Радиоактивтілік. Изотоптар. Медицина мен. Фармацияда қолданылуы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тақырыбы:Радиоактивтілік.Изотоптар.Медицина мен Фармацияда қолданылуы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жоспар:

Радиоактивтілік

1. Радиоактивтік ыдырау механизмдері
2. Радиоактивті элементтерді тікелей сандақ өлшеу
3. Радиометрлік титрлеу
4. Табиғаттағы радиоактивтілік

Изотоптар

1. Радиоактивті изотоптардың ғылымда және техникада қолданылуы
2. Радиоактивті изотоптарды шығарып алу және оларды қолдану.
3. Биология мен медицинадағы радиоактивті изотоптар
4. Өнеркәсіптегі радиоактивті изотоптар
5. Ауыл шаруашылығындағы радиоактивті изотоптар
6. Археологиядағы радиоактивті изотоптар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Радиоактивтілік.Анри Беккерельдің 1896 ж. Радиоактивтілік құбылысын ашуы-атом құрылысының күрделі екендігінің тағы бір айғағы болды.Ол уранның тұздары өздігінен сәулелер шығаратындығын ашты.Бұл сәулелер сыртқа әсерге ешқандай байланысты емес.Бұл құбылыс радиоактивтілік немесе Беккерель сәулелері деп аталады.Радиоактивтілікті зерттеуде Пьер және Мария Кюри (1898) көп еңбек сіңірді.Олар торийдың радиоактивтілігін және екі жаңа элементтерді-полоний мен радийды ашты.

  Радиоактивтілікті тереңірек зерттегенде,бұл сәулелердің бірнеше түрі бар екендігі анықталды:α,β,Ý-сәулелер.

Ý-сәулелер-рентген сәулелері сияқты,бірақ толқын ұзындығы кішірек,электромагнитті тербелістер.

α (+) –сәулелер –оң зарядталған бөлшектердің ағыны,массасы,атомдық массасының төрт бірлігіне тең және заряды электрондар зарядының екі есе көбейтіндісіне тең (He2+),жылдамдығы 1600 км/сек.

β  сәулелер –катодты сәулелер сияқты электрондардың ағыны,жылдамдығы 150-180000 км/сек.

 Сонымен,екі ғасырдың аралығында (XIX,XX ғ) жаңалықтардың негізінде теріс зарядталған бөлшектер-электрондар,оң зарядталған бөлшектер-протондар ашылды;атомдардың мөлшері,массасы және электрондар мен протондар массасы мен зарядтары анықталды.Атомдардың мөлшері (диаметрлері) мынадай:1*10-8 см (1 Е);атомдардың массасы:1,6*10-24-4,3*10-22 г;электрондардың массасы:0,91*10-30 кг;протондардың массасы:1,67*10-27кг;электрондардың заряды:1,602*10-19 Кл;

                            1 а.м.б.=12 С=1,66*10-27 кг массасының 1/12 бөлігі.

 Атомдар электрбейтарап болғандықтан,оларда электрондардан басқа,оң зарядталған бөлшектер де болады.Бұл бөлшектер кейіннен ядро деп аталды.Ядро-атомдардың ішкі бөлшегі,көлемі өте аз 1*10-13 см,бірақ өте тығыз орналасқан 1014-1013 г/см3 (1 см3=100 млн т)

 Радиоактивтік- радиоактивтік сәуле деп аталатын ерекше сәуле түрін шығару арқылы өздігінен ешбір сыртқы күштің әсерінсіз бір элементтің ядросының екінші элементтің ядросына өзгеру қасиеті.Бұл құбылыс радиоактивтік ыдырау деп аталады. Радиактивтік ыдырау кезінде жылу бөлініп шығады.Табиғаттағы изотоптардың радиоактивтік құбылысын табиғи радиоактивтік (Француз ғалымы Беккерель 1896 ж. тапқан),жасанды изотоптарда болатын радиоактивтік құбылысты жасанды радиоактивтік (1931 ж. Ирен және Фредерик Жолио-Кюри тапқан) деп атайды.Радиоактивтік құбылыстың екі түрі де ортақ заңға бағынады.

  Радиоактивтік сәуле көзге көрінбейді,алайда олар затқа әсер еткенде:мысалға,моминофор сәуле шығарады,зат иондалады,фотоэмульсия қараяды және т.б)Міне,осы құбылыстарға негізделіп жасалған құралдар арқылы ол сәулелерді тітіркейді.Радиоактивтік сәуленің табиғаты жағынан эртүрлі,ал кейбір ортақ асиеттері бірдей үш түрі α,β,Ý болады.

Радиоактивтік ыдыраудың механизмі.

1.Альфа ыдырау.Ауыр элементтің ядролары көбіне α –ыдырайды бұл кезде ядроның жалпы нуклон саны азаяды және тұрақтанады Альфа ыдыраудың теңдеуі:

 Альфа ыдырау

 

 Альфа-ыдырау кезінде  ядроның  заряды екіге,ал массалық  саны төртке азаяды.

α –ыдыраудың механизмін былай түсіну керек:ішік ядролық қозғалыс кезінде екі протон және екі нейтрон бірігіп α бөлшекті құрайды,ол 10-21с уақыт өмір сүріп қайтадан нуклондарға ыдырайды.Пайда болған α  бөлшек кейбір жағдайда ядролық күшті жеңіп ядроны тастап сыртқа шығарады.Бұл процесстің квант-механикалық табиғаты бар,оны тунельдік эффект дейді.α –бөлшектің энергиясы артқан сайын тунельдік эффектің ықтималдығы артады.

2.Бета ыдырау.

 β-сәулесінің табиғатын 1899 ж Резерфорд ашқан болатын. Ол шапшаң қозғалатын электрондар ағыны. β-бөлшекті деп белгілейді. Массалық санның A=0 болуы, электронның массасы массаның атомдық бірлігімен салыстырғанда елеусіз аз екенін

көрсетеді. Ығысу ережесін бета-ыдырауға қолданайық.Бета-ыдырау кезінде атом ядросының зарядтық саны Z  бір заряд бірлігіне артады, ал массалық сан өзгермейді. Жаңа элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің соңына қарай бір орынға ығысады:

мұндағы  — электрлік заряды нөлге тең, тыныштық массасы жоқ электрондық антинейтрино деп аталатын бөлшек.Бұндай ыдырауды электрондық β-ыдырау деп атайды. Радиоактивті электронды β-ыдырау процесі ядрода нейтронның   протонға  айналуы және осы кезде электронның және антинейтриноның   қабаттаса түзілуі арқылы өтеді:

Ядроның ішінде электронның пайда болуы осы нейтронның ыдырауының нәтижесі екен. Бета-ыдырау кезінде туынды ядро мен электрон жүйесінің энергиясы ыдырауға дейінгі аналық ядро жүйесінің энергиясынан кем болып шығатынын өлшеулер көрсетті. β-ыдырау кезінде энергияның сақталу заңының орындалатына күмән туды. 1930 жылы В. Паулип β-ыдырау кезінде, ядродан электроннан басқа тағы бір массалық саны (A=0) мен зарядының саны (Z=0) нөлге тең бөлшек бөлініп шығады деген жорамалды ұсынды. β–ыдыраудағы энергияның сақталу заңының бұзылуына себепші, жетіспей тұрған энергия осы нейтраль бөлшекке тиесілі екен.Үлы итальян ғалымы Э.Фермидің ұсынысы бойынша бұл бөлшекті нейтрино в (итальянша неітріно — кішкентай нейтрон) деп атаған. Нейтриноның электр заряды мен тыныштық массасы нөлге тең болғандықтан, оның затпен әрекеттесуі әлсіз, сондықтан эксперимент арқылы тіркеу аса қиыншылық туғызды. Ұзакка созылған ізденістер нәтижесінде тек 1956 жылы ғана нейтриноны тіркеу мүмкін болды. Ал антинейтрино осы нейтриноның антибөлшегі болып табылады. Электрондық β--ыдыраудан басқа позитрондық β+-ыдырау процесі де өтуі мүмкін. Позитрондық радиоактивтік кезінде ядродағы протонның біреуі нейтронға айналып, позитрон   мен электрондық нейтрино в бөлініп шығады:

Ядроның зарядтық саны  бірлік зарядқа кемиді, нәтижесінде элемент Менделеев кестесіндегі периодтық жүйенің бас жағына қарай бір орынға ығысады:

мұндағы  позитрон , электронның антибөлшегі, массасы электронның массасына тең.Аналық және туынды ядролар — изобаралар.

3.Гамма-ыдырау

1900 жылы Вилард ядролық сәуле шығарудың құрамындағы үшінші компоненттің бар екенін тапты, оны гамма (у)-сәуле шығару деп атаған. Гамма-сәуле шығару магнит өрісінде ауытқымайды, демек, оның заряды жоқ. Гамма-сәуле шығару радиоактивтік ыдыраудың жеке бір түрі емес, ол альфа және бета-ыдыраулармен қабаттаса өтетін процесс. Жоғарыда айтқанымыздай, туынды ядро қозған күйде болады. Қозған күйдегі ядро атом сияқты, жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі энергетикалық деңгейге өткенде,  энергиясы бар гамма-квантын шығарады, мұндағы  —қозған,  — қалыпты күйдегі энергиялар (8.10-сурет). Ядродан шығатын ү-сәулелері дегеніміз — фотондар ағыны болып шықты.Гамма-ыдыраудың формуласын жазайық:

мұндағы  — қозған аналық ядро,  — оның қалыпты күйдегі нуклиді. қабатынан өтіп кетеді. Гамма-кванттың өтімділік кабілеті өте жоғары, ауадағы еркін жүру жолының ұзындығы 120 м.

Радиоактивті элементтерді тікелей сандақ өлшеу.Табиғи радиоактивтігі бар элементтер мен олардың қосылыстарын бірден α β немесе Ý-активтікті тікелей өлшеу арқылы анықтайды.Мұндай радиоактивтік қасиет периодтық жүйедегі висмуттан кейін орналасқан элементтердің бәрін де болғандықтан,ол элементтерді радиоактивті элементтер дейді.Бұлардан басқа көміртегі мен калий элементтерін де тура сандық өлшеу арқылы анықтайды.Калийді концентрациясы 0,05 М ерітіндісінде оны табиғи радиоактивтігі бойынша өлшеуге болады.

Басқа элементтерді,олардың түрліше радиоактивтілігі бойынша анықтау оған изотопты қосқандағы өзгерісі құрамындағы проценттік үлесі мен қатынасы бойынша немесе градуирлеу графигінің көмегімен жүргізеді.Радиоактивті элементтерді өлшеу үшін оларға сәйкес өлшеуіш қондырғы-талдауыштармен жалғастырылған радиоактивті сәуле шығару үшін детекторларын пайдалануға болады.Кейбір жағдайларда сәуле шығару сәйкестік әдісін қолданады.Мысалы,α,Ý-сәйкестікпен нептунийді өлшейді.

Тегі органикалық көне заттар мен бұйымдардың жасын анықтауда радиометрлік тәсіл жақсы таныс,активтігі 14СТ05=5300 жыл бойынша анықтайды.Ал тура не тікелей радиоактивтілікті өлшеу тәсілі түрлі кен орындарын іздеп табу геологиялық барлауда қолданылады.Сондай-ақ олар ғылыми-зерттеу жұмыстарында да,айталық,бұрынғы атом жарылыстары мен сынақтары жүргізілген аймақтарда жиі кездеседі.

Радиометрлік титрлеу

Радиоактивті изотоптар радиометрлік титрлдеу әдістерінде индикатор міндетін атқарады.

Мысалы,сульфат иондарымен стронций иондарын титрлегенде талданатын ерітіндіге радиоактивті стронций ерітіндісінің шамалы мөлшерін қосады.Титрлегенде мынадай реакция жүреді.

  Sr2++SO42-→SrSO4↓

Егер сульфат-иондарды құрамында аз мөлшердегі радиоактивті стронций изотопы болатын тұрақты стронций тұзының ерітіндісімен титрлесе,онда ерітінді активтігі эквиваленттілік нүктеге дейін әрі төмен,әрі тұрақты болып қалады,қосылатын радиоактивті стронций тұзы сол сәтте-ақ тұнбаға түседі SrSO4↓.Мұнан кейін яғни эквиваленттілік нүктеден соң ерітіндінің активтігі қосылатын ерітіндіге радиоактивті стронций мөлшеріне сәйкес өседі.

Радиометрлік титрлеу реакциялары титриметрлік талдау реакцияларына қойылатын талаптарға сәйкес болуы керек.Олар тез,толық жәнестихиометрлік өім құрамында тұрақтылықты сақтай отырып өтуі қажет.Реакция өнімін титриметрлік анықтау үшін оны талданатын ерітіндіден басқа фазаға ауыстырады және мұны ерітінді активтігінің өзгеруі бойынша бақылайды.Мұндай екінші фаза не тұнба,не шайма түрінде болуы мүмкін.Мысалы,көптеген катиондарды дитизонмен титрлегенде шаймалаушы (экстрогент)ретінде CHCL3 немесе CCl4 пайдаланады.Қос фазалы жүйедегі активтікті осы екеуінде де өлшеуге болатындығын ескерген жөн.Бұл эквивалентті нүктені дәлірек анықтауға мүмкіндік береді.кейбір жағдайларда ерітіндідегі екі құрамдас бөлікті бірінен соң бірін анықтауға болады.мұны айталық,екі шөгіндінің ерігіштігі едәуір өзгеше болғанда қолданған жөн.Мұндай жағдайда титрленген кеде индикатор ретінде еритін тұнба түзетін радиактивті элемент изотобын қосады.Бірінші құрамдас бөлік тұнбаға түскенде екінші өзгеріссіз қалады.Екінші құрамдас бөліктегі тұнба шөге бастағанда радиоактивтілік кеми бастайды.Бұл кез бірінші эквиваленттік нүктеге сәйкес келеді.Ерітіндідегі радиоактивтілік іс жүзінде фондық мәнге төмендегенде екінші эквиваленттік нүктеге жетуге болады.

 Табиғаттағы радиоактивтілік.Табиғатта өздігінен ыдырау көптеген изотоптарға тән.1896 жылы Беккерель табиғи радиоактивтілікті уран   тұзынан тапқан.Кейін П.Кюри мен М.Кюри торийдің,радийдің,актинийдің,полонийдің изотоптарын тапты.Қазіргі уақытта табиғи радиоактивтілік U,Th,Ac,Ra,Po,басқа элементтерден де табылды.Әлсіз активтілік Sm,Nd,40K,57V,87Rb,192Co,190Pt,48Ca т.б элементтерде табылды.80-ге жуық элементтердің табиғи радиактивті изотобы бар.Олардың ішінде  U мен Tc-дің жартылай ыдырау периоды бар және олар бірншілік деп саналады.81-ден 91-ге дейінгі радиоактивті элеметтер (изотоптары Te,Pb,Bi,Po,At,Am,Fr,Ac,Pd) U менTh-дің ыдырауы нэтижесінде түзіледі және оларды екіншілік деп атайды.

Мария Склодовская-Кюри

(1867-1934) Осы ғалымның докторлық диссертациясына ғылымға енгізген теңдесі жоқ,жаңалық деп баға берілді. Склодовская – Кюри радиоактивтілік құбылыс жөнінде жазылған негізгі ғылыми еңбектердің авторы. “Радиоактивті заттарды зерттеу” тақырыбына докторлық диссертация қорғады (1903). Склодовская – Кюридің радиоактивті заттарды зерттеу жөніндегі еңбектері (1897) физика мен химияның жаңа саласының негізіне алынды. 1898 ж. ерлі-зайыпты Кюрилер жаңа химия элемент полоний мен радий элементін ашты. Олар радийдің сәуле шығару сипатының күрделі екендігін анықтап, оның затқа тигізетін әсерлерін зерттеді. Склодовская – Кюри 1902 ж. радийдің таза тұзын, 1910 ж. француз химигі А.Дебьернмен (1874 — 1949) бірге металл радийді алды. Сөйтіп ол радийдің атомдық молекуласын екінші рет үлкен дәлдікпен анықтады. 1911 ж. радий эталонын алғаш рет жасады. Склодовская – Кюри Нобель сыйл-мен екі рет (1903 ж. физика, 1911 ж. химия салалары бойынша) марапатталды. 1910 ж. Мария Кюри радий химиялық элемент екендігін дәлелдеп береді. Бірнеше айдан кейін Швед Корольдігінің Ғылым академиясы химия саласы бойына Мария Кюриге Нобель сыйлығын береді. Сөйтіп, Мария Кюри алғаш Нобель сыйлығын екі рет иеленген ең бірінші лауреат болып танылды. Жиналған тәжірибелерін ол 1920 ж. «Радиология және соғыс» атты монографиясында жалпылайды

U мен Tc ыдыраған кезде әрқайсысы бірнеше радиоактивті атомдарды тудырады.Табиғи радиактивті элементтерге α және β активтілік тән.

Изотоптар,изобаралар,изотондар,изомерлер.Ядросында протон саны бірдей ал нейтрон саны әртүрлі атомдар изотоптар деп аталады.Изотоптар Д.И.Менделеев кестесінде бір тор көзінде орналасқан.Мысалы,табиғи оттегінің 3 изотобы бар:

168О(99,76%),178О(0,04%) және 818О(0,20%)

Осыған байланысты бірнеше изотопы бар табиғи оттегінің атомдық массасы басқа да бірнеше изотопы бар элементтер сияқты,бүтін сан болмайды.Мысалы,оттектің массасы 16,17 не болмаса 18 емес,оның масса салмағы 15,9999 тең болады.Бірақ,ескерту ретінде айта кету керек:жекелей химиялық элементтің бірнеше изотопы бар және ядро құрамында айырмашылығы (нейтрон сандары бірдей емес)болса да,олардыңэлектрондық құрылысы және жалпы электрондарының сандары бірдей болады.Сондықтан әр түрлі изотоптардың химиялық қасиеттері,сондай-ақ электрон қабатына байланысты физикалық қасиеттері бірдей болады,яғни олар негізгі химиялық қасиеттері бойынша ажыратылмайды;химиялық реакция кезінде бірдей қасиет көрсетеді.

Ядросында нуклон саны бірдей,яғни протон,нейтрон саны,массасы бірдей әр түрлі элементтердің атомдары изобаралар деп аталады.

 

 Радиоактивті изотоптардың ғылымда және техникада қолданылуы.Табиғи және радиоактивті элементтердін изотоптары өздерінің табиғатына,радиоактивті сәулелердің түріне ,жартылай ыдырау периодына,сәулелену энергиясының және бірдей химиялық қасиеттерінің ерекшеліктеріне қарай ғылым мен техникада кең қолданыс тапқан.

Ý –сәулесінің бөліп шығаратын 60Со,187Cs,170 Tm т.б изотоптар металдардың дефектоскопиясы мен құймаларда кендердің,мұнайлы қабаттардың және табиғи газдардың кен орындарын табуда көп қолданылады.Медицинада ісік ауруларын емдеуге Ý-терепияда қолданылады.

Радиоактивті изотоптар металдың диффузиясы,машинаның бөлшектерін тазарту,қоймадағы сұйықтықтардың көлемін өлшеуде,конвейерде өндірілетін өнімнің мөлшерін бақылауда,ұрықты уландыру және т.б процестерді анықтау үшін қолданылады.

Радиоактивті өнімдеу әдісі химия саласында,яғни реакцияның жылдамдығын,заттың құрылысын,күрделі қосылыстарда элементтердің алмасу мүмкіндігін,қиын еритін заттардың ерігіштігін,басқа процестерде тұнбаның пайда болуын зерттеуде қолдану кең өріс алған.

Радиоактивті изотоптар белгілі элементтің жылжуы мен аккумуляциясына қадағалауға мүмкіндік береді.

Бұл көптеген ауруларды емдеу барысында бақылау жұмыстарын жүргізуге,алмасу және тамақтану процестерін қадағалауға с онымен қатар зерттеулерге мүмкіндік береді.

Радиоактивті изотоптарды шығарып алу және оларды қолдану.

Табиғатта кездеспейтін элементтер. Жоғарыда айтылғандай ядролық реакцияның жәрдемімен табиғатта тек тұрақты күйде кездесетін химиялық элементтердің радиоактивті изотоптары алынған. Нөмірлері 43, 61, 85 және $7 элементтердің тұрақты изотоптары жалпы кездеспейді, олар жасанды түрде бірінші рет алынған. Ал, технеций деп аталған 2 = 43 элементтің ең ұзақ өмір сүретін изотопы бар, оның жартылай ыдырау периоды миллион жылға жуық.