ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ - 11 класс

Тип урока: семинар.

Интеграция предметов: физика — химия — биология.

Ход урока

Учитель. В атомной индустрии все возрастающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе только в стабильном состоянии.

Сегодня на семинаре мы выясним, как получают радиоактивные изотопы и в каких отраслях науки и техники их применяют.

Доклад 1 «Получение радиоактивных изотопов»

Радиоактивные изотопы получают в атомных реакторах и на ускорителях элементарных частиц. В настоящее время производством изотопов занята большая отрасль промышленности. Первым элементом, созданным искусственным путем, был технеций ⁹⁹₄₃Тс. Он был получен в 1937 г. при бомбардировке молибдена дейтерием.

Прометий ¹⁴⁵₆₁Рm, франций ²²³₈₇Fr, не имеющие стабильных изотопов, впервые получены искусственно.

В 1935 году венгерский физико-химик Хевеши облучил нейтронами химический элемент диспрозий ¹⁶⁴₆₆Dy. В результате опыта прибор зафиксировал очень высокую радиоактивность образца. Нерадиоактивный диспрозий стал радиоактивным.

С помощью ядерных реакции получены трансурановые элементы от нептуния ²³⁷₉₃Np до мейтнерия, 109-го элемента таблицы Менделеева. Элементы от 104 до 108 синтезированы в г. Дубне. Элемент 108 одновременно синтезирован в Германии, там же синтезирован элемент 109.

Учитель. В настоящее время как в науке, так и в производстве все более широко начинают применяться радиоактивные изотопы различных химических элементов. Наибольшее применение нашел метод «меченных атомов».

Доклад 2 «Метод меченных атомов»

Метод «меченных атомов» основан на том, что химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов, но они являются источниками радиоактивного излучения. Радиоактивные изотопы, введенные в изучаемый объект, дают возможность исследовать свойства вещества и ход разнообразных процессов.

Обнаружить радиоактивные изотопы можно очень просто, по их излучению. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно проследить за поведением элемента при различных химических реакциях и физических превращениях веществ. Ученые давно мечтали о возможности «пометить» атомы так, чтобы можно было следить за их движением. Сейчас с успехом применяют «меченные атомы» в науке, технике, сельском хозяйстве.

Метод «меченных атомов» стал одним из наиболее действенных методов при решении многочисленных проблем биологии, физиологии, медицине. «Меченные атомы» — это атомы изотопов, ядра которых испускают α-, β-частицы или γ-кванты (лучи), это излучение можно обнаружить при помощи особых счетчиков.

Учитель. Остановимся более подробно на том, где и когда радиоактивные изотопы применяют, с какой целью применяют те или иные изотопы в медицине, сельском хозяйстве, промышленности.

Доклад 3 «Радиоактивные изотопы в биологии»

С помощью радиоактивного «меченного» фосфора выявлено интересное явление в природе. Оказывается, в дубовом лесу срастаются корнями по 30 и более деревьев, образуя единую корневую систему. По ней продвигаются не только питательные вещества, но и возбудительные заболевания леса. Теперь стало ясно, почему в дубовом лесу одновременно заболевают много деревьев. Добавлением к кислороду избытка изотопа ¹⁸₈O было установлено, что свободный кислород, выделяемый при фотосинтезе, первоначально входил в состав воды, а не углекислого газа. Метод «меченных атомов» помог установить, что растения получают углекислоту не только через листья из воздуха, но и путем поглощения ее из почвы корневой системой при последующей передаче в зеленые части организма. Одним из наиболее выдающихся исследований, проведенных с помощью «меченных атомов», являлось исследование обмена веществ в организмах. Было доказано, что за сравнительно небольшое время организм подвергается почти полному обновлению. Слагающие его атомы заменяются новыми. Лишь железо, как показали опыты по изотопному исследованию крови, является исключением из этого правила. Железо входит в состав гемоглобина, красных кровяных шариков. При введении в пишу радиоактивных атомов железа ⁵⁹₂₆Fe было обнаружено, что они почти не поступают в кровь. Только в том случае, когда запасы железа в организме иссякают, железо начинает усваиваться организмом. «Меченные атомы» широко применяются также в исследованиях биохимии мозга. Оказалось, что процессы возбуждения связаны с увеличением потребления фосфора корой головного мозга; при этом повышается интенсивность обновления рибонуклеиновой кислоты и фосфолипидов. При наркотическом сне обмен рибонуклеиновой кислоты, фосфопротеинов и фосфолипидов уменьшается. При помощи «меченных атомов» следят за движением питательных веществ в организме животного. Для этого в организм вводят радиоактивный изотоп (чаще всего радиофосфор), а затем определяют содержание его в той или иной ткани или органе. Все наблюдения выполняются в живом организме без нарушения его нормальной жизнедеятельности.

Доклад 4 «Радиоактивные изотопы в медицине»

Метод «меченных атомов» широко используется в медицине. Это исследование обмена веществ в организме человека, постановка диагноза, терапевтические методы и лечение раковых заболеваний. Радиоактивный натрий, вводимый в небольших количествах в кровь, используется для исследования кровообращения. Йод интенсивно отлагается в щитовидной железе, особенно при базедовой болезни. Наблюдая с помощью счетчика за отложением радиоактивного йода, можно быстро поставить диагноз. Большие дозы радиоактивного йода вызывают частичное разрушение аномально развивающихся тканей и поэтому радиоактивный йод используют для лечения базедовой болезни. При лечении злокачественных опухолей в качестве излучателя γ-лучей используется радиоактивный кобальт (кобальтовая пушка). Для лечебных целей применяют также радиоактивный изотоп фосфора. Поступившее в организм через рот, это вещество концентрируется в соответствующих органах и тканях организма, где распадаясь, действует своим излучением на близлежащие ткани. Радиоактивный фосфор концентрируется в компактном веществе трубчатых костей. Распадаясь с излучением электронов, он облучает находящийся в костях костный мозг и этим нормализует нарушения при некоторых заболеваниях кроветворения.

Доклад 5 «Радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве»

Все более широкое применение получают радиоактивные изотопы в сельском хозяйстве. Предпосевное облучение семян, предпосевное замачивание семян в радиоактивных растворах, внесение в почву радиоактивных веществ в качестве микроудобрений, облучение растущих растений небольшими дозами γ-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, кукурузы, гороха и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков. Картофель, облученный γ-лучами, не портится и не прорастает более года, γ-излучение радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми. Для уничтожения вредителей на табачных плантациях растения опрыскивают содержащими мышьяк химическими соединениями. Если мышьяк попадает в организм человека с табачным дымом, то он накапливается в волосах. При облучении пряди волос нейтронами образуется радиоактивный мышьяк. Исследуя его излучение, можно установить концентрацию мышьяка в волосах и сравнить с нормой. На основе этих данных разрабатывают рекомендации о допустимом количестве мышьяка в сельскохозяйственных химикатах.

Широкое применение получили «меченные атомы» в агротехнике. Чтобы выяснить, какое из фосфорных удобрений лучше усваивается растением, помечают различные удобрения радиоактивным фосфором ³²₁₅P. Исследуя затем растения на радиоактивность, можно определить количество усвоенного ими фосфора из различных сортов удобрения.

γ-излучения радиоактивных изотопов используются также для консервации пищевых продуктов.

На птицефабрике облучают яйца. Благодаря этому из каждых 100 яиц в результате инкубации выводится в среднем 97 цыплят, то есть на 7 штук больше, чем без облучения.

Доклад 6 «Радиоактивные изотопы в промышленности»

Не менее обширно применение радиоактивных изотопов в промышленности. Одним из примеров этого может служить способ контроля износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневые кольца нейтронами, вызывают в них ядерные реакции, то есть делают кольца радиоактивными. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ колец.

Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах. Мощное 7-излучение радиоактивных препаратов используют в тяжелой промышленности для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

В рыболовной промышленности также используют метод «меченных атомов». Чтобы проследить, как далеко уходят в море мальки, выращенные на рыбозаводах, их помещают на некоторое время в воду, содержащую радиоактивный фосфор. Фосфор поступает в организм мальков, после чего их выпускают в море. Затем при проверке рыбных уловов, проведенных в разных местах моря, можно узнать рыбу с «меченным атомом».

Широкие возможности открываются при использовании радиоактивных изотопов для создания приборов и средств автоматики.

Доклад 7 «Радиоактивные изотопы в археологии»

Для датирования горных пород и минералов, археологических раскопок используют радиоуглеродный метод. Метод радиоактивного углерода применяют для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.).

В растениях всегда имеется p-радиоактивный изотоп углерода ¹⁴₆С с периодом полураспада 5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов космического излучения.

Образующийся радиоактивный изотоп углерода быстро окисляется. Соединяясь с кислородом, этот углерод образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а затем в виде пищи попадает в живые организмы. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около 15 β-частиц в секунду. После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. С момента гибели организма концентрация этого изотопа углерода в тканях постепенно уменьшается и по количеству оставшегося ¹⁴₆С, зная период его полураспада, можно определить время гибели организма.

Опыты по использованию ¹⁴₆С для установления возраста древностей связаны с именем американского ученого Либби, который в 1947 г. признан автором метода радиоуглеродного датирования. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 100 000 лет. Таким методом узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров, археологических находок.

Но радиоуглеродный метод исследования пригоден только для изучения органических остатков.

Получение и применение радиоактивных изотопов

Учитель. Радиоуглеродное датирование считается наиболее надежным и точным. А сейчас попробуем определить возраст древнего предмета.

Задача

Активность изотопа углерода ¹⁴₆C в древнем деревянном предмете составляет 4/5 активности этого изотопа в свежерубленном дереве. Период полураспада ¹⁴₆С равен 5570 лет. Определите возраст древнего предмета.

Дано:

Решение:

Активностью радиоактивного вещества называется число ядер, распавшихся в единицу времени.

λ — постоянная распада. По закону радиоактивного распада тогда:

В начальный момент времени активность Следовательно:

— постоянная распада; Т — период полураспада; е — основание натурального логарифма, е ≈ 2,7. Тогда Логарифмируя, получим: отсюда:

Ответ. ≈ 1800 лет.