Мічені атоми

Мі́чені а́томи або ізотопний трейсер або ізотопний індикатор — атоми, які відрізняються від інших атомів того ж хімічного елемента радіоактивністю (радіоактивні ізотопи) або вагою (стабільні ізотопи).

Загальний опис

Продукти радіоактивного розпаду або атоми з різною вагою є «мітками», які відрізняють їх від інших атомів, подібних за хімічними властивостями. Промені α, β, γ, що вилітають з атомів, можна зафіксувати за допомогою лічильників заряджених частинок або радіографії. Це дає можливість стежити за невеликими групами мічених атомів у середовищі, в якому міститься колосальна кількість інших атомів та молекул, визначати, як швидко вони проникають у різні сполуки, системи і живі організми, тобто досліджувати фізичні, хімічні, біологічні та інші процеси, що мають велике наукове і практичне значення. Стабільні ізотопи виявляються за допомогою мас-спектрографії або за питомою вагою їх сполук. Мічені атоми почали використовувати на початку 20 століття, проводячи поодинокі дослідження; тепер же вони широко застосовуються в різних галузях промисловості, сільського господарства, науки і культури для дослідження процесів, що відбуваються в твердих, рідких і газоподібних тілах, в організмах людей, тварин і рослин.

Застосування

Застосування у техніці

Так, дифузію в твердих тілах досліджують за допомогою мічених атомів, наносячи радіоактивні атоми на поверхню цих тіл і нагріваючи до високої температури, при якій дифузія відбувається інтенсивніше. Потім при кімнатній температурі накладають зрізи тіла на фотопластинку, на якій, після проявлення в тих місцях, куди проникли мічені атоми, виявляється почорніння. Знаючи час дифузії і глибину проникнення мічених атомів, визначають швидкість дифузії мічених атомів застосовують для дослідження спрацювання металевих деталей. Опромінюючи метал нейтронами, можна створити радіоактивні атоми даного металу, частина яких під час тертя переходить у мастило. Визначений лічильником ступінь радіоактивності цього мастила характеризує швидкість спрацьовування металевої деталі.

Застосування у хімії

Ефективно застосовують мічені атоми також в аналітичній хімії для визначення вмісту елементів у сполуці. Для цього потужними пучками нейтронів опромінюють досліджувану речовину, внаслідок чого утворюються радіоактивні ізотопи, за активністю яких визначають вміст елементів у сполуці (з точністю до 10⁻¹¹ г, а домішки деяких елементів до 10⁻²⁰ г). Зазначені та багато інших прикладів застосування мічених атомів поширені в наукових установах, навчальних закладах і народному господарстві України. Зокрема мічені атоми сурми використовують для визначення вмісту сурми в різних речовинах. За співвідношенням продуктів розпаду радіоактивних елементів, які є в породах, визначають вік мінералів та гірських порід. В Інситуті фізичної хімії АН України за останні роки розроблено ряд методів ізотопного аналізу водню і кисню, які тепер застосовуються у нас та в інших країнах.

Застосування у біології

Мічені атоми надають велику допомогу у розкритті таємниць фотосинтезу. До останнього часу вважали, що під впливом світла в рослинах розкладається вуглекислота. Радянський вчений О. П. Виноградов застосував мічені атоми кисню і показав, що насправді розкладається вода. Мічені атоми велике значення мають при вивченні діяльності живих організмів та обміну речовин у них. При проведенні таких досліджень в їжу додають невелику кількість радіоактивних речовин. Переміщаючи вздовж тіла лічильник, можна визначити, в які частини організму і з якою швидкістю потрапляє той чи інший хімічний елемент.

Мічені атоми широко застосовують для вивчення життя рослин. Наприклад, за допомогою міченого радіоактивного фосфору можна визначити, як фосфор потрапляє у рослину, як переміщається в ній і в яких місцях зосереджується.

Застосування у медицині

Властивість хімічних елементів концентруватися в різних тканинах та частинах організму лежить в основі застосування мічених атомів у біології і особливо в медицині. Наприклад, поглинання йоду щитоподібною залозою встановлено за допомогою мічених атомів йоду. Мічені атоми заліза дозволяють визначити загальний об'єм крові в організмі. Для цього у вену тварини вводять певну кількість крові з радіоактивним залізом. Через деякий час у цієї тварини беруть таку саму кількість крові. Відношення інтенсивності випромінювань радіоактивним залізом у взятій і введеній крові дорівнює відношенню кількості введеної крові до її загальної кількості. Мічені атоми допомагають визначити розміщення злоякісних пухлин в організмі, що значно полегшує роботу хірургів. Досягнуто перших успіхів у боротьбі з раком різних органів людського організму.

Наукові і медичні установи України широко використовують мічені атоми для дослідження обміну речовин у живих організмах і для лікування хвороб. Так, наприклад, уточнено дані про хімічний склад головного мозку, вивчено окремі етапи обміну речовин у головному мозку тощо. Проводяться досліди над вивченням умов родючості ґрунтів. Досліджено процес фосфорного живлення молодих деревних рослин і встановлено, що фосфор більше поглинається молодим листям, а після осіннього листопаду частково входить у ґрунт. Застосування мічених атомів взагалі дало можливість визначити, як саме фосфор засвоюється кореневою системою і поверхнею листя рослин. Встановлено, в які періоди розвитку слід вносити підживлення для багатьох сільськогосподарських культур.

Застосування в археології

Мічені атоми використовують для визначення часу з моменту загибелі тварин та рослин і для визначення віку стародавніх поселень. В атмосфері під дією космічних нейтронів утворюється радіоактивний вуглець ¹⁴C (¹⁴N + n→¹⁴C + ¹H). Період напіврозпаду ¹⁴C становить 5 700 років. Співвідношення між стійким ¹²C і радіоактивним ¹⁴C ізотопами вуглецю в організмі таке ж, як і в атмосфері, тобто 1 г вуглецю містить близько 5•10¹⁰ радіоактивних атомів ¹⁴C. В мертвому організмі обмін вуглецем між організмом і атмосферою припиняється. Тому внаслідок розпаду радіоактивних атомів вуглецю відносна кількість у загиблому організмі з часом зменшується. Співвідношення між ізотопами ¹⁴C і ¹²C і період напіврозпаду ¹⁴C дають можливість визначити час загибелі тварин і рослин, а отже, і вік стародавніх поселень.

Мічені атоми дали можливість уточнити значну кількість хімічних реакцій, зокрема при добуванні синтетичного бензину, розв'язати питання про роль каталізаторів, про процеси перегонки, кристалізації, перемішування і багато інших процесів, уточнити і відкрити нові процеси, які відбуваються в живих організмах.

У гідрогеології

Мічені атоми застосовуються для визначення швидкості руху підземних вод (див. Водоносний горизонт).

Галузь застосування мічених атомів з кожним днем розширюється.

Див. також

• Метод радіоактивних куль

Література

• Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
• Дьяченко П. Е. Применение радиоактивных изотопов. М., 1958;
• Всесоюзная научнотехническая конференция по применению радиоактивных… изотопов… в народном хозяйстве и науке. [Тезиси докладов].М., 1957.
• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0