Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Один из эффективных научных методов исследования основан на применении как радиоактивных, так и нерадиоактивных изотопов в качестве меченых атомов*. Благодаря использованию таких изотопов элемент можно наблюдать в присутствии больших количеств того же элемента. Так, одним из ранних методов применения меченых атомов был метод экспериментального определения скорости, с которой атомы свинца перемещаются в кристаллическом образце металлического свинца. Это явление называется самодиффузией. Если некоторое количество радиоактивного свинца поместить в виде слоя на поверхность свинцовой пластины и такой образец некоторое время выдержать, а затем разрезать на тонкие пластины параллельно поверхностному слою, то в каждом срезе можно определить наличие радиоактивности. Радиоактивность во внутренних слоях свинца указывает на то, что атомы свинца диффундировали в глубь металла.
* Определение нерадиоактивного изотопа, используемого в качестве меченого атома, например 15N, проводят при помощи масс-спектрографа.
Вероятно, в дальнейшем радиоактивные нуклиды в качестве меченых атомов будут наиболее широко применяться в биологии и медицине. В человеческом организме содержится такое большое количество соединений, включающих многие элементы — углерод, водород, азот, кислород, серу и др., что состояние, в котором находится органическое вещество, определить крайне трудно. Однако если в состав того или иного органического соединения ввести радиоактивный нуклид, то за перемещением его в организме можно наблюдать путем измерения радиоактивности. Для этой цели особенно пригоден радиоактивный нуклид углерод-14, имеющий период полураспада около 5000 лет. Он подвергается медленному распаду с испусканием бета-лучей, и количество данного изотопа в образце можно определить, измеряя бета-активность. Большие количества 14C можно легко получить в ядерном реакторе при действии на азот медленных нейтронов
$${}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{1}_{0}n \longrightarrow {}^{14}_{6}\mathrm{C} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}$$
Такой процесс можно осуществить, вводя раствор нитрата аммония в ядерный реактор, где он подвергается действию нейтронов. Получаемый таким образом углерод образует ионы HCO3−, которые можно осадить в виде карбоната бария при добавлении раствора гидроокиси бария. Изготовленные таким образом препараты радиоактивного углерода обладают очень высокой активностью, поскольку содержат до 5% радиоактивного изотопа.
Единица радиоактивности — кюри
Количество радиоактивного материала оказалось удобным измерять в особых единицах. Такая единица радиоактивности называется кюри. 1 кюри любого радиоактивного вещества равен такому количеству данного вещества, в котором за 1 с подвергается радиоактивному распаду 3,70·1010 атомов этого вещества (1 кюри обозначается 1 Ки).
Кюри — довольно большая единица. 1 кюри радия соответствует приблизительно 1 г данного элемента. (Вначале кюри и определяли таким образом, что 1 кюри точно равен 1 г радия, однако по мере усовершенствования методов измерения радиоактивности было признано более удобным дать другое, приведенное выше определение этой единицы.)
Интересно отметить, что в ряду радиоактивного распада при установившемся равновесном состоянии все радиоактивные элементы присутствуют в одних и тех же количествах при измерении в единицах радиоактивности. Это можно показать на примере 1 г радия, находящегося в равновесии с первым продуктом его распада радоном (222Rn) и последующими продуктами распада (см. рис. 20.6). Скорость, с которой образуется радон, пропорциональна имеющемуся количеству радия, поскольку один атом радона образуется из одного атома радия, подвергающегося распаду. Число атомов радия, претерпевающих распад в единицу времени, пропорционально числу имеющихся атомов радия: распад радия является мономолекулярной реакцией. Когда система достигает состояния равновесия, число атомов присутствующего радона остается неизменным и, таким образом, скорость, с которой сам радон подвергается радиоактивному распаду, становится равной скорости, с которой он образуется из радия. Следовательно, количество радиоактивного радона, находящегося в равновесии с 1 г радия, равно 1 кюри.
Количество радона, находящегося в равновесии с 1 г радия, можно вычислить по уравнению скорости реакции первого порядка, приведенному в гл. 10. Константа скорости реакции для процесса распада радия обратно пропорциональна периоду его полураспада. Таким образом, при состоянии равновесия число атомов радия, подвергающихся распаду, равно числу распадающихся атомов радона, причем отношение числа присутствующих атомов радона к числу присутствующих атомов радия должно быть равно отношению их периодов полураспада.