Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Один з ефективних наукових методів дослідження ґрунтується на застосуванні як радіоактивних, так і нерадіоактивних ізотопів як мічених атомів*. Завдяки використанню таких ізотопів елемент можна спостерігати в присутності великих кількостей того самого елемента. Так, одним із ранніх методів застосування мічених атомів був метод експериментального визначення швидкості, з якою атоми Плюмбуму переміщуються в кристалічному зразку металічного свинцю. Це явище називається самодифузією. Якщо певну кількість радіоактивного свинцю помістити у вигляді шару на поверхню свинцевої пластини й такий зразок якийсь час витримати, а потім розрізати на тонкі пластини паралельно поверхневому шару, то в кожному зрізі можна визначити наявність радіоактивності. Радіоактивність у внутрішніх шарах свинцю вказує на те, що атоми Плюмбуму дифундували вглиб металу.
* Визначення нерадіоактивного ізотопу, який використовують як мічений атом, наприклад 15N, проводять за допомогою мас-спектрографа.
Ймовірно, надалі радіоактивні нукліди як мічені атоми найширше застосовуватимуть у біології та медицині. У людському організмі міститься така велика кількість сполук, що включають багато елементів — Карбон, Гідроген, Нітроген, Оксиген, Сульфур та ін., що стан, у якому перебуває органічна речовина, визначити вкрай важко. Однак якщо до складу тієї чи іншої органічної сполуки ввести радіоактивний нуклід, то за його переміщенням в організмі можна спостерігати шляхом вимірювання радіоактивності. Для цієї мети особливо придатний радіоактивний нуклід Карбон-14, що має період піврозпаду близько 5000 років. Він зазнає повільного розпаду з випусканням бета-променів, і кількість цього ізотопу в зразку можна визначити, вимірюючи бета-активність. Великі кількості 14C можна легко одержати в ядерному реакторі при дії на азот повільних нейтронів
$${}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{1}_{0}n \longrightarrow {}^{14}_{6}\mathrm{C} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}$$
Такий процес можна здійснити, вводячи розчин амоній нітрату в ядерний реактор, де він зазнає дії нейтронів. Карбон, що утворюється таким чином, дає іони HCO3−, які можна осадити у вигляді барій карбонату при додаванні розчину барій гідроксиду. Виготовлені таким чином препарати радіоактивного вуглецю мають дуже високу активність, оскільки містять до 5% радіоактивного ізотопу.
Одиниця радіоактивності — кюрі
Кількість радіоактивного матеріалу виявилося зручно вимірювати в особливих одиницях. Така одиниця радіоактивності називається кюрі. 1 кюрі будь-якої радіоактивної речовини дорівнює такій кількості цієї речовини, у якій за 1 с зазнають радіоактивного розпаду 3,70·1010 атомів цієї речовини (1 кюрі позначається 1 Кі).
Кюрі — досить велика одиниця. 1 кюрі радію відповідає приблизно 1 г цього елемента. (Спочатку кюрі й визначали таким чином, що 1 кюрі точно дорівнює 1 г радію, проте в міру вдосконалення методів вимірювання радіоактивності було визнано зручнішим дати інше, наведене вище визначення цієї одиниці.)
Цікаво зазначити, що в ряду радіоактивного розпаду при усталеному рівноважному стані всі радіоактивні елементи присутні в однакових кількостях, якщо вимірювати в одиницях радіоактивності. Це можна показати на прикладі 1 г радію, що перебуває в рівновазі з першим продуктом його розпаду радоном (222Rn) та наступними продуктами розпаду (див. рис. 20.6). Швидкість, з якою утворюється радон, пропорційна наявній кількості радію, оскільки один атом Радону утворюється з одного атома Радію, що зазнає розпаду. Число атомів Радію, які зазнають розпаду за одиницю часу, пропорційне числу наявних атомів Радію: розпад радію є мономолекулярною реакцією. Коли система досягає стану рівноваги, число присутніх атомів Радону залишається незмінним і, таким чином, швидкість, з якою сам радон зазнає радіоактивного розпаду, стає рівною швидкості, з якою він утворюється з радію. Отже, кількість радіоактивного радону, що перебуває в рівновазі з 1 г радію, дорівнює 1 кюрі.
Кількість радону, що перебуває в рівновазі з 1 г радію, можна обчислити за рівнянням швидкості реакції першого порядку, наведеним у розд. 10. Константа швидкості реакції для процесу розпаду радію обернено пропорційна періоду його піврозпаду. Таким чином, при стані рівноваги число атомів Радію, що зазнають розпаду, дорівнює числу атомів Радону, що розпадаються, причому відношення числа присутніх атомів Радону до числа присутніх атомів Радію має дорівнювати відношенню їхніх періодів піврозпаду.