Файл: Лекции по физике.pdf

Любой радиоактивный элемент характеризуется периодом полураспада

где N0 – начальное число (или концентрация) радиоактивных ядер, T – период полураспада этих ядер, N – число (или концентрация) радиоактивных ядер через время t.

Часто в практике используют понятие активность образца. Активность образца или скорость распада А – это число радиоактивных ядер, распадаю-

Единица измерения активности в СИ – беккерель (Бк): 1 Бк = 1 распад/с. Иногда в литературе встречаются внесистемные единицы радиоактивности: кюри (Ки):

Как следует из (23.6), со временем активность также экспоненциально убывает.

Закон радиоактивного распада лежит в основе измерения возраста ископаемых останков растений и животных или изделий человека (радиационное датирование), а также используется в агробиологических и зооинженерных исследованиях (метод меченых атомов).

Радиационное датирование.

Этот метод основан на измерении концентрации радиоактивного изотопа углерода 14С в исследуемом образце и называется радиоуглеродным методом. Суть радиоуглеродного метода определения возраста ископаемых биологических объектов заключается в следующем. Радиоактивный изотоп углерода 14С постоянно образуется в верхних слоях атмосферы при столкновениях атомов азота с вторичными нейтронами, образующимися при бомбардировке атмосферы космическим излучением, 147 N + n→146 C + p .

Как и обычный углерод, он быстро окисляется кислородом воздуха, образуя углекислый газ, который в процессе фотосинтеза попадает в ткани растений. Растения поедаются животными, и таким образом углерод 14С попадает также в ткани животных и накапливается в них. Если животное или растение

151

погибает и погребается без доступа кислорода (например, заливается вулканической лавой или селевым потоком), поступление 14С в организм прекращается, и концентрация изотопа начинает уменьшаться вследствие радиоактивного

распада (период полураспада 5700 лет, продукт распада – азот 146 C→147 N + e− ).

Чем меньше концентрация 14С в окаменелости (по сравнению с близкими видами ныне живущих организмов), тем она считается древнее.

Использование этого метода дало много любопытных фактов. Например, возраст древних углеродсодержащих образований – каменного угля, нефти, газа (согласно классической геологии им не менее десятков миллионов лет) оказался не превышающим десятков тысяч лет. На этот факт указывал и сам изобретатель метода радиоуглеродного датирования нобелевский лауреат В. Либби, совершивший настоящую революцию в истории. Занимаясь датировкой египетских пирамид, он с удивлением обнаружил, что они имеют вполне библейский возраст. Оказалось, что «истории всего 5000 лет», – писал Либби.

Метод меченых атомов.

Этот метод основан на использовании радиоактивных изотопов (они-то и названы «мечеными» атомами). Его сущность состоит в следующем. Микроскопическую дозу радиоактивного изотопа (обычно с небольшим периодом полураспада) вводят в один из участков исследуемой системы, например, в почву вблизи корней растения, в корм животного или же непосредственно в ткань инъекцией. Затем с помощью дозиметра (счетчика радиоактивного излучения) наблюдают за перемещением введенного изотопа в данной системе. Анализируя результаты этих наблюдений, можно получить довольно ценные сведения о

процессах обмена веществ в организме.

Поясним использование метода меченых атомов на примере исследования процесса питания сельскохозяйственных растений фосфором.

В почву под исследуемое растение вносят фосфорное удобрение с примесью (микроскопической добавкой) изотопа фосфора 32Р. После этого растение подвергают периодическому обследованию с помощью счетчиков радиоактивного излучения. По интенсивности излучения, исходящего от различных частей растения, выясняется, когда фосфор поступает в корневую систему, с какой скоростью он перемещается внутри растения, как распределяется в стебле и листьях растения, как участвует в обмене веществ и т.д.

1чения (β-распад) на фотопластинке после ее проявления появляется отпечаток растения – радиоавтограф. По сте-

2пени почернения различных участков радиоавтографа можно судить о распределении фосфора внутри данного растения. Такие радиоавтографы получают от нескольких

растений, срезанных в разное время. Анализ серии радио- Рис. 23.2 автографов и значений интенсивностей радиоактивного

152

излучения, измеренных дозиметром, позволяет получить достаточно полное представление о процессе питания растений фосфором.

На рис. 23.2 изображен радиоавтограф томата, срезанного в двухнедельном возрасте через 36 часов после корневой подкормки меченым фосфором 32Р. Сразу видно, что молодые листья (3 и 4) сильнее поглощают фосфор, чем старые (1 и 2).

С помощью метода меченых атомов успешно изучаются такие важные в сельскохозяйственном производстве вопросы как фотосинтез, рациональное применение удобрений, усвоение различных элементов растениями, внекорневая подкормка растений, питание сельскохозяйственных животных, синтез молочного жира и мышечных белков, передвижение воды и водяного пара в почве, миграция насекомых, действие инсектицидов, износ трущихся деталей автотракторных двигателей и многое другое.

23.3. Ядерный магнитный резонанс

Ядро – квантовый объект и может находиться в разных энергетических состояниях, например, в возбужденных или невозбужденном. То есть, как и у атома, у ядра есть энергетические уровни. Только у атома они связаны с энергетическими состояниями электронов, а у ядра – с энергетическими состояниями протонов и нейтронов.

Ядро атома имеет магнитный момент, поэтому в магнитном поле происходит расщепление энергетических уровней ядра. Полная аналогия с атомом, см. п. 22.3. Так же как и там, свободное ядро, находящееся в магнитном поле, может поглотить квант энергии электромагнитного излучения, равный энергии перехода между образовавшимися уровнями. Это явление называется ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

Методы ЯМР-спектроскопии широко используются в химии, молекулярной физике, биологии, агрономии, медицине, геологии, то есть в научных направлениях, где исследуется строение вещества, его молекулярная структура, характер химических связей, межмолекулярные взаимодействия и микроскопические внутренние движения. Медицинские установки для исследования тела человека – компьютерные ЯМР-томографы – позволяют получить трехмерные изображения органов. В отличие от рентгеновской или радиационной диагностики ЯМР-диагностика совершенно безвредна.

Вопросы к лекции 23

1.Из чего состоит ядро атома? Что такое изотопы?

2.Как найти энергию связи ядра атома?

3.Как найти энергию, выделяющуюся или поглощающуюся в ядерной реакции?

4.Какие законы сохранения выполняются в ядерных реакциях?

5.Что такое радиоактивность. Какие виды радиоактивности вы знаете?

6.Сформулируйте закон радиоактивного распада и выведите уравнение.

7.Какая доля атомов изотопа распадется за два периода полураспада?

8.Что такое активность изотопа, и какова ее размерность?

9.Расскажите, как осуществляется радиоуглеродное датирование ископаемых останков.

10.В чем заключается сущность метода меченых атомов, и где он применяется?

11.Что такое ЯМР, и где он применяется?

153