--PAGE_BREAK--12. Проводя количественные измерения, например, определяя концентрацию радионуклида в растворе, всегда делайте хотя бы 2, а лучше 3 измерения независимых аликвот и активность определяйте как среднюю из 2 — 3 измерений. Затраты времени на «лишние» процедуры будут с лихвой компенсированы отсечением случайных «выбросов». Разброс в измерениях, особенно у начинающих исследователей, может достигать 200% и более, хотя в норме не должен превышать обычную ошибку рутинного отбора аликвот. 13. Ни один измерительный прибор не регистрирует 100% всех «распадов» (decompositions) в измеряемом образце. Эффективность счета — это коэффициент, который связывает зарегистрированные прибором импульсы (counts) и реальные распады (decompositions). Поэтому для любого измерения распады/мин. (dpm — decompositions per min.) больше импульсов/мин. (cpm — counts per min.). Правда, для большинства радионуклидов, применяемых в life science, эффективность жидкостного сцинтилляционного счета составляет более 90%. Однако, тритий удается измерять с эффективность не более 50ч60%. Обычно эффективность счета для каждого радионуклида указывается в технической документации к прибору, и долгое время негласное соревнование между фирмами за более высокую эффективность счета трития было чуть ли не главным двигателем технического прогресса в этой области. 14. Все измерительные приборы имеют собственный «фон» — регистрируют какое-то количество импульсов без источника ионизирующего излучения (радиоактивного препарата). Природа фона различна: космическое излучение, электронный шум, содержание природных радионуклидов в помещении, где установлена измерительная аппаратура и т.д. Поэтому минимально достоверная величина активности, измеряемая прибором, увязывается с фоном и обычно принимается равной трехкратному превышению фона данного прибора. Если в вашем «эпохальном» эксперименте активность «главного» образца едва-едва превышает фон, попытайтесь увеличить время измерения (можно до 20 мин.) — тогда достоверность измерения возрастёт. 15. В большинстве случаев в life science абсолютные измерения активности не нужны, и гораздо важнее получить информацию об относительной активности образцов: распределение активности по гелю, хроматографической пластинке или по элюированным с колонки продуктам; доля субстрата, превратившегося в продукт под действием фермента; доля лиганда, связанного с рецептором; детекция продуктов метаболизма соединения, меченного радионуклидом, и другие аналогичные задачи. Поэтому очень важно, чтобы условия приготовления и измерения образцов в конкретном эксперименте были одинаковыми, тогда абсолютные погрешности в измерениях не окажут существенного влияния на биологические результаты. Наиболее ярко эту относительность измерений иллюстрирует широкое использование минимониторов — приборов, предназначенных для определения загрязнения поверхностей рабочих столов, одежды и т.д. Небольшие карманные приборы, имеющие ионизационный счетчик (обычно это ионизационная камера или счетчик Гейгера), оказались очень удобными для детекции меченного фосфором-32 фрагмента ДНК в агарозном геле или меченного йодом-125 белка в ПААГ и т.п. Некоторые ухитряются по показаниям такого прибора оценивать включение меченых предшественников биосинтеза в биополимеры после разделения продуктов реакции, используют мониторы для измерения активности образцов на фильтрах, кусках фильтровальной или хроматографической бумаги и даже в пробирках. Это удобно и полезно для качественных и полуколичественных оценок, но следует помнить, что приборные ошибки в таких измерениях могут быть очень значительными и достигать 200—300%. Жидкостные сцинтилляционные счетчики уже многие годы остаются главным инструментом для количественного измерения радионуклидов в life science. Несмотря на разнообразие конструкций, с точки зрения пользователя, все они измеряют активность образцов, помещенных в специальный стеклянный или пластиковый флакон и заполненный жидким сцинтиллятором. Поскольку измерение активности сводится к подсчету вспышек света, жидкость во флаконе должна быть прозрачная для счета и гомогенная по составу. Все отклонения от этого требования снижают эффективность счета, причем иногда существенно. Образование осадка или двухфазной несмешивающейся жидкой системы, наличие образцов биологических тканей или фильтровальных материалов — все эти факторы снижают эффективность счета. То же самое касается добавок многих химических веществ: кислот, щелочей, концентрированных растворов сахаров, солей, мочевины и многое другое. Особенно это касается измерений трития, где разница в эффективности счета для гомогенного, почти идеального, образца и образца, нанесенного на хроматографический сорбент, может быть в 10ч30 раз и даже больше. Это необходимо учитывать, если при составлении баланса по активности вдруг куда-то исчезнет часть радиоактивного материала или откуда-то внезапно появится «лишнее». Составы сцинтилляторов весьма разнообразны и фирмы, производящие сцинтилляционные коктейли, часто не раскрывают их состав. Классический (едва ли не самым первый) жидкий сцинтиллятор — это толуольный раствор 2,5-дифенилоксазола (РРО) с добавкой 1,4-ди-[2-фенил-(5-окзазолил)]-бензола (РОРОР). Состав: 4 г РРО и 0,2 г РОРОР на 1 л толуола. Не вдаваясь в подробности, следует подчеркнуть, что это — неводная система, а водные растворы считать в таком сцинтилляторе не принято. Для измерения водных проб к такому сцинтиллятору добавляют тритон Х-100 до 30% по объему. Другим вариантом «водолюбивого» сцинтиллятора является диоксановый: 60 г нафталина, 4 г РРО, 0,2 г РОРОР, 200 мл спирта и до 1 л диоксан марки «сцинтиляционный». Впрочем, большинство исследователей сегодня успешно пользуются готовыми фирменными коктейлями, справедливо не задумываясь над их составом. Важными источниками ошибок для жидкостного сцинтилляционного счета являются «засветка» сцинтилляционной жидкости и электризация счетных флаконов. Оба эффекта легко нейтрализуются во времени (не спешите сразу считать, дайте пробам постоять в темном пространстве прибора несколько минут), кроме того, электризация почему-то чаще проявляется на стеклянных флаконах, и реже — на одноразовых пластиковых. Внедрение в технологию биоскрининга радиометрических методов анализа подвигло разработчиков на создание высокопроизводительных сцинтилляционных счетчиков для измерения активности в планшетах. Для радиоактивных изотопов фосфора прибор используется в модификации с внешним твердым сцинтиллятором, который и является детектором. Для трития твердый сцинтиллятор добавляют прямо в лунку планшета в виде специальных бусинок и, так как эти бусинки являются одновременно компонентом биохимической реакции, то связанный с «бусами» меченый тритием лиганд считается сцинтиллятором, а не связанный, находящийся в растворе, — не считается. С радиохимической точки зрения эффективность счета в таких измерениях очень низкая, но для биоскрининга важно относительное распределение меченых соединений в системе «связанный-несвязанный», а высокая производительность и простота операций оправдывают колоссальные затраты на реализацию таких методов. 2.3. Иммиджеры Очень полезной и эффективной оказалась «электронная авторадиография», возникшая сравнительно недавно, как результат развития микроэлектроники и компьютерной техники. Фосфоимиджер — прибор для «электронной авторадиографии» фосфора-32. Кассета с многократно используемым экраном экспонируется с плоским образцом: гелем, хроматографической пластинкой и т.п. Затем экран помещается в прибор, в котором с помощью лазерного сканирования определяется местоположение и активность радиоактивного материала, экспонировавшегося с экраном. Другая вариация на эту тему — это использование газопроточных счетчиков для «электронной авторадиографии». Представьте себе щетку для одежды, каждый волосок которой диаметром 0,2 мм является индивидуальным газопроточным счетчиком. Если вы совместите такую «щетку» общим размером 18 х 24 см с исследуемым плоским образцом, то на экране компьютера в реальном времени вы сможете наблюдать количественную картинку распределения «радиоактивных веществ» на плоскости вашего образца. Разные модификации такого прибора позволяют работать практически со всеми радионуклидами, которые применяются в life science. Эффективность счета в этих приборах, конечно, не может быть высокой, однако для практической работы в life science этот недостаток с лихвой компенсируется быстротой и удобством «электронной авторадиографии», а также возможностью получения результата сразу в электронном виде. 3. Классификация и номенклатура Все радиоактивные источники с технологической точки зрения делятся на закрытые и открытые. Закрытые источники — это радиоактивные препараты, помещенные в специальную защитную герметичную упаковку (как правило стальную), — предназначены для работ без вскрытия защитной оболочки. В молекулярно-биологических и биохимических исследованиях используют открытые источники — твердые, жидкие или газообразные радиоактивные вещества или их растворы. Практически все радиоактивные препараты, применяемые в life science — это растворы соединений, меченных радиоактивными изотопами. Для обозначения конкретного изотопа (в том числе и радиоактивного), согласно правилам номенклатуры, перед химическим символом элемента ставится надстрочечное число, обозначающее массу изотопа. Например, 14С — изотоп углерода с массой 14. В литературе допускается полное написание химического элемента и его массы через дефис, например, углерод-14. Обратите внимание, что пишется 14С, а произносится обычно С-14, т.е. для любого изотопа при написании первым всегда указывается массовое число изотопа над строкой, а затем символ химического элемента, а произносят наоборот: сначала элемент, затем масса изотопа. Соединения, меченные радиоактивными изотопами, делят на две группы веществ. Во-первых, это конкретные химические соединения, у которых один атом (или несколько) заменён на атом радиоактивного изотопа того же элемента, т.е. химически такое соединение идентично «немеченому». Во-вторых, это молекулы соединений, модифицированные с помощью радиоактивного фрагмента (или дополнительного радиоактивного атома), которые отличаются от исходного немеченого соединения. К последнему случаю относятся всевозможные конъюгаты и модификации биологических макромолекул с неопределенным местоположением радиоактивного атома, например, молекула иммуноглобулина с введенным изотопом радиоактивного йода-125. Более подробно об этом ниже. Для обозначения меченых соединений первой группы принято в обычное химическое наименование молекулы вставлять в квадратных скобках наименование изотопа, которым мечено соединение, и его место в молекуле перед названием части молекулы, содержащей меченый атом. В качестве примера ниже приведены наименования тимидин-5'-трифосфата, меченного различными радионуклидами и в разных положениях: 16. [6-3H] тимидин-5' трифосфат 17. [метил-3H] тимидин-5' трифосфат 18. [U-3H] тимидин-5' трифосфат 19. [5'-3H] тимидин-5' трифосфат 20. [6,2',3'-3H] тимидин-5' трифосфат 21. [2-14С] тимидин-5' трифосфат 22. [U-14С] тимидин-5' трифосфат 23. тимидин -5' [α-32P] трифосфат 24. тимидин -5' [γ-32P] трифосфат В примерах 3 и 7 место радиоактивного атома в молекуле обозначено U — это означает, что точное место радиоактивного атома неизвестно и, возможно, речь идет о равномерно меченой молекуле. Обычно такое бывает, если способ получения соединения заключался в выращивании микроорганизма на среде, обогащённой целевым изотопом, с последующим выделением нужного соединения из клеточного лизата. Подробнее методы получения меченых соединений обсуждаются в других разделах. В примерах 8 и 9 α и γ — это не тип радиоактивного распада, а местоположение радиоактивных атомов фосфора-32 в трифосфатной группе. Для наименования второй группы соединений обозначение радионуклида в квадратных скобках выносят перед наименованием молекулы: [125I]-альбумин — альбумин, меченный йодом-125 или [метил -3H]-альбумин — альбумин, меченный тритием за счет метилирования молекулы [3H]-метильной группой йодистого метила. 4. Основные радионуклиды в life science Список радиоактивных изотопов, которые используются в life science, вообще крайне ограничен самой природой. В состав органических соединений входят водород, углерод, кислород, азот, а также гораздо реже фосфор и сера. Следовательно, для получения немодифицированных меченых соединений круг возможных радионуклидов ограничен этими биогенными элементами. Их характеристики приведены в таблице 1. Радионуклид Период полураспада Удельная активность 100% изотопа Тип распада Энергия(max) [MeV] [mCi/mmol] [Бк/моль] 3H (тритий) 12.43 года 29.05 1,11x1015 β 0.0185 14C 5730 лет 0,062 2,3х1012 β 0.156 32P 14.3 дней 9104 0,33х1018 β 1.709 33P 25.4 дней 5138 0,19х1018 β 0.249 35S 87.4 дней 1491 0.5х1017 β 0.167 125I 60 дней 2167 0,8х1017 e.c. 0.25 К сожалению, радиоактивные изотопы кислорода и азота имеют совершенно неприемлемый для работы в life science период полураспада — от нескольких минут до миллисекунд. Такие ультра короткоживущие изотопы (УКЖ) уже применяются в медицине и технике, однако их использование в физико-химической биологии весьма проблематично. Перечень радионуклидов, которые могут использоваться (и используются) для получения модифицированных молекул, может быть существенно расширен. Такие модифицированные молекулы часто используются не только в life science, но и в медицине (как для диагностики, так и для терапии). Весьма популярны для медико-биологических работ радионуклиды технеция, хрома и других. В этом материале не будут рассматриваться медицинские аспекты применения меченых соединений, поэтому сосредоточимся на использовании радионуклидов, приведенных в таблице 1. Следует заметить, что все радионуклиды из таблицы 1 являются β-излучателями, кроме 125I, который «затесался» в этот список скорее в знак «особых заслуг», о которых ниже будет отдельная глава. На самом деле 125I для меченых соединений практически не используется, так как в живых организмах особого разнообразия молекул, содержащих йод, не наблюдается. продолжение --PAGE_BREAK--Вообще, «идеальный радионуклид» для life science должен отвечать следующим критериям: 25. Элемент должен входить в состав всех органических молекул. Это понятно, так как делает возможным введение «меченого атома» в любую молекулу. 26. Период полураспада «идеального радионуклида» 10ч100 дней. Это будет соответствовать теоретической молярной активности в диапазоне 1018ч1017 Бк/моль и сможет обеспечить высокую чувствительность метода. 27. Чистый β-излучатель с максимальной энергией излучения не более 0,4 Мэв.Это позволяет сравнительно просто детектировать радионуклид и в тоже время сохраняет высокое разрешение методов, связанных с авторадиографической детекцией меченых продуктов. К сожалению, ни один из приведенных в таблице радионуклидов не соответствует «идеалу». Тритий и углерод имеют слишком большой период полураспада, т.е. низкую молярную активность (особенно, углерод), а очень низкая энергия излучения трития сильно осложняет его детекцию и радиометрию. Весьма удобные ядерно-физические характеристики радиоактивных изотопов фосфора и серы не могут компенсировать ограниченность распространения этих элементов в органических молекулах. Поэтому выбор радионуклида, который предполагается использовать для исследования, приходится делать с учетом разных факторов, которые подробно разбираются ниже. Все приведенные в таблице радионуклиды — искусственные, реакторные изотопы. В природе существуют радиоактивные изотопы 3H и 14C, но их содержание очень низкое, и препаративное выделение таких изотопов как сырья для синтеза меченых соединений является задачей с экономической точки зрения абсолютно разорительной. Кратко способы получения радионуклидов из таблицы 1 будут сообщены в соответствующих разделах. 5. Технические характеристики меченых соединений Все препараты меченых соединений, которые используются в life science, имеют технические характеристики, подробно указанные фирмой-производителем в паспорте (сертификате) и кратко — на флаконе с препаратом. Ниже подробно разбираются термины технических характеристик и их значение. 5.1. Радионуклидная чистота [ % ] Это характеристика радиоизотопной чистоты препарата. Для большинства радионуклидов, применяемых в life science, не очень важна. Примеси других радионуклидов в тритиевых или 35S соединениях отсутствуют. Однако, для соединений, меченных фосфором-33, это важнейшая характеристика, т.к. часто наличие примеси фосфора-32 более 2ч3% делает препарат фосфора-33 весьма сомнительным по качеству с точки зрения многих методик. Иногда фирмы-производители искусственно «подогревают» интерес биохимиков к препаратам с очень высокой радионуклидной чистотой. Например, у йода много радиоактивных изотопов со своими индивидуальными ядерно-физическими характеристиками. Самый популярный в life science радиоизотоп йода — 125I. Фирма «Амершам» (Amersham) очень гордится тем, что предлагает исследователям 125I с очень высокой радионуклидной чистотой — содержание примесного 126I менее 0,01%. В то же время, практически для всех исследований в life science, включая радиоиммуноанализ, эта характеристика не является важной, и содержание других радиоактивных изотопов йода в целевом 125I может быть 0,1% и даже 1% без какого-либо ущерба для биологического осмысления полученных результатов. 5.2. Радиохимическая чистота [ % ] Радиохимическая чистота (РХЧ) — это содержание основного вещества, которое определяется обычно хроматографически (ВЭЖХ или ТСХ) в двух разных системах (условиях). Как правило, РХЧ не ниже 95%. Для большинства исследователей в life science РХЧ начинает представлять интерес, когда они «угробили» эксперимент и пытаются понять почему это произошло. 5.3. Объемная активность [МБк/мл (мКи/мл)] Иногда объемную активность называют концентрацией радиоактивности (radioactive concentration), что вполне отражает суть. На все производимые меченые соединения в паспорте (сертификате) обязательно указывается дата паспортизации и «reference data» — дата, на которую дается значение объемной активности. Большинство препаратов для life science, особенно соединения, меченные фосфором-32 или 33, имеют высокую объемную активность, и перепроверять (перемерять) заново величину, указанную в паспорте, просто жалко — слишком большой расход материала. Так что исследователи просто рассчитывают необходимую им для работы активность, исходя их данных паспорта с учетом периода полураспада используемого радионуклида. Естественно, что учет распада радионуклида проводится для короткоживущих радиоактивных изотопов: фосфора, серы и йода, а для трития, и тем более для 14С этого не делают. 5.4. Молярная активность [Бк/моль (Ки/ммоль)] Молярная активность — это активность одного моля вещества, содержащего какой-то радионуклид. Устаревшие единицы измерения Ки/ммоль по-прежнему используются и даже чаще, чем современные Бк/моль. Это просто удобнее, т.к. величина высокой молярной активности (например, фосфора-32), выраженная в Бк/моль, часто вызывает у биологов панику. Сравните: 5000 Ки/ммоль равно 1,85х1017 Бк/моль. В зарубежной научной литературе чаще используется термин «специфическая активность» (specific activity), который является синонимом молярной активности. В русскоязычной литературе существует термин «удельная активность» — активность одного грамма (иногда микрограмма) вещества, содержащего радионуклид. Обычно такая характеристика дается соединениям, молекулярный вес которых не определен или не известен. Например, препараты биополимеров (ДНК, РНК, белков) обычно характеризуют удельной активностью — активностью одного микрограмма вещества. В англоязычной литературе термин «специфическая активность» (specific activity) означает и молярную, и удельную активность. Молярная активность — важнейшая характеристика меченого соединения, причем по нескольким причинам. Во-первых, вы можете оценить долю собственно меченых соединений в препарате, предложенном вам для работы. Например, если препарат L-[35S]-метионина имеет молярную активность 300 Ки/ммоль, то, учитывая теоретическую молярную активность (1491 Ки/ммоль) для серы-35, нетрудно подсчитать, что в препарате только пятая часть молекул содержит изотоп 35S (300: 1491 = 1/5), а остальные — «холодные» молекулы — не содержат радиоактивных атомов. Во-вторых, можно подсчитать молярную концентрацию меченого препарата. Для этого надо разделить объемную активность препарата (Ки/мл) на его молярную активность (Ки/ммоль) и получить концентрацию вещества в растворе в ммоль/мл (моль/л). Только будьте внимательны к единицам и множителям, чтобы не разделить объемную активность в мКи/мл на молярную активность в Бк/моль (или наоборот). В-третьих, вы можете оценить предельно достижимую для вашего препарата чувствительность обнаружения соединения. Так, если ваш препарат [γ-32P] ATP имеет молярную активность 1000 Ки/ммоль, то, учитывая границу достоверной количественной регистрации фосфора-32 в 10-10 Ки, вы сможете определить 10-10 / 103= 10-13 ммоль, т.е. 10-16 моль вещества. К сожалению, эта замечательная чувствительность на практике часто остается недостижимой, т.к. в количественных измерениях в life science обычно «биологический фон» эксперимента гораздо выше физического или приборного. Это подробно будет обсуждаться на примере использования соединений, меченных фосфором-32. Следует подчеркнуть один очень интересный феномен, связанный с молярной активностью. Если молярная активность меченого препарата близка к теоретически возможной (более 90% от максимальной), то, независимо от периода полураспада радионуклида, величина молярной активности препарата будет практически постоянной. Это хорошо видно на примере 33Р-ортофосфорной кислоты с молярной активностью около 5000 Ки/ммоль. Действительно, согласно схеме радиоактивного распада фосфор-33 превращается в серу-33 и, следовательно, вместе с убыванием количества радиоактивных атомов (распадом) убывает (уменьшается) количество молекул фосфорной кислоты, т.к. из фосфорной h433РO4 образуется серная (h333SO4). 6. Радионуклид 3Н (тритий) Тритий — радиоактивный изотоп водорода, «чистый» β-излучатель, который легко нарабатывается в реакторе в значительном количестве. Схема распада: 3Н —> e + 3He Для life science тритий является самым востребованным и удобным радионуклидом по нескольким соображениям. Во-первых, практически любую органическую молекулу можно пометить тритием (лишь бы содержала водород). Во-вторых, тритий легко вводится в разные соединения, и химия этих процессов разработана лучше, чем для любого другого радионуклида. В-третьих, тритий — это самый дешевый радионуклид, из используемых в life science. Есть прекрасная подробная монография по синтезу соединений, меченных тритием, (В.П. Шевченко, И.Ю. Нагаев, Н.Ф. Мясоедов, «Меченные тритием липофильные соединения» Москва, изд. «Наука» 2003г.), поэтому я только кратко перечислю основные методы получения 3Н-соединений. 28. Химический синтез гидрированием 3Н2 ненасыщенных связей, дегалоидирование и восстановление гидроксильных или карбонильных соединений. 29. Каталитический или термоактивированный водородный обмен. 30. Модификация соединений с помощью 3Н-метильных или 3Н-ацетильных групп. 31. Гидрирование Li[B3h5] или Li[Al3h5] 32. Введение 3Н за счет тритиевой воды (гидролиз или обмен). 33. Ферментативный синтез из 3Н-меченых предшественников. Можно добавить биосинтез — выращивание микроорганизмов на среде, содержащей 3Н-предшественник (например, [метил-3H] тимидин, для получения меченой ДНК), с последующим выделением целевого соединения. Однако, этот способ достаточно специфический и обычно применяется только в лабораторной практике для получения биополимеров. Исторически так сложилось, что меченые тритием компоненты нуклеиновых кислот и аминокислоты стали инструментами для нескольких поколений ученых. Позднее к тритию добавился фосфор-32 (и фосфор-33) для нуклеиновых кислот и сера-35 для белков, и доля работ с тритием в этих направлениях снизилась. Для исследователей липидов, простагландинов, гормонов, углеводов, антибиотиков, витаминов и многих других классов соединений, тритий — главный (часто единственно доступный) инструмент повышения чувствительности методов. Это же касается исследований рецепторов, модуляторов и вообще «сигнальных» систем организмов. Поэтому тритий, не имеющий пока особых альтернатив, по-прежнему, остается основным «рабочим» радионуклидом в life science. Главным недостатком трития является трудность его детекции и количественного измерения из-за слишком «слабого» β-излучения. Наиболее эффективный способ измерения — жидкостной сцинтилляционый счет, о котором более подробно дана информация в разделе 2.2. Особо следует подчеркнуть, что именно для трития снижение эффективности счета («гашение») играет существенную роль в количественных измерениях. Авторадиография тритиевых соединений тоже имеет ряд специфических особенностей. Прямая детекция β-излучения трития фоточувствительным материалом — процесс очень долгий и используется редко. Зато была предложена оригинальная модификация, согласно которой образец, содержащий тритий, обрабатывается сцинтилляционными веществами, и авторадиография превращается в своеобразную «автофлюорографию». Для пластин ТСХ — это опрыскивание раствором РРО, который уже упоминался в разделе «жидкостной сцинтилляционный счет». После высушивания такая пластинка экспонируется с рентгеновской плёнкой, и далее — как обычно. Для ПААГ предложена процедура пропитки геля тем же РРО. Сначала приходится заместить воду в геле на диметилсульфоксид (DMSO), т.к. РРО нерастворим в воде. Затем гель пропитывают раствором РРО в DMSO, после чего обратно замещают DMSO на воду (РРО выпадает в геле в осадок и гель становиться белым). После всех этих процедур гель высушивают и экспонируют с рентгеновской пленкой. «Занудность» этих операций окупается сторицей — получается возможность детекции продуктов, меченных тритием, (например пептидов, меченных 3Н-лейцином) сразу после электрофореза в ПААГ. Еще одна «деликатная» сторона использования соединений, меченных тритием, — это химическая стабильность таких соединений. Как ни странно на первый взгляд, но радиолиз — химическое разрушение молекул под действием ионизирующего излучения — именно для соединений трития играет весьма существенную роль. Это важно помнить, т.к. большой период полураспада (12 лет) якобы позволяет использовать синтезированные вещества в течение месяцев ( а иногда и лет) с момента паспортизации. Здесь надо быть очень осторожным, т.к. часто при неправильных условиях хранения вместо целевого соединения остается сложнейшая смесь продуктов радиолиза, где нужного соединения не более трети. Типичная ошибка — хранение водного раствора тритиевого соединения в замороженном виде. В замороженном виде высокомеченные тритием соединения «рассыпаются» гораздо быстрее, чем в растворе. Поэтому для длительного хранения меченых тритием соединений при -20°С обязательно добавляют спирт или другой «антифриз», препятствующий замерзанию раствора. С химической стабильностью соединений трития связана еще одна проблема. Устойчивость химической связи водорода (любого изотопа водорода) с другими атомами в молекуле зависит от природы этой связи. Соответственно, возможность обмена водорода в молекуле меченого соединения с растворителем, например с водой, обязательно надо учитывать. Водород карбоксильной группы в воде за счет электролитической диссоциации обменивается мгновенно, а водород в алкильном или арильном фрагменте молекулы обменивается очень трудно — при нормальных условиях обмена нет. Между этими «крайними» примерами находится огромное многообразие молекул с разной способностью к «водородному обмену», и для разных биохимических процессов вопрос о стабильности тритиевой метки может быть или чрезвычайно актуальным или совершенно несущественным. 7. Радионуклид 14C Радионуклид 14C получают облучением нитрида алюминия по реакции: 14N + 0n —> 14C + 1p в виде 14C-карбида. Из него 14C выделяют в виде 14CО2, который обычно поглощают Ba(OH)2, и полученный 14C-карбонат является основным радиоактивным сырьем для всех синтезов 14C-соединений. Всё обилие 14C-меченых соединений в каталогах разных фирм-производителей синтезируется двумя путями: 34. Биосинтез. В питательную среду к микроорганизмам (обычно это водоросли типа хлореллы) добавляют 14CО2 в качестве единственного источника углерода. После выращивания из биомассы выделяют равномерно меченые 14C-соединения. Таким путем получают аминокислоты, нуклеозиды, сахара, липидные компоненты и другие природные соединения. Иногда 14C-биомассу водорослей используют как источник углерода (своего рода меченый пептон) для выращивания штамма-продуцента какого-нибудь важного соединений. 35. Химический синтез. Синтез всего многообразия органических веществ из карбоната — классическая задача органической химии. Знаменитые цепочки превращений органических соединений (кошмар многих поколений студентов и школьников) в полной мере реализованы в синтезе 14C-соединений. Все органические соединения, которые не удается получить биосинтезом, синтезируют химически. продолжение --PAGE_BREAK--
www.ronl.ru
В природе встречаются атомные ядра одного и того же химического элемента с одинаковыми зарядами (число Z), но с различными массовыми числами (число А).Английский ученый Ф.Содди предложил назвать такие ядра изотопами.
Все изотопы одного и того же химического элемента стоят в одной клетке таблицы Менделеева.
Так как заряды ядра изотопов одного химического элемента одинаковы, они имеют одинаковое строение электронных оболочек, и следовательно, обладают одинаковыми химическими свойствами.
Из-за разного числа нейтронов ядра различных изотопов одного и того же химического элемента обладают разными массами и могут отличаться по физическим свойствам, например, по способности к радиоактивному распаду.
Изотопы могут быть не только у радиоактивных веществ. Исследования показали, что изотопы имеются у всех химических элементов.Так у кислорода - 3 стабильных изотопа, у свинца - 10, у урана - 8 (и все они нестабильны).
В природе изотопы перемешаны: например, в 1 г вещества могут присутствовать одновременно атомы этого элемента с разной массой ядра, т.е. различные изотопы.
У изотопов массовые числа представляют собой целые числа. А в таблице Менделеева массовое число химического элемента является дробным, т.к. это среднеарифметическое значение массовых чисел всех изотопов данного химического элемента.
Вспомни тему "Атомная физика" за 9 класс:
Радиоактивность -- Радиоактивные превращения -- Состав атомного ядра. Ядерные силы -- Энергия связи. Дефект масс -- Деление ядер урана -- Ядерная цепная реакция -- Ядерный реактор -- Термоядерная реакция
Ох, уж эти физики!
Как известно, Д.И.Менделеев, составляя периодическую таблицу химических элементов, оставлял пустые места для еще не открытых, но, по его убеждению, существующих в природе элементов. В настоящее время почти все клетки таблицы, кроме первой, уже заполнены. В первую клетку своей таблицы Менделеев поместил атом эфира.
___
В своем выступлении на конференции по ускорителям (октябрь 1968 г., Москва) академик М.А. Марков привел слова Жолио-Кюри: «Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии».
___
Резерфорд демонстрировал слушателям распад радия. Экран то светился, то темнел.- Теперь вы видите, – сказал Резерфорд, – что ничего не видно. А почему ничего не видно, вы сейчас увидите.
___
Над дверью своего деревенского дома Бор прибил подкову, которая, согласно поверию, должна приносить счастье. Увидев подкову, один из посетителей воскликнул: «Неужели такой великий ученый, как вы, может действительно верить, что подкова над дверью приносит удачу?» – «Нет, – ответил Бор, – конечно, я не верю. Это предрассудок. Но, вы знаете, говорят, она приносит удачу даже тем, кто в это не верит».
___
Австрийско-швейцарский физик Вольфганг Паули был стопроцентным теоретиком. Его неспособность обращаться с любым экспериментальным оборудованием вошла у друзей в поговорку. Утверждали даже, что ему достаточно просто войти в лабораторию, чтобы в ней что-нибудь сразу же переставало работать. Это мистическое явление окрестили «эффектом Паули» (в отличие от знаменитого «принципа Паули» в квантовой теории). Из документально зарегистрированных проявлений эффекта Паули самым поразительным, несомненно, является следующий. Однажды в лаборатории Джеймса Франка в Геттингене произошел настоящий взрыв, разрушивший дорогую установку. Время этого ЧП было точно зафиксировано. Как потом оказалось, взрыв произошел именно в тот момент, когда поезд, в котором Паули следовал из Цюриха в Копенгаген, остановился на 8 минут в Геттингене.
___
Нильс Бор любил ходить в кино, причем из всех жанров признавал только один – ковбойские вестерны. Когда Бор по вечерам начинал жаловаться на усталость и рассеянность и говорил, что «надо что-то предпринять», все его ученики знали, что лучший способ развлечь профессора – сводить его на что-нибудь вроде «Одинокого всадника» или «Схватки в заброшенном ранчо».
После одного из таких просмотров, когда по дороге домой все подсмеивались над непременной и избитой ситуацией – герой всегда хватается за револьвер последним, но успевает выстрелить первым, – Бор неожиданно стал утверждать, что так на самом деле и должно быть.
Он развил теорию, согласно которой злодей, собирающийся напасть первым, должен сознательно выбрать момент, когда начать движение, и это замедляет его действия, тогда как реакция героя – акт чисто рефлекторный, и потому он действует быстрее.
С Бором никто не соглашался, разгорелся спор. Чтобы разрешить его, послали в лавку за парой игрушечных ковбойских револьверов. В последовавшей серии «дуэлей» Бор, выступая в роли положительного героя, «перестрелял» всех своих молодых соперников!
Трудно себе представить, что привлекало Бора в этих картинах. «Я вполне могу допустить, – говорил он, – что хорошенькая героиня, спасаясь бегством, может оказаться на извилистой и опаской горной тропе. Менее вероятно, но все же возможно, что мост над пропастью рухнет как раз в тот момент, когда она на него ступит. Исключительно маловероятно, что в последний момент она схватится за былинку и повиснет над пропастью, но даже с такой возможностью я могу согласиться. Совсем уж трудно, но все-таки можно поверить в то, что красавец ковбой как раз в это время будет проезжать мимо и выручит несчастную. Но чтобы в этот момент тут же оказался оператор с камерой, готовый заснять все эти волнующие события на пленку, – уж этому, увольте, я не поверю!»
Вверх
class-fizika.ru
Муниципальное общеобразовательное учреждение «Побединская средняя общеобразовательная школа» Шегарский район Томская область
ГОСУДАРСТВЕННАЯ (ИТОГОВАЯ) АТТЕСТАЦИЯ ВЫПУСКНИКОВ IX КЛАССОВ
РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ
ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ. ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ
Выполнил: Дадаев Аслан, ученик 9 класса
Руководитель: Гагарина Любовь Алексеевна, учитель физики
п. Победа 2010
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение……………………………………………………………… стр.1
2. Явление радиоактивности………..………………………… стр.2
2.1.Открытие радиоактивности…………………………… стр.2
2.2. Источники радиации…………………………………………… стр.6
3. Получение и применение радиоактивных изотопов……………… стр.8
3.1.Использование изотопов в медицине……………………… стр.8
3.2. Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве………………стр.10
3.3.Радиационная хронометрия……………………………………стр.11
3.4. Применение радиоактивных изотопов в промышленности… стр.12
3.5. Использование изотопов в науке……………………………… стр.12
4. Заключение…………………………………………………………… стр.13
5. Литература …………………………………………………………… стр.14
ВВЕДЕНИЕ
Представление об атомах как неизменных мельчайших частицах вещества было разрушено открытием электрона, а также явления естественного радиоактивного распада, открытого французским физиком А. Беккерелем. Значительный вклад в изучение этого явления внесли выдающиеся французские физики Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри.
Естественная радиоактивность существует миллиарды лет, она присутствует буквально повсюду. Ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Любой человек слегка радиоактивен: в тканях человеческого тела одним из главных источников природной радиации являются калий — 40 и рубидий — 87, причем не существует способа от них избавиться.
Путем осуществления ядерных реакций при бомбардировке ядер атомов алюминия а – частицами известным французским физикам Фредерику и Ирен Кюри – Жолио в 1934 году удалось искусственно создать радиоактивные ядра. Искусственная радиоактивность принципиально ничем не отличается от естественной и подчиняется тем же законам.
В настоящее время искусственные радиоактивные изотопы получают разными способами. Наиболее распространенным является облучение мишени (будущего радиоактивного препарата) в ядерном реакторе. Возможно облучение мишени заряженными частицами в специальных установках, где частицы ускоряются до больших энергий.
Цель: выяснить в каких областях жизнедеятельности используют явление радиоактивности.
Задачи:
· Изучить историю открытия радиоактивности.
· Выяснить, что происходит с веществом при радиоактивном излучении.
· Выяснить, как получить радиоактивные изотопы и где они применятся.
· Развивать навык работы с дополнительной литературой.
· В компьютерном исполнении выполнить презентацию материала.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
2.Явление радиоактивности
2.1.Открытие радиоактивности
История радиоактивности началась с того, как в 1896 году французский физик Анри Беккерель занимался люминесценцией и исследованием рентгеновских лучей.
Открытие радиоактивности, наиболее яркое свидетельство сложного строения атома.
Комментируя открытие Рентгена ученые выдвигают гипотезу о том, что рентгеновские лучи испускаются при фосфоресценции независимо от наличии катодных лучей. А. Беккерель решил проверить эту гипотезу. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем соли урана. Дав четырехчасовую выдержку на солнечном свете, Беккерель проявил фотопластинку и увидел на ней точный силуэт металлической фигурки. Он повторил опыты с большими вариациями, получая отпечатки монеты, ключа. Все опыты подтвердили проверяемую гипотезу, о чем Беккерель доложил 24 февраля на заседании академии наук. Однако Беккерель не прекращает опыты, готовя все новые варианты.
Анри Беккерель Вельгельм Конрад Рентген
26 февраля 1896 года погода над Парижем испортилась и подготовленные фотопластинки с кусочками урановой соли пришлось положить в темный ящик стола до появления солнца. Оно появилось над Парижем 1 марта, и опыты можно было продолжить. Взяв пластинки, Беккерель решил их проявить. Проявив пластинки, ученый увидел на них силуэты урановых образцов. Ничего не понимая, Беккерель решил повторить случайный опыт.
2
Он уложил в светонепроницаемую коробку две пластинки, насыпал на них урановую соль, положив предварительно на одну из них стекло, а на другую – алюминиевую пластинку. Пять часов все это находилось в темной комнате, после чего Беккерель проявил фотопластинки. И что же – силуэты образцов вновь четко видны. Значит, какие – то лучи образуются в солях урана. Они похожи на Х – лучи, но откуда они берутся? Ясно одно, что связи между Х – лучами и фосфоресценцией нет.
Об этом он доложил на заседании академии наук 2 марта 1896 года, совершенно сбив с толку всех ее членов.
Беккерель установил также, что времени с течением интенсивность излучения одного и того же образца не меняется и что новое излучение способно разряжать наэлектризованные тела.
Большинство членов Парижской академии после очередного доклада Беккереля на заседании 26 марта поверили в его правоту.
Открытое Беккерелем явление получило название радиоактивности, по предложению Марии Склодовской – Кюри.
Мария Склодовская – Кюри
Радиоактивность — способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению.
В 1897 году Мария занимаясь докторской диссертацией, выбрав тему для исследования – открытие Беккереля (Пьер Кюри посоветовал выбрать жене эту тему), решила найти ответ на вопрос: что является подлинным источником уранового излучения? С этой целью она решает исследовать большое количество образцов минералов и солей и выяснить, только ли уран обладает свойством излучать. Работая с образцами тория, она обнаруживает, что он, подобно урану, дает такие же лучи и примерно такой же интенсивности. Значит, данное явление оказывается свойством не только урана, и ему надо дать особое название. Уран и торий назвали радиоактивными элементами. Работа продолжалась с новыми минералами.
3
Пьер, как физик, чувствует важность работы и, оставив временно исследование кристаллов, начинает работать вместе с супругой. В результате данной совместной работы были открыты новые радиоактивные элементы: полоний, радий и др.
25 июня 1903 года в маленькой аудитории Сорбонны Мария Кюри защищает докторскую диссертацию.
В ноябре 1903 года Королевское общество присудило Пьеру и Марии Кюри одну из высших научных наград Англии – медаль Дэви.
13 ноября супруги Кюри одновременно с Беккерелем получают телеграмму из Стокгольма о присуждении им троим Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности.
Дело, начатое супругами Кюри, подхватили их ученики, среди которых была дочь Ирен и зять Фредерик Жолио, ставшие в 1935 году лауреатами Нобелевской премии за открытие искусственной радиоактивности.
Ирен и Фредерик Кюри — Жолио
Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на a-частицы, b-частицы и g-лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны).
4
Э.Резерфорд Ф.Содди
Некоторое время спустя в результате исследования различных физических характеристик и свойств этих частиц (электрического заряда, массы и др.) удалось установить, что b – частица представляет собой электрон, а а – частица – полностью ионизированный атом химического элемента гелия (т.е. атом гелия, потерявший оба электрона).
Кроме того выяснилось, что радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц.
Так, например, было найдено несколько разновидностей атомов урана: с массами ядер, приблизительно равными 234 а.е.м., 235 а.е.м., 238 а.е.м. и 239 а.е.м. Причем все эти атомы обладали одинаковыми химическими свойствами. Они одинаковым образом вступали в химические реакции, образуя одни и те же соединения.
При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами.
При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение. Эти лучи бывают разных видов и обладают различной проникающей способностью. Например, поток нейтронов проникает через слой свинца толщиной в несколько метров.
5
2.2. Источники радиации
Радиация весьма многочисленна и разнообразна, однако можно выделить около семи основных её источников.
Первым источником является наша Земля. Эта радиация объясняется наличием в Земле радиоактивных элементов, концентрация которых в разных местах изменяется в широких пределах.
Второй источник радиации – космос, откуда на Землю постоянно падает поток частиц высокой энергии. Источниками образования космического излучения являются звёздные взрывы в Галактике и солнечные вспышки.
Третий источник радиации – это радиоактивные природные материалы, используемые человеком для строительства жилых и производственных помещений. В среднем мощность дозы внутри зданий на 18% — 50% больше, чем снаружи. Внутри помещений человек проводит три четверти своей жизни. Человек, постоянно находящийся в помещении, построенном из гранита, может получить — 400 мбэр/год, из красного кирпича –189 мбэр/год, из бетона – 100мбэр/год, из дерева – 30 мбэр/год.
Четвертый источник радиоактивности населению малоизвестен, но не менее опасен. Это радиоактивные материалы, которые человек использует в повседневной деятельности.
— В состав красок для печати банковских чеков включают радиоактивный углерод, обеспечивающий легкую идентификацию подделанных документов.
— Для получения краски или эмали на керамике или драгоценностях применяется уран.
— Уран и торий используют при производстве стекла.
— Искусственные зубы из фарфора усиливаются ураном и церием. При этом — излучение на прилегающие к зубам слизистые оболочки может достичь 66 бэр/год, тогда как годовая норма для всего организма не должна превышать 0,5 бэр ( т.е. в 33 раза больше)
— Экран телевизора излучает на человека 2-3 мбэр/год.
Пятый источник – предприятия по транспортировке и переработке радиоактивных материалов.
Шестым источником радиации являются атомные электростанции. На АЭС,
6
кроме твердых отходов, имеются также жидкие (зараженные воды из контуров охлаждения реакторов) и газообразные содержащемся в углекислом газе, используемом для охлаждения.
Седьмой источник радиоактивного излучения — это медицинские установки. Несмотря на обычность их использования в повседневной практике, опасность облучения от них намного больше, чем от всех рассмотренных выше источников и достигает иногда десятков бэр. Один из распространенных способов диагностики — рентгеновской аппарат. Так, при рентгенографии зубов — 3 бэр, при рентгеноскопии желудка — столько же, при флюорографии — 370 мбэр.
Что же происходит с веществом при радиоактивном излучении?
Во – первых, удивительное постоянство, с которым радиоактивные элементы испускают излучения. На протяжении суток, месяцев, лет интенсивность излучения заметно не изменяется. На него не оказывает влияние нагревание или увеличение давления, химические реакции в которые вступал радиоактивный элемент, так же не влияли на интенсивность излучения.
Во – вторых, радиоактивность сопровождается выделением энергии, и она выделяется непрерывно на протяжении ряда лет. Откуда же берется эта энергия? При радиоактивности вещество, испытывает какие – то глубокие изменения. Было сделано предположение, что превращения претерпевают сами атомы.
Наличие одних и тех же химических свойств означает, что все эти атомы имеют одинаковое число электронов в электронной оболочке, а значит, и одинаковые заряды ядер.
Если заряды ядер атомов одинаковы, значит, эти атомы принадлежат одному и тому же химическому элементу (несмотря на различия в их массах) и имеют один и тот же порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева. Разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер назвали изотопами .
7
3. Получение и применение радиоактивных изотопов
Радиоактивные изотопы, встречающие в природе, называются естественными. Но многие химические элементы встречаются в природе только в стабильном (т.е. радиоактивном) состоянии.
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. Существует отрасль промышленности, специализирующаяся на производстве таких элементов.
Впоследствии был получены искусственные изотопы всех химических элементов. Всего в настоящее время известно примерно 2000 радиоактивных изотопов, причем 300 из них – естественные.
В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяют в различных сферах научной и практической деятельности: техника, медицина, сельское хозяйство, средства связи, военной области и в некоторых других. При этом часто используют так называемый метод меченых атомов.
3.1.Использование изотопов в медицине
Применение изотопов, одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченых атомов», явилось исследование обмена веществ в организмах.
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 человека в крайне малых количествах (безопасное для здоровья), не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Кровью они неравномерно распределяются по всему организму. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют приборами (специальными счетчиками частиц, фотографированием), расположенных вблизи тела человека. В результате можно получить изображение какого –либо внутреннего органа. По этому изображению можно судить о размерах и форме этого органа, о повышенной или пониженной концентрации изотопа в
8
различных его частях. Можно также оценить функциональное состояние (т.е. работу) внутренних органов по скорости накопления и выведения ими радиоизотопа.
Так, состояние сердечного кровообращения, скорости кроветока, изображение полостей сердца определяют с помощью соединений, включающих изотопы натрия, иода, технеция; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют изотопы технеция, ксенона; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с изотопом иода используют для диагностики различных воспалительных процессов в легких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной железы.
Использование изотопов в медицине
Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бенгал-роз с изотопом иода, золота. Изображение кишечника, желудка получают, используя изотоп технеция, селезёнки применяя эритроциты с изотопом технеция или хрома; с помощью изотопа селена диагностируют заболевания поджелудочной железы. Все эти данные позволяют поставить правильный диагноз заболевания.
С помощью метода «меченых атомов» исследуют также различные отклонения в работе системы кровообращения, обнаруживают опухоли (поскольку именно в них накапливаются некоторые радиоизотопы). Благодаря этому методу было обнаружено, что за сравнительно короткое время организм человека почти полностью обновляется. Исключение является лишь железо, входящее в состав крови: оно начинает усваивается организмом из пищи только тогда, когда ег запасы иссякают.
9
Важное значение при выборе изотопа имеет вопрос о чувствительности метода изотопного анализа, а также о типе радиоактивного распада и энергии излучения.
В медицине радиоактивные изотопы используются не только для диагностики, но и для лечения некоторых заболеваний, например раковых опухолей, базедовой болезни и др.
В связи с применением очень малых доз радиоизотопов лучевое воздействие на организм при радиационной диагностике и лечении не представляет опасности для пациентов.
3.2. Радиоактивные изотопы 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 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. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из разных сортов удобрения.
Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется бета — радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада Т=5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединяясь с кислородом, этот углерод образует, углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными.
Изотопы широко используются для определения физических свойств почвы
10
и запасов в ней элементов пищи растений, для изучения взаимодействия почвы и удобрений, процессов усвоения растениями питательных элементов, поступления в растения минеральной пищи через листья. Пользуются изотопами для выявления действия на растительный организм пестицидов, что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод изотопов, исследуют важнейшие биологические свойства с/х культур (при оценке и отборе селекционного материала) урожайность, скороспелость, хладостойкость.
В животноводстве изучают физиологические процессы, протекающие в организме животных, проводят анализ кормов на содержание токсичных веществ (малые дозы которых трудно определить химическими методами) и микроэлементов. При помощи изотопов разрабатывают приёмы автоматизации производственных процессов, например отделение корнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.
3.3.Радиационная хронометрия
Некоторые радиоактивные изотопы можно с успехом использовать для определения возраста различных ископаемых (радиационная хронометрия ). Наиболее распространенный и эффективный метод радиационной хронометрии основан на измерении радиоактивности органических веществ, которая обусловлена радиоактивным углеродом (14С).
Исследования показали, что в каждом грамме углерода в любом организме за минуту происходит 16 радиоактивных бета-распадов (точнее, 15,3 ± 0,1). По истечении 5730 лет в каждом грамме углерода будет распадаться уже только 8 атомов в минуту, через 11 460 лет — 4 атома.
Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати бета — частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50000 и даже до 100000 лет.
Число радиоактивных распадов, т. е. радиоактивность исследуемых образцов, измеряют детекторами радиоактивного излучения.
Таким образом, измерив в определенном весовом количестве материала исследуемого образца число радиоактивных распадов за минуту и пересчитав это число на грамм углерода, мы можем установить возраст объекта, из которого взят образец. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.
11
3.4. Применение радиоактивных изотопов в промышленности
Одним из примеров 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.
Изотопы также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счетчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счета более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов.
3.5. Использование изотопов в науке
Использование изотопов в биологии привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ карбонатов, нитратов, фосфатов и др. С помощью изотопов изучено перемещение 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 др. мелких животных и получить данные о численности их популяций.
В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, 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 нервную и мышечные ткани, кальция в кости). Использование «меченой» пищи привело к новому представлению о скоростях всасывания и распространения пищевых веществ, об их «судьбе» в организме и помогло проследить за влиянием внутренних и внешних факторов (голодание, асфиксия, переутомление и т. д.) на обмен веществ.
12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выдающиеся французские физики Мария Склодовская – Кюри и Пьер Кюри, их дочь Ирен и зять Фредерик Жолио и многие другие ученые не только внесли большой вклад в развитие ядерной физики, но были страстными борцами за мир. Они вели значительную работу по мирному использованию атомной энергии.
В Советском Союзе работы над атомной энергией начались в 1943 году под руководством выдающегося советского ученого И. В. Курчатова. В трудных условиях небывалой войны советские ученые решали сложнейшие научные и технические задачи, связанные с овладением атомной энергией. 25 декабря 1946 года под руководством И.В.Курчатова впервые на континенте Европы и Азии была осуществлена цепная реакция. В Советском Союзе началась эра мирного атома.
В ходе работы я выяснил, радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем, нашли широкое применение в науке, технике, сельском хозяйстве, промышленности, медицине, археологии и других областях. Это обусловлено следующими свойствами радиоактивных изотопов:
· радиоактивное вещество непрерывно излучает определенный вид частиц и интенсивность в течение времени не меняется;
· излучение обладает определенной проникающей способностью;
· радиоактивность сопровождается выделением энергии;
· под действием излучения могут происходить изменения в облучаемом веществе;
· излучение можно зафиксировать разными способами: специальными счетчиками частиц, фотографированием и т.д.
13
ЛИТЕРАТУРА
1. Ф.М. Дягилев «Из истории физики и жизни ее творцов» — М.: Просвещение, 1986.
2. А.С. Енохин, О.Ф. Кабардин и др. «Хрестоматия по физике» — М.: Просвещение, 1982.
3. П.С. Кудрявцев. «История физики» — М.: Просвещение, 1971.
4. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев «Физика 11 кл.» — М.: Просвещение, 2004.
5. А.В. Перышкин, Е.В. Гутник «Физика 9 кл.» — М.: Дрофа, 2005.
6. Интернет – ресурсы.
14
Рецензия
на экзаменационный реферат по физике «Явление радиоактивности. Его значение в науке, технике, медицине».
Автор реферата: Дадаев Аслан, ученик 9 класса МОУ «Побединская СОШ» Шегарского района Томской области.
Актуальность выбранной темы автор видит в возможности использования ядерной энергии в мирных целях. Радиоактивные изотопы, полученные искусственным путем, нашли широкое применение в различных сферах научной и практической деятельности: науке, технике, сельском хозяйстве, промышленности, медицине, археологии и др.
Однако в разделе «Введение» не указана актуальность и заинтересованность автора в выбранной теме реферата.
Доступно, логически прописано открытие радиоактивности; исследования, проводимые с помощью «меченых атомов».
При определении цели и задач, автор дает представление о конечном результате. Как следствие, на мой взгляд, наблюдается раскрытие ожидаемого результата, которые прописаны в разделе «Заключение».
Оформление реферата не во всех случаях соответствует требованиям:
· Не пронумерованы страницы;
· Каждый раздел напечатан не с новой страницы;
· В тексте нет ссылок на иллюстрации;
· В разделе «Литература» не указаны сайты Интернет – ресурсов.
В целом, несмотря на незначительные недочеты в составлении и оформлении, можно сказать, что реферат «Явление радиоактивности. Его значение в науке, технике, медицине» заслуживает оценки «хорошо».
Учитель физики МОУ «Побединская СОШ»: ___________/Л.А. Гагарина/
10.05.2010г
www.ronl.ru
