабильных изотопов», которая представлена в таблице.

Со времени создания Дж.Дальтоном химической атомистики атомный вес (масса) долго был единственной фундаментальной количественной характеристикой элемента. Определение его для многих элементов требовало тщательных экспериментальных исследований и зависело от выбора определенной «точки отсчета» – шкалы атомных весов (кислородной О = 16 или водородной Н = 1). В 1864 г. английский химик Дж.Ньюлендс впервые расположил известные в ту пору элементы в порядке увеличения их атомных весов. Эта естественная последовательность существенно способствовала открытию периодического закона и разработке структуры периодической системы.

Однако в трех случаях возрастание атомных весов нарушалось: кобальт был тяжелее никеля, теллур – йода, аргон – калия. Подобные «аномалии», как считали некоторые исследователи, подрывали основы периодического закона. Сам же Д.И.Менделеев не придавал серьезного значения этим «аномалиям», полагая, что рано или поздно они получат объяснение . Так и случилось в действительности. Однако если «аномалий» было бы не три, а больше, то сама констатация явления периодического изменения свойств элементов оказалась бы не столь очевидной. Но дело в том, что природа ограничила их число.

A r = 1/100(aA 1 + bA 2 + cA 3 ...),

где а , b , с – содержания (в %) в «плеяде» изотопов с массовыми числами A 1 , A 2 , A 3 ... соответственно. Как видно из таблицы, у аргона резко преобладает изотоп с А = 40, тогда как у калия – более легкий с А = 39. Такая же картина наблюдается и для других «аномальных пар» (А = 59 – у кобальта и А = 58 – у никеля; А = 130 – у теллура и А = 127 – у йода). По этой причине атомные массы предшествующих элементов в парах оказываются большими, чем последующих.

Массовые числа стабильных изотопов и их относительная распространенность

Примечание. Полужирным выделены элементы, у которых отсутствуют изотопы, а также наиболее распространенный изотоп в «плеяде».

В 1911–1914 гг. была разработана ядерно-электронная модель атома Э.Резерфорда – Н.Бора и доказано А.Ван ден Бруком и Г.Мозли, что порядковый номер элемента в периодической системе численно равен заряду ядра его атома. В результате стало очевидным: ряд химических элементов, выстроенных в порядке возрастания их атомных весов, почти идеально (за исключением «аномалий») совпал с последовательностью элементов, отвечающей монотонному увеличению Z .

Причина этого удивительного совпадения заключается в «фиксированности» изотопного состава существующих на Земле элементов. Мы уже отмечали, что в начале ее эволюции этот состав был иным. Однако он не мог резко отличаться от современного. Следовательно, изначальная распространенность стабильных изотопов была результатом процессов, связанных с фундаментальными событиями, относящимися к сфере астрофизических представлений. Говоря точнее, с проблемой происхождения элементов.

Еще в 1920-х гг. высказывались идеи, что образование элементов происходит в атмосфере звезд, в условиях очень высоких температур и давлений. Позднее стали разрабатываться общие теории происхождения элементов. Одна из них, предложенная в 1948 г. Р.Альфером, Г.Бёте и Г.Гамовым, предполагала, что синтез элементов произошел в результате «взрыва» нейтронной звезды. Освободившиеся нейтроны распадались на протоны и электроны. Протоны и электроны группировались в более сложные системы – атомы различных элементов. Согласно авторам теории, путем последовательного захвата нейтронов и b – -распадов образующихся атомов возникало огромное количество радиоактивных и стабильных изотопов, в том числе и тех, которые ныне существуют на Земле. Причем весь процесс синтеза осуществился за 15 мин (!). Однако эта изящная теория оказалась несостоятельной. Так, изотопы с А = 5 и 8 (они, кстати, отсутствуют в таблице) настолько нестабильны, что распадаются раньше, чем их ядра успевают захватить очередной нейтрон.

В настоящее время доказано, что синтез элементов постоянно происходит в звездах, причем на разных стадиях их эволюции. Те или иные совокупности изотопов образуются благодаря различным ядерным реакциям. Получила достаточно удовлетворительное объяснение космическая распространенность элементов, которая заметно отличается от земной. Так, господствующими в космосе оказываются водород и гелий. Однако по мере увеличения Z это различие становится менее выраженным.

«Каркас» современного изотопного состава элементов на Земле был построен многие миллиарды лет назад, а его «доводка» связана уже с процессами, происходившими на протяжении истории нашей планеты.

В заключение обратим внимание на один важный терминологический «нюанс». Само понятие «изотоп» правомерно, когда речь идет об атомных видах с определенными значениями Z . Если же сопоставляются виды с неодинаковыми Z , то в данном случае использование названия «изотоп» недостаточно оправданно (ведь сравниваются разновидности атомов, располагающихся в различных клетках периодической системы).

Ныне получил широкое распространение термин «нуклид», введенный американским физиком Т.Команом в 1947 г.: «Вид атомов, характеризующийся составом своего ядра, в частности, числом содержащихся в нем протонов и нейтронов». В приведенной таблице поэтому слово «изотопы» можно было бы заменить на «нуклиды». Однако эта замена никоим образом не повлияла бы на все последующие рассуждения.

И с п о л ь з о в а н н а я л и т е р а т у р а

1. Астон Ф . Масс-спектры и изотопы. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1948.
2. Вяльцев А.Н., Кривомазов А.Н., Трифонов Д.Н . Правило сдвига и явление изотопии. М.: Атомиздат, 1976.
3. Трифонов Д.Н. , Кривомазов А.Н., Лисневский Ю.И. Химические элементы и нуклиды. Специфика открытий. М.: Атомиздат, 1980.
4. Трифонов Д.Н. Периодическая система элементов. История в таблицах. М.: МП ВХО им. Д.И.Менделеева, 1992, с. 46.
5. Воронцова Е.Р . Атомный вес. История разработки экспериментальных методов. М.: Наука, 1984.
6. Лисневский Ю.И . Атомные веса и возникновение ядерной физики. М.: Наука, 1984.
7. Ранкама К . Изотопы в геологии. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1956.
8. Гайсинский М.Н . Ядерная химия и ее приложения. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1962.
9. Трифонов Д.Н . «Аномальная» история. Химия, 1996, № 26, 28.

Д.Н. ТРИФОНОВ

Если ядра атомов состоят из протонов, то как объяснить устойчивость этих ядер? Ведь одноименно заряженные протоны согласно закону Кулона, отталкиваясь, друг от друга, должны были бы разлететься в разные стороны. Однако в действительности ядра атомов очень прочные образования. Следовательно, кроме Кулоновских сил отталкивания в ядре действуют и силы притяжения. Эти силы назвали ядерными силами. Они действуют между нуклонами, т.е. между протоном и протоном, протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном. Они значительны только на малых расстояниях, сравнимых с поперечником самих ядерных частиц (10-13см). С увеличением расстояния между ядерными частицами ядерные силы быстро уменьшаются и становятся практически равными нулю. Так, если на расстоянии 10-15м ядерные силы приблизительно в 100 раз превышают Кулоновские силы отталкивания, то уже на расстоянии 10-14 м они оказываются мизерными.

Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают. Этим объясняется меньшая устойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное количество протонов и нейтронов. Так как с увеличением атомного номера увеличение числа нейтронов преобладает, говорят о «разрыхляющем» действии нейтронов.

Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, надо совершить работу, т.е. затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связи частиц в ядрах составляет несколько миллионов -вольт (эВ). Например, энергия связи ядра гелия составляет 28 МэВ, дейтерия - 2,2 МэВ, азота - 104,5 МэВ, урана - 1800 МэВ. Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи, она равна 7 - 8,5 МэВ. Чтобы «взорвать» ядро, нужно приложить такую же энергию «извне».

В зависимости от того, какие силы в ядре превалируют, ядро является или стабильным или нестабильным. Наибольшую энергию связи, а следовательно и максимальную стабильность имеют ядра, располагающиеся в середине таблицы Д.И. Менделеева (в районе железа). Устойчивость ядра зависит от соотношения количества протонов и нейтронов в ядре. Количество протонов в ядре всегда равно или меньше количества нейтронов. Отношения массы атома к числу протонов должно быть равно или больше 2 (А/Z >,=2). Для легких элементов это отношение равно 2, для тяжелых - 2,6. Чем меньше в ядре нейтронов, тем ядро устойчивее. Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие ядра неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента.

Ядра с четным количеством протонов имеют большую стабильность изотонов и более распространены в природе, чем ядра с нечетным количеством протонов. Наиболее устойчивыми являются ядра с четным количеством протонов и четным количеством нейтронов («четно-четные» ядра). Самыми устойчивыми являются ядра, содержащие по 2, 8, 20, 50, 82 протона и нейтрона («дважды магические ядра»): Не - гелий, О - кислород, Са - кальций.

Наименее устойчивыми являются ядра с нечетным количеством протонов и нечетным количеством нейтронов («нечетно-нечетные» ядра).

В начале и середине таблицы Д.И. Менделеева количество протонов и нейтронов в ядрах в основном равно: 2 4He, 612С, 816О, 1632S и поэтому ядра чаще стабильны. С увеличением атомного номера Z и увеличением количества нейтронов по сравнению с протонами все в большей степени проявляется их «разрыхляющее» действие и ядра становятся менее устойчивыми. У элементов с атомным номером от 84 до 92 ядерные силы уже не способны обеспечивать полную устойчивость ядер. Эти элементы оказываются нестабильными: Rn 222, Ra 226, U 238 и т.д.

Стабильность понижается не только в сторону более тяжелых, но и в сторону более легких элементов: кислород 16, 17, 18 - стабильный, а кислород - 13, 14, 15, 19, 20 - не стабильный; кальций - 40, 42, 43, 44, 46, 48 - стабильный, а кальций - 37, 38, 39, 41, 45, 47, 49, 51 - не стабильный.

Таким образом, низкой стабильностью отличаются ядра с недостаточным и излишним содержанием нейтронов.

Установлено, что каждый химический элемент, находящийся в природе – это смесь изотопов (отсюда у них дробные атомные массы). Чтобы понять, чем отличаются изотопы один от другого, необходимо детально рассмотреть строение атома. Атом образует ядро и электронное облако. На массу атома влияют электроны, движущиеся с ошеломительной скоростью по орбиталям в электронном облаке, нейтроны и протоны, входящие в состав ядра.

Определение

Изотопы – это разновидность атомов какого-либо химического элемента. Электронов и протонов в любом атоме всегда равное количество. Поскольку они обладают противоположными зарядами (электроны – отрицательным, а протоны – положительным), атом всегда нейтрален (эта элементарная частица не несет заряда, он равен у нее нулю). При потере или захвате электрона атом теряет нейтральность, становясь либо отрицательным, либо положительным ионом.

Нейтроны не имеют заряда, зато их количество в атомном ядре одного и того же элемента может быть разным. Это никак не сказывается на нейтральности атома, однако влияет на его массу и свойства. Например, в любом изотопе атома водорода есть по одному электрону и протону. А количество нейтронов разное. В протии имеется всего лишь 1 нейтрон, в дейтерии – 2 нейтрона и в тритии – 3 нейтрона. Эти три изотопа заметно отличаются друг от друга по свойствам.

Сравнение

В них разное количество нейтронов, неодинаковая масса и различные свойства. Изотопы обладают идентичным строением электронных оболочек. Это значит, что они довольно близки по химическим свойствам. Поэтому им отведено в периодической системе одно место.

В природе обнаружены изотопы стабильные и радиоактивные (нестабильные). Ядра атомов радиоактивных изотопов способны самопроизвольно превращаться в другие ядра. В процессе радиоактивного распада они испускают различные частицы.

Большинство элементов имеет свыше двух десятков радиоактивных изотопов. К тому же радиоактивные изотопы искусственно синтезированы абсолютно для всех элементов. В естественной смеси изотопов их содержание незначительно колеблется.

Существование изотопов позволило понять, почему в отдельных случаях элементы с меньшей атомной массой обладают большим порядковым номером, чем элементы с большей атомной массой. Например, в паре аргон-калий аргон включает тяжелые изотопы, а калий – легкие изотопы. Поэтому масса аргона больше, чем калия.

Выводы сайт

1. Они обладают разным числом нейтронов.
2. Изотопы имеют разную массу атомов.
3. Значение массы атомов ионов влияет на их полную энергию и свойства.

Что такое изотопы

При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество. В Периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку. Таким разновидностям одного и того же вещества было дано название «изотопы» (от греческого isos - одинаковый и topos – место). Итак, изотопы – это разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

Как известно, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. В самом деле, заряд ядра изотопов одного элемента одинаков, следовательно, количество протонов в ядре одинаково. Ядра различаются по массе, соответственно они содержат разное количество нейтронов.

Изотопы бывают стабильными и нестабильными. На сегодняшний день известно около 270 стабильных изотопов и более 2000 нестабильных. Стабильные изотопы – это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.

Большая часть нестабильных изотопов была получена искусственным путём. Нестабильные изотопы радиоактивны, их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц и/или излучений. Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд. Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно количество изотопов ограничено. У чётных по количеству протонов элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти. Например, олово имеет 10 изотопов, ксенон – 9, ртуть – 7 и так далее.

Те элементы, количество протонов которых нечётно, могут иметь лишь по два стабильных изотопа. У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп. Это такие вещества, как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие. Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связаны со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.

Практически все вещества в природе существуют в виде смеси изотопов. Количество изотопов в составе вещества зависит от вида вещества, атомной массы и количества стабильных изотопов данного химического элемента.

Где применяют изотопы

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Стабильные изотопы нашли наибольшее применение в химии (для изучения механизма химических реакций, процессов горения, катализа, синтеза химических соединений, в спектрометрии), в биологии, физиологии, биохимии и агрохимии (для изучения процессов обмена веществ в живых организмах, превращения белков, жирных и аминокислот, процессов фотосинтеза в растениях, движения воды от корня по стеблю к листьям и плодам). Они также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счётчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счёта более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов. Перечисленное, однако, далеко не исчерпывает все существующие и возможные области использования изотопов. Более того, сфера их использования как эффективных помощников в решении целого ряда научных и прикладных проблем расширяется с каждым годом.

В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны.

В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопов связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во второй половине XX века. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы, железа, йода были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и прочих биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. Использование изотопов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза. С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и других мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решён ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растениях, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервные и мышечные ткани, кальция в кости). Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за «судьбой» отдельных атомов и химических групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении современных схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах.

В медицине с помощью изотопов были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний. Изотопы вводят в организм в крайне малых количествах, не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Различные элементы неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и изотопы. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют специальными приборами. Так, можно определить состояние большого и малого круга кровообращения, сердечного кровообращения, скорости кроветока, получить изображение полостей сердца.

Для чего нужен дыхательный тест

Выдыхаемый человеком воздух содержит столько информации, что, научившись анализировать её, можно составить полнейшее представление о состоянии организма. Можно поставить диагноз в зависимости от состава выдыхаемого воздуха. На этом основан новый метод исследования пищеварительной системы человека, при котором применяются так называемые дыхательные тесты. Его самый очевидный плюс – нет опасности заразиться гепатитом или СПИДом. А традиционные трубки для осмотра желудка, взятия желудочного сока при плохой дезинфекции могут стать причиной этих и других вирусных инфекций. Метод этот весьма точен – примерно 90% достоверности.

«Не навреди» – основной принцип медицины с древних пор. Дыхательные диагностические тесты заболеваний полностью ему удовлетворяют в отличие от зондирования и биопсии. А использование тест-препаратов со стабильным изотопом углерода 13С (так обозначают изотоп с атомным весом, то есть общим числом нейтронов и протонов в ядре равным 13) исключает и возможность радиоактивного облучения (не только пациентов, но и персонала). Выпил раствор 13С-препарата и по содержанию 13СО 2 (углекислого газа) в выдыхаемом воздухе определил состояние того или иного органа – просто, точно и безопасно. Но ещё более широкие возможности открывают новейшие 13С-магниторезонансные методы, которые позволяют получать высококачественные снимки опухолей, сосудов... и даже контролировать метаболические процессы, а значит, и наше здоровье без использования рентгеновских, радиоизотопных и прочих дорогих, сложных и небезопасных методов диагностики.

Стабильно-изотопная диагностика – это не больно!

Вы заходите в кабинет гастроэнтеролога. Вам дают выпить раствор препарата, растворённый в апельсиновом соке, и через 20 минут просят выдохнуть в пробирку. Выдохнули! А всё остальное сделает доктор. Он присоединит эту пробирку к специальному прибору и сообщит результат: опаснейшая бактерия H. pylori у вас отсутствует.

А что за препарат в соке растворяли? Да самую обычную мочевину. Но вместо распространённого углерода 12С её молекула содержит изотоп 13С, которого в природе немного – чуть больше 1%, но он есть везде, и в теле человека его около двухсот граммов. Это так называемый стабильный изотоп углерода, который не распадается, ничего не излучает и отличается от «обычного» атома 12С только тем, что он чуть тяжелее – на один нейтрон.

Ценность изотопа 13С в том, что он нисколько не меняет химические свойства веществ, благодаря чему мы можем принимать 13С-препараты без вреда для здоровья. Этот изотоп легко увидеть с помощью современных приборов, на чём и основана стабильно-изотопная диагностика: если зловредная H. pylori всё же попала в ваш организм, её фермент (уреаза) быстро разлагает мочевину, образующийся углекислый газ кровью переносится в лёгкие и удаляется с выдыхаемым воздухом. Выпив раствор 13С-мочевины, вы выдохните 13СО 2 , что и увидит доктор на экране прибора.

И не надо глотать жуткие скользкие металлические шланги-зонды. Помимо всего прочего эти методы обладают высочайшей точностью (до 100%) и специфичностью (поставленный диагноз будет однозначен). Именно благодаря этим достоинствам можно получить массу информации, например: как работает желудок (перистальтика), поджелудочная железа (хорошо ли усваиваются жиры), здорова ли печень (циррозы, гепатиты) и так далее.

Для того чтобы применять активные изотопы в медицине, нужно налаженное производство веществ, их содержащих, то есть меченых. Такого производства в России нет.

За рубежом стабильно-изотопные медицин­ские тест-препараты выпускаются уже более 15 лет, и производство их продолжает расти. Иностранными фирмами освоен выпуск нескольких сотен диагностических субстанций и ряда готовых лекарственных форм. Диагностические приборы выпускаются различными фирмами и используются для рутинных анализов, благодаря чему в развитых странах метод СИД (стабильно-изотопной диагностики) вошёл в повседневную практику врачей. Однако лишь немногие страны (в основном США) имеют собственное производство стабильно-изотопных соединений; остальные вынуждены приобретать их на внешнем рынке.

В то же время перечень заболеваний, выявляемых с помощью тест-препаратов на основе стабильных изотопов, быстро растёт и включает болезни органов пищеварения, печени, поджелудочной железы. Метод применяют для выявления ряда онкологических заболеваний, заболеваний крови, центральной нервной системы (ЦНС), а также в эндокринологии (диабет). В целом, медицинская диагностика с помощью стабильных изотопов быстро развивается и имеет большие перспективы.

Наиболее востребованны органические соединения, меченные лёгкими стабильными изотопами 13С.

В России существуют объективные условия быстрого развития данного направления. Госкорпорация «Росатом» выпускает изотопное сырьё высшего качества – двуокись углерода (113CO 2), пригодное для производства медицинских тест-препаратов, освоено производство окиси углерода (13CO).

В 2007 году по инициативе авторов проекта на базе научно-технической программы правительства Москвы (Департамент науки) «Разработка и практическое освоение в здравоохранении новых методов и средств профилактики, диагностики и лечения онкологических, инфекционных и других опасных заболеваний» начато выполнение этой программы НИОКР. В работе участвовали ведущие медицинские научные центры: ГНЦ РФ – ИМБП РАН, НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН и ряд других научных организаций.

В настоящее время впервые в нашей стране разработаны способы получения 14 различных 13С‑препаратов медицинского назначения. В соответствии с приказом Минздравсоцразвития РФ от 25.08.2005 г. № 539 начата подготовка производства первого в России препарата СИД «Геликотест» на основе высокообогащённого (99%) 13С‑карбамида для диагностики Helicobacterpylori методом дыхательного теста. Разработан оригинальный и недорогой отечественный прибор для массовой 13С‑диагностики методом дыхательных тестов (изготовлены действующие образцы прибора для медицинской регистрации). Проведена успешная медицинская апробация дыхательных тестов с использованием ряда 13С‑препаратов.

В ходе выполнения работ участниками проекта получены патенты РФ. Растёт интерес к данной проблеме в отечественной медицине.

Однако российские медицинские организации в отсутствие отечественных препаратов СИД вынуждены закупать их по импорту. Вместе с тем началось проникновение на внутренний рынок зарубежных компаний, поставляющих дорогие импортные 13С-препараты.

Рыночные цены меченых соединений составляют от 100 до 1000 долларов США (и более) за 1 грамм вещества; потребность составляет более 1000 килограммов в год и постоянно растёт. Только Москве для однократной диспансеризации населения требуются сотни килограммов 13С-карбамида, а номенклатура необходимых препаратов СИД превышает 20 наименований. С учётом значительного роста потребности медицины и других областей в стабильно-изотопных тест-препаратах производство этой продукции должно возрастать ускоренными темпами.

Итоговые перспективы проекта СИД

Проектом предусмотрено решение трёх основных задач:

1) разработка новых способов получения 13С-продуктов и значительное расширение их номенклатуры с целью широкого внедрения методов стабильно-изотопной диагностики в практику российского здравоохранения;

2) создание новой наукоёмкой отечественной продукции – высокообогащённых (99%) 13С‑препаратов – для реализации на внешнем рынке;

3) освоение и развитие новых областей использования стабильно-изотопных продуктов – в криминалистике, судебно-медицинской экспертизе, космической медицине, антидопинговом контроле, экологии, геологии, геофизике, изучении биосинтеза и других научных исследованиях, производстве стандартных образцов.

Первая задача предполагает разработку методов синтеза и создание научных основ производства стабильно-изотопных препаратов медицинского назначения, содействие в разработке и производстве диагностических приборов и оборудования, широком освоении методов СИД в различных областях отечественной медицины.

Вторая задача нацелена на производство и продажу большой номенклатуры отечественных стабильно-изотопных продуктов на мировом рынке. Отличительная особенность продукции – её экономическая эффективность (малые количества и высокие цены).

Решение третьей задачи обеспечит выпуск и использование тест-препаратов специального назначения независимо от рыночной конъюнктуры (то есть от импорта), а также ускоренное развитие ряда областей экономики.

В ходе работы планируется разработка новых способов синтеза 13С-продуктов для производ­ства диагностических препаратов для дыхательных тестов.

В итоге работы ожидаются следующие результаты:

– расширение номенклатуры отечественных 13С-продуктов, принадлежащих к разным классам соединений, до 40–50 наименований, включая моно- и поликарбоновые органические (в том числе ароматические) кислоты и их производные, аминокислоты, углеводы, мочевины, циклические карбонаты и другие;

– научные основы технологий эффективного производства 13С-продуктов;

– установки синтеза 13С-продуктов в количествах, необходимых для проведения медицин­ских и иных испытаний с целью создания отечественной стабильно-изотопной диагностики (включая разработку и медицинскую регистрацию 13С-препаратов и приборов для дыхательных тестов);

– образцы 13С-продуктов медицинского и иного назначения.

Полученные результаты позволят приступить к организации серийного производства 13С-препаратов для дыхательных тестов, а также 13С-продуктов иного назначения, в том числе для их поставок на экспорт, провести клиническую апробацию и внедрение методов 13С‑диагностики заболеваний с помощью 13С-компьютерной томографии, расширять исследования в смежных (немедицинских) областях использования 13С-тест-препаратов и продуктов.

Развитие данного направления значительно расширит возможности российского здравоохранения, уменьшит его зависимость от импорта, повысит экспортопригодность отечественной наукоёмкой продукции, будет способствовать увеличению её доли на мировом рынке.

Учёные РН-ЦИР ведут успешные исследования в этом направлении и ожидают хороших результатов.