Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия (1134491), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Естественно, что наряду с радиоактивными ядрами, имеющими период полураспада, соизмеримый с временем существования солнечной системы, в природе встречаются и все промежуточные продукты их распада. Так, в природе существует изотоп радия гга йа с периодом полураспада всего 1622 года, который является продуктом радиоактивного распада урана н поэтому непрерывно возникает из при- 29 родного урана. Всего в природе известно около 70 радиоактивных изотопов. Некоторые из них непрерывно образуются в небольших количествах в результате ядерных реакций, протекающих под дей« станем космического излучения.
Например, в верхних слоях атмосферы нейтроны, содержащиеся в космическом излучении, взаимодействуя с ядрами азота, образуют изотопы углерода "С и во. дорода 'Н Т а б л и и а 3. Характеристика иекоторык рааиоактазиык изотапоа, используеиык в биологии зверева, маз Ураявевве распада 0,013 О,!66 1,71 0,26 0,163 12,26 лет 5570 » 14,3 сут 26» 37» аН-а-Не+ е аеС е-~е!Ч+е ыр-аы5+е ыР ~6+ е ыБ-аыС! + е 30 !ЧЯ+и "С+'Н !еМ+и "С+'Н Однако содержание этих изотопов в природе чрезвычайно мало— один атом "С приходится на 10'а атомов углерода, а один атом трития — на 10зо атомов водорода. Изотопы широко применяются в научных исследованиях„где они используются как меченые атомы для выяснения механизма химических и, в частности„биохимических процессов. Для этих целей необходимы значительные количества изотопов.
Стабильные изотопы получают выделением из природных элементов, а радиоактивные в большинстве случаев с помощью ядерных реакций, которые осуществляются искусственно в результате действия на подходящие элементы нейтронного излучения ядерных реакторов или мощных потоков частиц с высокими энергиями (например, дейтронов — ядер дейтерия б), создаваемых ускорителями. Один и тот же изотоп можно получить различными путями. Так, например, радиоактявные изотопы водорода, углерода, фосфора н серы, наиболее широко используемые в практике биологических исследований, образуются в результате следующих ядерных реакций: зНе+и- зН+р Р+б зН+р з1.!+и 'Н+'Не геЯ+и !'С+р С+0 С,-р згР+и зтР+у зт8+и зтР+р вас+и а»Р+р мС1 1-и зтР+еНе ззС1+п- мБ+р Периоды полураспада полученных изотопов, а также энергии испускаемых ими р-частиц !электронов) приведены в табл.
3. $2.4. Метод меченых атомов Изотопы одного и того же элемента практически не отличаются по химическим свойствам. В то же время одинаковые по строению, но различные по изотопному составу молекулы можно различать физическими методами. Самым общим различием таких молекул является различие в массах.
Это позволяет определять изотопный состав молекул с помощью масс-спектрометра. В масс-спектрометре (рис. 5) молекулы в высоком вакууме бомбардируются потоком электронов, которые выбивают из иих собственные электроны, превращая их в положительно заряженные ! ионы. Пучок таких ионов ускоряется электрическим полем и попадает в магнитное поле. При л Х этом за счет сил Лоренца ионы ~г отклоняются от прямолинейного 1 движения. Сила Лоренца зави- ф сит от заряда иона Я и скорости его движения, а ускорение, от- рис. о. Прииниииильиии схема массклоняющее пучок ионов, опреде- сиситромстри: т — иеточиик иоиов; р — влектроетатиеео. ЛНЕТСН И МНССой ИОНОВ.
В ИТОГЕ кий вваливатор. 8 — иагиитиый авелвва- УГОЛ ОТКЛОНЕНИЯ ЗНВИСИТ От ОТНО- тов: Π— кол~ектоР ираеиивка ловов щения Я/т и оказывается разным для частиц разной массы. Если, например, в пучке имелись молекулы "Ой, "О'еО и "Ой, то после прохождения магнитного поля они образуют три отдельных пучка. Можно измерить интенсивность каждого пучка и тем самым определить относительное содержание каждого из трех видов молекул. Содержание молекул, в которые входит радиоактивный изотоп какого-либо из составляющих их элементов, определяется с помощью счетчиков радиоактивности. Если известна константа радиоактивного распада л, то содержание радиоактивного изотопа в образце (число атомов радиактивного изотопа п) определяется по (2.4); если измерить с помощью счетчика радиоактивности чис- йл ло распадов в единицу времени †,то Ф 1 Дп в=в й Ф Для изотопов с не слишком большими периодами полураспада зто позволяет определять очень малые количества радиоактивного изотопа, а тем самым и содержащего его вещества Современные счетчики радиоактивности позволяют надежно зарегистрировать скорость распада, если она достигает нескольких актов распада в секунду.
Таким образом, можно надежно зарегистрировать число атомов, равное!О/Ф. Для углерода "С константа скорости рас- 31 нада й=3,92 10-м с-' и, следовательно, можно зарегистрировать 2,6 10'з атомов мС. В случае мР с й=6,86 10-г можно зарегистрировать с хорошей точностью 1,7.10' атомов.
Наличие в каком-либо соединении необычного стабильного изотопа (сверх его естественного содержания, определяющегося распространенностью изотопа в природе) или радиоактивного изотопа позволяет проследить пути превращения этого соединения в присутствии большого числа других соединений, содержащих тот же элемент. Молекулы рассматриваемого соединения или, вернее, атомы элемента, входящего в это соединение, оказываются мечеными; они легко ойределяются иа фоне других, немеченых атомов того же элемента. Идею метода нетрудно понять на примере установления пути образования кислорода при фотосинтезе. Фотосинтез — один из важнейших процессов в биосфере; продуктом его являются практически все природные органические соединения. Под действием света, поглощаемого пигментом зеленых растений хлорофиллом, происходит в конечном итоге образование глюкозы ССаН~зОа и кислорода из диоксида углерода и воды.
Согласно полному уравнению фотосинтеза 6СОз+ 6НзО СзНмОз+ 6Ог можно было бы ожидать, что кислород, по крайней мере частично, получается из СОь В шести молекулах воды просто не хватает кислорода для образования шести молекул Оь С использованием в одних исследованиях воды, меченой по кислороду, НзмО, в другом случае — меченого оксида С"Оь было показано, что в первом случае получается "Оь во втором "Оь Следовательно, весь кислород при фотосинтезе происходит из воды.
Кислород из СОз может частично попасть в состав молекулы глюкозы, частично — в состав вновь образующихся молекул воды. Уравнение реакции, протекающей в присутствии воды НзмО, правильнее записать в виде 6С'аО +12Нз"О СзНгз'~Оа+бмОз+6НзмО В сложных химических и биологических процессах нередко количество какого-то вещества остается постоянным ие потому, что с веществом ничего не происходит, а потому, что количество вещества, образующегося из каких-либо предшественников, и количество вещества, исчезающего за тот же промежуток времени в результате свойственных ему превращений, оказывается одинаковым. Например, содержание белков в плазме крови в норме остается приблизительно постоянным; однако на самом деле они непрерывно обновляются.
Это нетрудно зарегистрировать, если ввести в кровь меченые аминокислоты, из которых синтезируются белки. При этом, помещая в счетчик радиоактивности белки, взятые через разные отрезки времени после инъекции аминокислот, можно увидеть, что белки становятся радиоактивными и их радиоактивность нара- 32 стает в течение некоторого периода времени. Это означает, что синтезируются новые молекулы белков.
А в силу постоянства их содержания следует, что они и разрушаются, т. е. происходит непрерывный обмен белков. Для получения меченых соединений приходится, как правило, исходить из сравнительно простых веществ, обогащенных каким-либо стабильным изотопом, или из получаемых в ядерных реакторах радиоактивных веществ. Более сложные соединения синтезируют химическим илн биохимическим путем. Например, многиесложныеприродныеорганические молекулы с меченым углеродом "С выделяют из растений, выращенных в среде '"СОз.
Поскольку химические свойства НСОТ ие отличаются от свойств природного ОСОь ои хорошо усваивается растениями, и из него в результате фотосинтеза получаются различные меченые '4С органические соединения — сахара, аминокислоты и т. п. ГПАВА З СТРОЕНИЕ И СОСТОЯНИЯ АТОМА Согласно законам классической механики частицы (или тела), на которые действуют силы притяжения с энергией взаимодействия, обратно пропорциональной расстоянию до центра притяжения, вращаются относительно этого центра (илн, как говорят, движутся по орбитам), если нх кинетическая энергия меньше абсолютного значения потенциальной, т. е.
полная энергия отрицательна (при положительной суммарной энергии частицы разлетятся на бесконечное расстояние). Так описывается, например, движение планет и комет вокруг Солнца и спутников вокруг Земли. Для описания движения электрона в пространстве атомных размеров, как было показано ранее (см. $1.1), классическая механика непригодна даже в качестве грубого приближения. Более того„по законам классической физики электрон при своем движении вокруг ядра должен непрерывно терять энергию в виде излучения и за очень короткое время упасть на ядро.
Однако атомы являются устойчивыми образованиями и могут существовать неопределенно долгое время. Имея наименьшую массу, электрон является «самой квантовой» частицей в химических системах, и именно это обстоятельство определяет своеобразие строения и поведения таких систем, Все химические свойства веществ обусловлены квантовой природой образующих их частиц и прежде всего электронов. 2 — 169 в ЗЛ. Атом водорода. Атомные орбмтаим Простейший атом — атом водорода — образован из двух частиц: электрона и ядра, содержащего один протон. Оператор потенциальной энергии такой системы имеет вид, совпадающий с вы- Рнс. 6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
