Почему физические свойства изотопов разные. Изотопы. Вопросы для самоконтроля

(греч, isos равный, одинаковый + topos место)- разновидности одного химического элемента, занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева, т. е. имеющие одинаковый заряд ядра, но различающиеся массами атомов. При упоминании об И. обязательно указывают, изотопом какого хим. элемента он является. Термин «изотоп» иногда употребляют и в более широком смысле - для описания атомов различных элементов. Однако для обозначения любого из атомов независимо от его принадлежности к тому или иному элементу принято использовать термин «нуклид».

Принадлежность И. к определенному элементу и основные хим. свойства определяются его порядковым номером Z или числом протонов, содержащихся в ядре (соответственно и одинаковым числом электронов в оболочке атома), а его ядерно-физ. свойства определяются совокупностью и соотношением числа входящих в него протонов и нейтронов. Каждое ядро состоит из Z протонов и N нейтронов, а общее число этих частиц, или нуклонов, составляет массовое число А = Z + N, определяющее массу ядра. Оно равно округленному до целого числа значению массы данного нуклида. Любой нуклид, т. о., определяется значениями Z и N, хотя некоторые радиоактивные нуклиды с одинаковыми Z и N могут находиться в различных ядерно-энергетических состояниях и различаться своими ядерно-физ. свойствами; такие нуклиды называются изомерами. Нуклиды с одинаковым числом протонов называются изотопами.

И. обозначаются символом соответствующего хим. элемента с расположенным вверху слева индексом А - массовым числом; иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Напр., радиоактивные И. фосфора с массовыми числами 32 и 33 обозначают: 32 P и 33 P или 32 P и 33 P соответственно. При обозначении И. без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, напр. фосфор-32, фосфор-33.

У И. разных элементов может быть одно и то же массовое число. Атомы с различным числом протонов Z и нейтронов N, но с одинаковым массовым числом А называют изобарами (напр., 14 32 Si, 15 32 P, 16 32 S, 17 32 Cl- изобары).

Название «изотоп» предложено англ. ученым Содди (F. Soddy). Впервые существование И. было открыто в 1906 г. при изучении радиоактивного распада тяжелых естественно-радиоактивных элементов; в 1913 г. они были обнаружены и у нерадиоактивного элемента неона, а затем с помощью масс-спектрометрии был определен изотопный состав всех элементов периодической системы. В 1934 г. И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри впервые получили искусственно-радиоактивные И. азота, кремния и фосфора, а впоследствии с помощью различных ядерных реакций на нейтронах, заряженных частицах и фотонах высоких энергий были получены радиоактивные И. всех известных элементов и синтезированы радиоактивные И. 13 сверхтяжелых - трансурановых элементов (с Z≥ 93). Известно 280 стабильных, характеризующихся устойчивостью, и более 1500 радиоактивных, т. е. неустойчивых, И., которые с той или иной скоростью претерпевают радиоактивные превращения. Продолжительность существования радиоактивного И. характеризуется периодом полураспада (см.) - промежутком времени T 1/2 , в течение к-рого количество радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

В природной смеси И. хим. элемента разные И. содержатся в разных количествах. Процентное содержание И. в данном хим. элементе называется их относительной распространенностью. Так, напр., в природном кислороде содержится три стабильных И.: 16O (99,759%), 17O(0,037%) и 18O (0,204%). Многие хим. элементы имеют только по одному стабильному И. (9 Be, 19 F, 23 Na, 31 P, 89 Y, 127 I и др.), а некоторые (Тс, Pm, Lu и все элементы с Z больше 82) не имеют ни одного стабильного И.

Изотопный состав природных элементов на нашей планете (и в пределах Солнечной системы) в основном постоянен, однако наблюдаются небольшие колебания в распространенности атомов легких элементов. Это объясняется тем, что различия в массах их И. относительно велики, и поэтому изотопный состав этих элементов изменяется под воздействием различных природных процессов, в результате изотопных эффектов (т. е. различия свойств хим. веществ, в которых содержатся эти изотопы). Так, изотопный состав ряда биологически важных элементов (Н, С, N, О, S) связан, в частности, с наличием биосферы и жизнедеятельностью растительных и животных организмов.

Различие в составе и структуре атомных ядер И. одного и того же хим. элемента (разное число нейтронов) определяет и различие их ядерно-физ. свойств, в частности то, что одни его И. могут быть стабильными, а другие - радиоактивными.

Радиоактивные превращения. Известны следующие виды радиоактивных превращений.

Альфа-распад - самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием альфа-частиц, т. е. двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро гелия 2 4 He. В результате заряд Z исходного ядра уменьшается на 2, а общее число нуклидов или массовое число - на 4 единицы, напр.:

88 226 Ra -> 86 222 Ra + 2 4 He

При этом кинетическая энергия вылетающей альфа-частицы определяется массами исходного и конечного ядер (с учетом массы самой альфа-частицы) и их энергетическим состоянием. Если конечное ядро образуется в возбужденном состоянии, то кинетическая энергия альфа-частицы несколько уменьшается, а если распадается возбужденное ядро, то энергия альфа-частицы соответственно возрастает (при этом образуются так наз. длиннопробежные альфа-частицы). Энергетический спектр альфа-частиц дискретный и лежит в пределах 4-9 МэВ примерно для 200 И. тяжелых элементов и 2-4,5 МэВ для почти 20 альфа-радиоактивных И. редкоземельных элементов.

Бета-распад - самопроизвольное превращение ядер, при к-ром заряд Z исходного ядра изменяется на единицу, а массовое число А остается тем же. бета-распад представляет собой взаимопревращение входящих в состав ядра протонов (p) и нейтронов (n), сопровождающееся испусканием или поглощением электронов (е -) или позитронов (е +), а также нейтрино (v) и антинейтрино (v -). Существуют три вида бета-распада:

1) электронный бета-распад n -> p + e - + v - , сопровождающийся увеличением заряда Z на 1 единицу, с превращением одного из нейтронов ядра в протон, напр.

2) позитронный бета-распад p -> n + e + + v , сопровождающийся уменьшением заряда Z на 1 единицу, с превращением одного из протонов ядра в нейтрон, напр.

3) электронный захват p + е - -> n + v с одновременным превращением одного из протонов ядра в нейтрон, как и в случае распада с испусканием позитрона, также сопровождающийся уменьшением заряда на 1 единицу, напр.

Захват электрона при этом происходит с одной из электронных оболочек атома, чаще всего с ближайшей к ядру К-оболочки (К-захват).

Бета-минус-распад характерен для нейтроноизбыточных ядер, у которых число нейтронов больше, чем в устойчивых ядрах, а бета-плюс-распад и, соответственно, электронный захват - для нейтронодефицитных ядер, у которых число нейтронов меньше, чем у устойчивых, или так наз. бета-стабильных, ядер. Энергия распада распределяется между бета-частицей и нейтрино, в связи с чем бета-спектр не дискретный, как у альфа-частиц, а сплошной и содержит бета-частицы с энергиями от близких к нулю до нек-рой Еmax, характерной для каждого радиоактивного И. Бета-радиоактивные И. встречаются у всех элементов периодической системы.

Спонтанное деление - самопроизвольный распад тяжелых ядер на два (иногда 3-4) осколка, представляющих собой ядра средних элементов периодической системы (явление открыто в 1940 г. советскими учеными Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком).

Гамма-излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникает при ядерных превращениях, изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц. Испускание гамма-квантов сопровождает радиоактивное превращение в тех случаях, когда новое ядро образуется в возбужденном энергетическом состоянии. Время жизни таких ядер определяется ядерно-физ. свойствами материнского и дочернего ядер, в частности возрастает с уменьшением энергии гамма-переходов и может достигать относительно больших величин для случаев метастабильного возбужденного состояния. Энергия гамма-излучения, испускаемого разными П., лежит в пределах от десятков кэВ до нескольких МэВ.

Устойчивость ядер. При бета-распаде происходят взаимные превращения протонов и нейтронов до достижения наиболее энергетически выгодного соотношения p и n, что соответствует устойчивому состоянию ядра. Все нуклиды разделяются по отношению к бета-распаду на бета-радиоактивные и бета-устойчивые ядра. Под бета-устойчивыми понимаются либо стабильные, либо альфа-радиоактивные нуклиды, для которых бета-распад энергетически невозможен. Все бета-устойчивые И. у хим. элементов с атомными номерами Z до 83 стабильны (за несколькими исключениями), а у тяжелых элементов стабильных И. нет, и все их бета-устойчивые И. альфа-pадиоактивны.

При радиоактивном превращении происходит выделение энергии, соответствующее соотношению масс исходного и конечного ядер, массе и энергии испускаемого излучения. Возможность p-распада, происходящего без изменения массового числа А, зависит от соотношения масс соответствующих изобар. Изобары с большей массой в результате бета-распада превращаются в изобары с меньшей массой; при этом чем масса изобара меньше, тем он ближе к P-устойчивому состоянию. Обратный же процесс в силу закона сохранения энергии идти не может. Так, напр., для упомянутых выше изобар превращения идут в следующих направлениях с образованием стабильного изотопа серы-32:

Ядра нуклидов, устойчивых к бета-распаду, содержат не менее одного нейтрона на каждый протон (исключением являются 1 1 H и 2 3 He), а по мере возрастания атомного номера соотношение N/Z увеличивается и достигает значения 1,6 для урана.

С увеличением числа N ядро данного элемента становится неустойчивым по отношению к электронному бета-минус-распаду (с превращением n->p), поэтому нейтронообогащенные ядра бета-активны. Соответственно нейтронодефицитные ядра неустойчивы к позитронному бета+-распаду или электронному захвату (с превращением p->n), а у тяжелых ядер наблюдается также альфа-распад и спонтанное деление.

Разделение стабильных и получение искусственно-радиоактивных изотопов. Разделение И.- это обогащение природной смеси И. данного хим. элемента отдельными входящими в его состав И. и выделение чистых И. из этой смеси. Все методы разделения основаны на изотопных эффектах, т. е. на различиях физ.-хим. свойств разных И. и содержащих их хим. соединений (прочность хим. связей, плотность, вязкость, теплоемкость, температура плавления, испарения, скорость диффузии и т. д.). Способы разделения и основаны на различиях в поведении И. и содержащих их соединений в физ.-хим. процессах. Практически используются электролиз, центрифугирование, газовая и термодиффузия, диффузия в потоке пара, ректификация, хим. и изотопный обмены, электромагнитное разделение, разделение с помощью лазера и др. Если единичный процесс дает низкий эффект, т. е. малый коэффициент разделения И., его многократно повторяют до получения достаточной степени обогащения. Наиболее эффективно идет разделение И. легких элементов в связи с большими относительными различиями масс их изотопов. Напр., «тяжелую воду», т. е. воду, обогащенную тяжелым И. водорода- дейтерием, масса к-рого вдвое больше, в промышленном масштабе получают на электролизных установках; высокоэффективно также выделение дейтерия низкотемпературной дистилляцией. Разделение И. урана (для получения ядерного топлива - 235 U) проводят на газодиффузионных заводах. Широкий спектр обогащенных стабильных И. получают на электромагнитных разделительных установках. В некоторых случаях применяют разделение и обогащение смеси радиоактивных И., напр, для получения радиоактивного И. железа-55 с высокой удельной активностью и радионуклидной чистотой.

Искусственно-радиоактивные И. получают в результате ядерных реакций - взаимодействия нуклидов друг с другом и с ядерными частицами или фотонами, в результате которых происходит образование других нуклидов и частиц. Ядерная реакция условно обозначается следующим образом: вначале указывается символ исходного изотопа, а затем - образующегося в результате данной ядерной реакции. В скобках между ними первой указывается воздействующая, а за нею - вылетающая частица или квант излучения (см. табл., графа 2).

Вероятность осуществления ядерных реакций количественно характеризуется так называемым эффективным поперечным сечением (или сечением) реакции, обозначаемым греческой буквой о и выражаемым в барнах (10 -24 см 2). Для получения искусственно-радиоактивных нуклидов используют ядерные реакторы (см. Реакторы ядерные) и ускорители заряженных частиц (см.). Многие радионуклиды, применяемые в биологии и медицине, получают в ядерном реакторе по ядерным реакциям радиационного захвата, т. е. захвата ядром нейтрона с испусканием гамма-кванта (n, гамма), в результате чего образуется изотоп того же элемента с массовым числом, на единицу большим исходного, напр. 23 Na (n, γ) 24 Na, 31 P(n, γ) 32 Р; по реакции (n, γ) с последующим распадом полученного радионуклида и образованием «дочернего», напр. 130 Te (n, γ) 131 Te -> 131 I; по реакциям с вылетом заряженных частиц (n, p), (n, 2n), (n, α); напр., 14 N (n, p) 14 C; по вторичным реакциям с тритонами (t, p) и (t, n), напр. 7 Li (n, α) 3 H и затем 16O (t, n) 18 F; по реакции деления U (n, f), напр. 90 Sr, 133 Xe и др. (см. Ядерные реакции).

Некоторые радионуклиды либо вообще не могут быть получены в ядер-ном реакторе, либо такое их производство нерационально в медицинских целях. По реакции (n, γ) в большинстве случаев нельзя получить изотопы без носителя; некоторые реакции имеют слишком малую величину сечения a, a облучаемые мишени - малое относительное содержание исходного изотопа в природной смеси, что приводит к низким выходам реакций, недостаточной удельной активности препаратов. Поэтому многие важные радионуклиды, применяемые в клинич. радиодиагностике, получают с достаточной удельной активностью, используя изотопно-обогащенные мишени. Напр., для получения кальция-47 облучают мишень, обогащенную по кальцию-46 с 0,003 до 10-20%, для получения железа-59 - мишень с железом-58, обогащенным с 0,31 до 80%, для получения ртути-197 - мишень с ртутью-196, обогащенной с 0,15 до 40%, и т. д.

В реакторе гл. обр. получают радионуклиды с избытком нейтронов, распадающиеся с бета-мирус_излучением. Нейтронодефицитные радионуклиды, которые образуются в ядерных реакциях на заряженных частицах (p, d, альфа) и фотонах и распадаются с испусканием позитронов или посредством захвата электронов, в большинстве случаев получают на циклотронах, линейных ускорителях протонов и электронов (в последнем случае используется тормозное излучение) при энергиях ускоряемых частиц порядка десятков и сотен МэВ. Так получают для мед. целей радионуклиды по реакциям: 51 V (р, n) 51 Cr, 67 Zn (р, n) 67 Ga, 109 Ag (α, 2n) 111 In, 44 Ca (γ, p) 43 K, 68 Zn (γ, p) 67 Cu и др. Важным преимуществом такого способа получения радионуклидов является то, что они, имея, как правило, иную хим. природу, чем материал облучаемой мишени, могут быть выделены из последней без носителя. Это позволяет получать нужные радиофарм. препараты с высокой удельной активностью и радионуклидной чистотой.

Для получения многих короткоживущих радионуклидов непосредственно в клинических учреждениях используют так наз. изотопные генераторы, содержащие долгоживущий материнский радионуклид, при распаде к-рого образуется нужный короткоживущий дочерний радионуклид, напр. 99m Tc, 87m Sr, 113m In, 132 I. Последний может быть многократно выделен из генератора в течение времени жизни материнского нуклида (см. Генераторы радиоактивных изотопов).

Применение изотопов в биологии и медицине. Радиоактивные и стабильные И. широко применяются в научных исследованиях. В качестве метки их используют для приготовления изотопных индикаторов (см. Меченые соединения) - веществ и соединений, имеющих отличный от природного изотопный состав. Методом изотопных индикаторов исследуют распределение, пути и характер перемещения меченых веществ в различных средах и системах, проводят их количественный анализ, изучают строение хим. соединений и биологически активных веществ, механизмы различных динамических процессов, в т. ч. их метаболизм в организме растений, животных и человека (см. Радиоизотопное исследование). С помощью метода изотопных индикаторов проводят исследования в биохимии (изучение обмена веществ, строения и механизма биосинтеза белков, нуклеиновых к-т, жиров и углеводов в живом организме, скорости протекания биохим, реакций и т. д.); в физиологии (миграции ионов и различных веществ, процессов всасывания из жел.-киш. тракта жиров и углеводов, экскреции, кровообращения, поведения и роли микроэлементов и т. д.); в фармакологии и токсикологии (исследование поведения лекарственных препаратов и токсических веществ, их всасывания, путей и скорости накопления, распределения, выведения, механизма действия и т. д.); в микробиологии, иммунологии, вирусологии (изучение биохимии микроорганизмов, механизмов ферментативных и Иммунохим, реакций, взаимодействия вирусов и клетки, механизмов действия антибиотиков и т. д.); в гигиене и экологии (изучение загрязненности вредными веществами и дезактивации производств и окружающей среды, экологической цепочки различных веществ, их миграции и т. д.). И. применяют и в других медико-биол. исследованиях (для изучения патогенеза различных заболеваний, исследования ранних изменений обмена веществ и т. д.).

В мед. практике радионуклиды применяют для диагностики и лечения различных заболеваний, а также для радиационной стерилизации мед. материалов, изделий и медикаментов. В клиниках используют более 130 радиодиагностических и 20 радиотерапевтических методик с применением открытых радиофарм. препаратов (РФП) и закрытых изотопных источников излучения. В этих целях используют св. 60 радионуклидов, ок. 30 из них - наиболее широко (табл.). Радиодиагностические препараты позволяют получать информацию о функц, и анатомическом состоянии органов и систем организма человека. В основе радиоизотопной диагностики (см.) лежит возможность проследить за биол, поведением меченных радионуклидами хим. веществ и соединений в живом организме без нарушения его целостности и изменения функций. Введение нужного радиоизотопа соответствующего элемента в структуру хим. соединения, практически не изменяя его свойства, позволяет следить за его поведением в живом организме путем наружного детектирования излучения И., в чем и состоит одно из очень важных преимуществ метода радиоизотопной диагностики.

Динамические показатели поведения меченого соединения дают возможность оценить функц, состояние исследуемого органа или системы. Так, по степени разбавления РФП с 24 Na, 42 K, 51 Cr, 52 Fe, 131 I и др. в жидких средах определяют объем циркулирующей крови, эритроцитов, обмен альбумина, железа, водный обмен электролитов и др. По показателям накопления, перемещения и выведения РФП в органах, системах организма или в очаге поражения можно оценить состояние центральной и периферической гемодинамики, определить функцию печени, почек, легких, изучить йодный обмен и т. п. РФП с радиоизотопами йода и технеция позволяют исследовать все функции щитовидной железы. С помощью 99м Tc, 113m In, 123 I, 131 I, 133 Xe можно провести всестороннее исследование легких - изучить распределение кровотока, состояние вентиляции легких и бронхов. РФП с 43 K, 86 Rb, 99м Тс, 67 Ga, 131 I, 113m In, 197 Hg и др. дают возможность определить кровоток и кровоснабжение головного мозга, сердца, печени, почек и других органов. Радиоактивные коллоидные р-ры и некоторые йодорганические препараты позволяют оценить состояние полигональных клеток и гепатоцитов (купферовских клеток) и антитоксической функции печени. С помощью радиоизотопного сканирования проводят анатомо-топографическое изучение и определение наличия, величины, формы и положения объемных поражений печени, почек, костного мозга, щитовидной, паращитовидной и слюнных желез, легких, лимф, узлов; радионуклиды 18 F, 67 Ga, 85 Sr, 87M Sr, 99M Tc позволяют исследовать заболевания скелета и т. д.

В СССР разработаны и введены в действие нормы радиационной безопасности для пациентов при использовании радиоактивных веществ с диагностической целью, которые строго регламентируют эти процедуры с точки зрения допустимых уровней облучения. Благодаря этому, а также рациональному выбору методов и аппаратуры для разных видов обследований и применению в РФП по возможности короткоживущих радионуклидов, обладающих благоприятными характеристиками излучения в отношении эффективности их регистрации при минимальном лучевом воздействии, лучевые нагрузки на организм пациента при радиоизотопных диагностических процедур ах гораздо ниже доз, получаемых при рентгенол, обследованиях, и в большинстве случаев не превышают сотых и десятых долей рада.

В 70-х гг. 20 в. радиоизотопные препараты стали шире применяться для исследований in vitro, в основном - для иммунохим. анализа. Радиоиммунохим. методы основаны на высокоспецифичной иммунохим. реакции антиген - антитело, в результате к-рой образуется устойчивый комплекс из антитела и антигена. После отделения образующегося комплекса от непрореагировавших антител или антигенов проводят количественное определение путем измерения их радиоактивности. Использование антигенов или антител, меченных радиоизотопами, напр. 125 I, повышает чувствительность иммунохим. тестов в десятки и сотни раз. С помощью этих тестов можно определить содержание в организме гормонов, антител, антигенов, энзимов, ферментов, витаминов и других биологически активных веществ в концентрациях до 0,1 мг/мл. Таким образом удается определять не только различные патол, состояния, но и весьма малые изменения, отражающие начальные стадии заболевания. Напр., эти методики успешно применяют для ранней диагностики in vitro сахарного диабета, инфекционного гепатита, нарушений углеводного обмена, некоторых аллергических и ряда других заболеваний. Такие радиоизотопные тесты не только чувствительнее, проще, но и позволяют проводить массовые исследования и совершенно безопасны для пациентов (см. Pадиоизотопная диагностика).

С леч. целью РФП и радионуклидные источники излучения применяются гл. обр. в онкологии, а также при лечении воспалительных заболеваний, экзем и др. (см. Лучевая терапия). Для этих целей используются как открытые РФП, вводимые внутрь организма, в ткани, серозные полости, полости суставов, внутривенно, внутриартериально и в лимф, систему, так и закрытые источники излучения для наружной, внутриполостной и внутритканевой терапии. С помощью соответствующих РФП, гл. обр. коллоидов и суспензий, содержащих 32 P, 90 Y, 131 I, 198 Au и другие радионуклиды, лечат заболевания кроветворной системы и различные опухоли, воздействуя локально на патол, очаг. При контактном облучении (дерматол, и офтальмол. бета-аппликаторы) применяют 32 P, 90 Sr, 90 Y, 147 Pm, 204 Tl, в дистанционных гамма-терапевтических аппаратах - источники 60 Co или 137 Cs высокой активности (сотни и тысячи кюри). Для внутритканевого и внутриполостного облучения используют иглы, гранулы, проволоку и другие специальные типы закрытых источников с 60 Co, 137 Cs, 182 Ta, 192 Ir, 198 Au (см. Pадиоактивные препараты).

Радиоактивные нуклиды используются также для стерилизации материалов, изделий мед. назначения и лекарственных средств. Практическое применение радиационной стерилизации стало возможным с 50-х гг., когда появились мощные источники ионизирующих излучений.По сравнению с традиционными методами стерилизации (см.) радиационный метод имеет ряд преимуществ. Поскольку при обычной стерилизующей дозе излучения (2-3 Мрад) не возникает значительного повышения температуры облучаемого объекта, становится возможной радиационная стерилизация термолабильных объектов, в т. ч. биол, препаратов и изделий из некоторых видов пластиков. Воздействие излучения на облучаемый образец происходит одновременно во всем его объеме, и стерилизация осуществляется с высокой степенью надежности. При этом для контроля используют цветовые индикаторы полученной дозы, помещаемые на поверхности упаковки стерилизуемого объекта. Мед. изделия и средства стерилизуются в конце технол. цикла уже в готовом виде и в герметической упаковке, в т. ч. и из полимерных материалов, что исключает необходимость создания строго асептических условий производства и гарантирует стерильность после выпуска изделий предприятием. Радиационная стерилизация особенно эффективна для мед. изделий разового пользования (шприцы, иглы, катетеры, перчатки, шовные и перевязочные материалы, системы для взятия и переливания крови, биопрепараты, хирургические инструменты и т. д.), неинъекционных лекарственных средств, таблеток и мазей. При радиационной стерилизации лекарственных р-ров следует считаться с возможностью их радиационного разложения, ведущего к изменению состава и свойств (см. Стерилизация, холодная).

Токсикология радиоактивных изотопов - раздел токсикологии, изучающий влияние инкорпорированных радиоактивных веществ на живые организмы. Основными задачами ее являются: установление допустимых уровней содержания и поступления радионуклидов в организм человека с воздухом, водой и продуктами питания, а также степени безвредности РВ, вводимых в организм при клин, радиодиагностических исследованиях; выяснение специфики поражения радионуклидами в зависимости от характера их распределения, энергии и вида излучения, периода полураспада, дозы, путей и ритма поступления и изыскание эффективных средств для профилактики поражения.

Наиболее глубоко исследуется влияние на организм человека радионуклидов, широко используемых в промышленности, научных и мед. исследованиях, а также образующихся в результате расщепления ядерного горючего.

Токсикология радиоактивных изотопов органически связана с радиобиологией (см.), радиационной гигиеной (см.) и медицинской радиологией (см.).

Радиоактивные вещества могут проникать в организм человека через дыхательные пути, жел.-киш. тракт, кожу, раневые поверхности, а при инъекциях - через кровеносные сосуды, мышечную ткань, суставные поверхности. Характер распределения радионуклидов в организме зависит от основных хим. свойств элемента, формы вводимого соединения, пути поступления и физиол, состояния организма.

Обнаружены довольно существенные различия в распределении и путях выведения отдельных радионуклидов. Растворимые соединения Ca, Sr, Ва, Ra, Y, Zr избирательно накапливаются в костной ткани; La, Ce, Pr, Pu, Am, Cm, Cf, Np - в печени и костной ткани; K, Cs, Rb - в мышечной ткани; Nb, Ru, Te, Po распределяются сравнительно равномерно, хотя и имеют тенденцию к накоплению в ретикулоэндотелиальной ткани селезенки, костного мозга, надпочечниках и лимф, узлах; I и At - в щитовидной железе.

Распределение в организме элементов, относящихся к определенной группе периодической системы Менделеева, имеет много общего. Элементы первой основной группы (Li, Na, К, Rb, Cs) полностью всасываются из кишечника, сравнительно равномерно распределяются по органам и выделяются преимущественно с мочой. Элементы второй основной группы (Ca, Sr, Ba, Rа) хорошо всасываются из кишечника, избирательно откладываются в скелете, выделяются в несколько больших количествах с калом. Элементы третьей основной и четвертой побочной групп, в т. ч. легкие лантаниды, актиниды и трансурановые элементы, практически не всасываются из кишечника, как правило, избирательно откладываются в печени и в меньшей мере в скелете, выделяются преимущественно с калом. Элементы пятой и шестой основной групп периодической системы, за исключением Ро, сравнительно хорошо всасываются из кишечника и выводятся почти исключительно с мочой в течение первых суток, благодаря чему в органах обнаруживаются в сравнительно небольших количествах.

Отложение радионуклидов в легочной ткани при ингаляции зависит от размера вдыхаемых частиц и их растворимости. Чем крупнее аэрозоли, тем большая доля их задерживается в носоглотке и меньшая проникает в легкие. Медленно покидают легкие плохо растворимые соединения. Высокая концентрация таких радионуклидов часто обнаруживается в лимф, узлах корней легких. Очень быстро всасываются в легких окись трития, растворимые соединения щелочных и щелочноземельных элементов. Медленно всасываются в легких Pu, Am, Се, Cm и другие тяжелые металлы.

Нормы радиационной безопасности (НРБ) регламентируют поступление и содержание радионуклидов в организме лиц, работа которых связана с профвредностями, и отдельных лиц из населения, а также населения в целом, допустимые концентрации радионуклидов в атмосферном воздухе и воде, продуктах питания. Эти нормы основаны на величинах предельно допустимых доз (ПДД) облучения, установленных для четырех групп критических органов и тканей (см. Критический орган , Предельно допустимые дозы).

Для лиц, работающих в условиях профвредностей, принятая величина ПДД облучения всего тела, гонад и красного костного мозга равна 5 бэр/год, мышечной и жировой тканей, печени, почек, селезенки, жел.-киш. тракта, легких, хрусталика глаз - 15 бэр/год, костной ткани, щитовидной железы и кожи -30 бэр/год, кистей рук, предплечий, лодыжек и стоп -75 бэр/год.

Нормы для отдельных лиц из населения рекомендованы в 10 раз ниже, чем для лиц, работающих в условиях профвредностей. Облучение всего населения регламентируется генетически значимой дозой, к-рая не должна превышать 5 бэр за 30 лет. В эту дозу не входят возможные дозы облучения, обусловленные мед. процедурами и естественным радиационным фоном.

Величина годового предельно допустимого поступления растворимых и нерастворимых соединений (мкКи/год) через органы дыхания для персонала, предел годового поступления радионуклидов через органы дыхания и пищеварения для отдельных лиц из населения, среднегодовые допустимые концентрации (СДК) радионуклидов в атмосферном воздухе и воде (кюри/л) для отдельных лиц из населения, а также содержание радионуклидов в критическом органе, соответствующее предельно допустимому уровню поступления (мкКи) для персонала, приведены в нормативах.

При расчете допустимых уровней поступления радионуклидов в организм учитывается также нередко встречающийся неравномерный характер распределения радионуклидов в отдельных органах и тканях. Неравномерное распределение радионуклидов, приводящее к созданию высоких локальных доз, лежит в основе высокой токсичности альфа-излучателей, чему в немалой степени способствуют отсутствие восстановительных процессов и практически полная суммация повреждений, вызываемых этим видом излучения.

Обозначения: β- - бета-излучение; β+ - позитронное излучение; n - нейтрон; p - протон; d - дейтрон; t - тритон; α - альфа-частица; Э.З. - распад путем захвата электрона; γ - гамма-излучение (как правило, приведены лишь основные линии γ-спектра); И. П. - изомерный переход; U (n, f) - реакция деления урана. Указанный изотоп выделяют из смеси продуктов деления; 90 Sr-> 90 Y - получение дочернего изотопа (90 Y) в результате распада материнского (90 Sr), в т. ч. с помощью изотопного генератора.

Библиография: Иванов И. И. и др. Радиоактивные изотопы в медицине и биологии, М., 1955; К а м e н М. Радиоактивные индикаторы в биологии, пер. с англ., М., 1948, библиогр.; Левин В. И. Получение радиоактивных изотопов, М., 1972; Нормы радиационной безопасности (НРБ-69), М., 1972; Получение в реакторе и применение короткоживущих изотопов, пер. с ин., под ред. В. В. Бочкарева и Б. В. Курчатова, М., 1965; Производство изотопов, под ред. В. В. Бочкарева, М., 1973; Селинов И. П. Атомные ядра и ядерные превращения, т. 1, М.-Л., 1951, библиогр.; Туманян М. А. и К а у-шанский Д. А. Радиационная стерилизация, М., 1974, библиогр.; Фатеева М. Н. Очерки радиоизотопной диагностики, М., 1960, библиогр.; Xeвеши Г. Радиоактивные индикаторы, пер. с англ., М., 1950, библиогр.; Dynamic studies with radioisotopes in medicine 1974, Proc, symp., v. 1-2, Vienna, IAEA, 1975; L e d e г e г Ch. М., Hollander J. M. a. P e г 1 m а n I. Tables of isotopes, N. Y., 1967; Silver S. Radioactive isotopes in clinical medicine, New Engl. J. Med., v. 272, p. 569, 1965, bibliogr.

В. В. Бочкарев; Ю. И. Москалев (токе.), составитель табл. В. В. Бочкарев.

Cтраница 2

Таким образом, химические свойства изотопа должны давать возможность изготовления высокотемпературного радиоактивного топлива, отличающегося высокой плотностью, высокой механической прочностью, высокой термической, химической и радиационной стойкостью.  

Объяснять, какую роль играют химические свойства изотопа и тип его радиоактивности при определении разрушительного воздействия излучения этого изотопа на биологические системы.  

Мы указывали выше, что химические свойства изотопов должны быть одинаковыми, так как электрический заряд их ядер одинаков. Однако это верно только в первом приближении. Наибольшие отклонения от этого правила наблюдаются у изотопов водорода. Дело в том, что легкий водород 1 и тяжелый водород, или дейтерий 2, по массе значительно отличаются один от другого. Это проявляется в разнице между постоянными равновесия, от которых зависят химические реакции с тем или иным изотопом.  

В первом из них основную роль играют химические свойства изотопов, а их излучение является только сигналом, указывающим на место нахождения данного вещества. В этом случае радиоизотопы выполняют роль меченых атомов. Меткой радиоизотопа является его радиоактивность, которую сравнительно легко можно обнаружить приборами. Все же химические свойства радиоизотопа не отличаются от свойств стабильных изотопов того же элемента.  

Вследствие одинаковости положительного заряда ядра и структуры электронных оболочек химические свойства изотопов настолько сходны, что в подавляющем большинстве случаев их можно считать практически тождественными. Поэтому разделение - изотопов обычно основывается на различии тех их физических свойств, которые непосредственно зависят от массы атомов. Наиболее совершенно такое разделение достигается в масс-спектрографе, где разделяется, однако.  

Вследствие одинаковости положительного заряда ядра и структуры электронных оболочек химические свойства изотопов настолько сходны, что - в подавляющем большинстве случаев их можно считать практически тождественными. Поэтому разделение изотопов обычно основывается на различии тех их физических свойств, которые непосредственно зависят от м-айссы атомов.  

Будучи физиком, Мак-Миллан чувствовал себя недостаточно компетентным, чтобы установить химические свойства изотопа, которые позволили бы дать однозначную идентификацию этого элемента.  

Способность радиоактивных изотопов находиться в коллоидном состоянии не является какой-то их особенностью, а определяется химическими свойствами изучаемых изотопов. В настоящее время нет принципиальных возражений против возможности существования истинных коллоидов; для каждого радиоактивного изотопа этот вопрос следует решать в отдельности при определенных условиях его нахождения.  

В основе метода изотопного обмена лежит применение обменных реакций, при которых вследствие небольшого различия в химических свойствах изотопов достигается их разделение (константа равновесия К.  

Разделение изотопов, которое в ничтожных количествах осуществляется масс-спектрографом, в более или менее значительных масштабах является весьма трудным делом, так как химические свойства изотопов каждого элемента тождественны. Как уже упоминалось, во всех химических реакциях элементы сохраняют свой природный изотопный состав. Однако косвенно обменные химические реакции при их многократном повторении иногда позволяют получить обогащение элемента его наиболее легким или наиболее тяжелым изотопом; при этом используют то обстоятельство, что когда продукты реакции получаются в виде двухфазной системы (жидкости и ее пара), то процентное содержание легкого изотопа в газообразной фазе оказывается несколько большим, чем в конденсированной.  

Это обусловлено следующими его достоинствами: 1) в отличие от других методов практически любой тип масс-спектрометра может быть применен для анализа с изотопным разбавлением; 2) химическая подготовка анализируемых образцов может быть значительно упрощена в связи с тем, что химические свойства изотопов подобны; 3) метод изотопного разбавления обладает высокой чувствительностью; при определении многих химических элементов достижима чувствительность от 10 - 6 до 10 - 12 г ; 4) метод изотопного разбавления является одним из наиболее точных методов определения содержаний химических элементов.  

Атомы, ядро которых содержит одинаковое число нейтронов, назвают изотопами: : Н - протий, 2D - дейтерий, 3Т - тритий. Химические свойства изотопов идентичны, некоторые физические свойства очень незначительно различаются.  

Однако уже к 1930 г. было обнаружено, что помимо атомов кислорода с массой 16 к. Химические свойства изотопов кислорода одинаковы, а физические хотя и не сильно, но разнятся, поэтому изотопный состав кислорода в различных природных соединениях неодинаков.  

Изотопные индикаторы - вещества, в которых какой-либо химический элемент имеет отличный от природного изотопный состав и которые применяются для маркировки атомов, молекул и других объектов. Химические свойства изотопов данного элемента одинаковы, благодаря чему введение меченых атомов не влияет на протекание физических, химических и биологических процессов. Присутствие радиоактивных изотопов обнаруживается по их радиоактивности. Такая маркировка позволяет, прослеживая перемещение радиоактивности, изучать количество меченого объекта - изотопа данного элемента в средах, в которых содержатся те же элементы, но другого изотопического состава. Например, нанесение железа, содержащего его радиоактивный изотоп Fe, на обыкновенное железо позволяет по распространению активности изучать диффузию железа в железе.  

Например, ядра атомов углерода всегда содержат 6 протонов, но нейтронов могут содержать либо б, либо. Так как химические свойства изотопов в подавляющем большинстве случаев практически тождественны, состав их природной смеси при реакциях обычно не изменяется.