Техника - молодёжи 1951-09, страница 9

Ф. ЗАВЕЛЬСКИИ

Рис. Н. СМОЛЬЯНИНОВА

Со всех сторон нас окружают меченые вещи, и если мы не обращаем на это внимания, то только потому, что слишком к этому привыкли...

На углу каждой из улиц прибита табличка с ее названием, над воротами каждого дома висит фонарь, на котором обозначены: название района, номер дома, название улицы. На каждой входной двери написаны номер квартиры и фамилии жильцов. Если бы не было этих меток, как разыскали бы вас почтальон и ваши знакомые?

По улицам большого города мчатся тысячи меченых автомобилей, автобусов, троллейбусов... К каждому автомобилю прикреплен номер, каждый автобус и троллейбус снабжен табличкой с указанием номера маршрута и пути следования.

Многие вещи вокруг нас меченые, и чем лучше разработана система меток, тем наша жизнь организованней, удобней.

Каких только не придумано меток: номера, различная окраска, разная форма, этикетки, флажки, фонарики, условные знаки...

Но все эти метки годятся только для мира больших вешей, а можно ли ввести метки в малом мире, можно ли пометить атомы и молекулы, чтобы наблюдать, например, за скоростью движения атомов железа в железе?

Определение коэфициента самодиффузии стали имеет большое значение при изучении процесса перехода стали из одной кристаллической структуры в другую и, следовательно, существенно для выяснения вопросов, связанных с долговечностью и прочностью металлов.

Решить подобную задачу методами аналитической химии нельзя, так как атомы железа между собой неразличимы.

Но как пометить атом? Ведь номера к нему не привесишь и его не выкрасишь краской. А потом, можно ли атом пометить так, чтобы не изменить его химических свойств? Это также очень серьезное обстоятельство. Ведь «метка» не должна менять основных свойств объекта. Оттого, что, скажем, автомобиль красят в красный или зеленый цвет, его качества как автомобиля не изменяются.

Оказывается, возможно и атомы метить.

Приготовление меченых атомов, имеющих такие же химические свойства, как и обычные, но отличающихся по своим физическим свойствам, составляет одну часть, а умение подсчитывать очень малые количества меченых атомов, смешанных с большим количеством

обычных, — другую часть техники меченых атомов.

ЭЛЕМЕНТЫ И ИЗОТОПЫ

Основой метода меченых атомов является использование веществ, имеющих одинаковые химические свойства, но различающихся своими физическими свойствами. Такие вещества называются изотопами, что буквально означает — занимающие то же место, при этом имеется в виду их место в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, так как все изотопы данного элемента записываются в одной и той же клеточке этой таблицы.

Каким же образом изотопы, имея одинаковые химические свойства, могут различаться по своим физическим свойствам?

Дело в том, что химические свойства атома определяются структурой его электронной оболочки, а физические — строением его ядра.

Если несколько атомов имеют одинаковые атомные номера, то-есть одинаковые заряды ядер, например, равные +1, то и электронные оболочки каждого из этих атомов, в соответствии с зарядами ядер, имеют одинаковое число электронов; в данном примере — по одному электрону. Так как электрон имеет заряд —1, то в нормальном состоянии атом оказывается электрически нейтральным. Но атомные веса таких атомов могут быть различными, — например, равняться 1, 2, 3.

Это происходит потому, что ядра атомов, согласно теории Д. Д. Иваненко, строятся из тяжелых частиц двух типов: заряженных (протонов — с зарядом 4-1) и незаряженных (нейтронов).

Ядро легкого обычного водорода (так называемого протия) состоит из одного протона; ядро тяжелого водорода (дейтерия) состоит из одного протона и одного нейтрона; ядро еще более тяжелого изотопа водорода (трития) состоит из одного протона и двух нейтронов. У всех этих изотопов одинаковы заряды их ядер, а следовательно, одинаково и число электронов их электронных оболочек; поэтому они имеют одинаковые химические свойства.

Что касается физических свойств, то они различаются довольно значительно. Так, у изотопов оказывается различен атомный вес, а следовательно, и скорость движения атомов и их ионов, а также скорость диффузии, чем, кстати говоря, пользуются для их разделения. Различны у изотопов и температуры кипения.

Кроме того, ядро самого тяжелого изотопа водорода — трития — ока

зывается неустойчивым, радиоактивным.

Таким образом, различие физических свойств изотопов является, по существу, их меткой, по которой изотопы можно отличить друг от друга.

У каждого из элементов имеется несколько изотопов, например у железа их обнаружено 8, из них 4 стабильных и 4 радиоактивных.

После того как в 1934 году И. Кюри и Ф. Жолио была открыта искусственная радиоактивность, число известных нам изотопов увеличилось в несколько раз. В настоящее время известно около тысячи изотопов, значительная часть которых получена искусственно.

Для того чтобы какой-нибудь из элементов сделать меченым, нужно выделить один из его изотопов или, по крайней мере, в смеси изотопов заметно изменить изотопический состав в пользу одного из изотопов, то-есть произвести разделение или обогащение изотопов.

Для разделения или обогащения изотопов применяется ряд методов, основанных главным образом на различии их физических свойств, а иногда на незначительном различии скоростей химических реакций изотопов.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ МЕТОДА

До появления метода меченых атомов самым чувствительным методом анализа был спектральный анализ, с помощью которого можно определить примесь, даже если она составляет- только 1/100 000 весовую долю от основного материала.

Метод анализа с помощью меченых атомов на стабильных изотопах оказывается еще в 10 или даже в 100 раз чувствительной.

Так, например, сравнивая пробу естественного азота, состоящего из смеси азота 14 (99,62%) и азота 15 (0,38Vo) с пробой, взятой из 1 тонны обычного азота, в котором разведен 1 грамм азота, обогащенного до 5Ф/о азотом 15, ч^о соответствует разведению в 1 000 000 раз, -можно еще совершенно четко установить различие. Измерения при разведении в 10 000 000 раз лежат уже на пределе чувствительности метода, но еще возможны.

Однако ценность метода меченых атомов не ограничивается его чувствительностью. Самое существенное заключается в принципиально новых возможностях, которые он открывает.

В СССР исследования с помощью стабильных изотопов были впервые поставлены А. И. Бродским в 1934 году; химические исследования