Реферати українською » Физика » Радіоактивні ізотопи і сполуки


Реферат Радіоактивні ізотопи і сполуки

Страница 1 из 5 | Следующая страница

Радіоактивні ізотопи і з'єднання, мічені радіоактивними ізотопами, широко застосовують у найрізноманітніших сферах людської діяльності. Промисловість і технологічний контроль, сільське господарство й медицина, засоби зв'язку і наукових досліджень — охопити всього спектра застосування радіоактивних ізотопів практично неможливо, хоча вони виникли трохи більше, як 100 років. Поданий нижче матеріал присвячений використанню радіоактивних ізотопів у різних молекулярно-біологічних дослідженнях і є навчально-методичним посібником, а чи не суворій науковій публікацією. На жаль, значної частини початківців - молодих учених, що працюють у області life science, сподівається специфіку робіт з радіоактивними речовинами поверхово і фрагментарно. Це не дивно, позаяк у Росії освіту на медичних і біологічних факультетах це не дає ні основних теоретичних поглядів на радіоактивності, ні практичних навичок у цій галузі. У хіміків ситуація краще, оскільки деякі, основні поняття про природу радіоактивності входить у навчальну програму.
Хоча представлений матеріал вміщуємалоподготовленного читача, сподіваюся, що може стати у пригоді і професіоналів.



1. Основні поняття і термінологія

Радіоактивність (>radioactivity) — це позначення дивного явища природи, відкритогоБеккерелем наприкінці ХІХ століття, суті якого залежить від мимовільному спонтанному перетворення атомних ядер деяких елементів до інших, яке супроводжується виділенням трьох видів "променів". Природу променів встановили швидко:-лучи — це дворазово іонізовані атоми гелію,-лучи — це електрони,-лучи — це жорсткекоротковолновое електромагнітне випромінювання. Елементи, здатні до таких перетворенням стали називатися радіоактивними, тобто. здатними до цього перетворенню. Залежно від типу випромінювання, радіоактивні атоми стали визначати відповідно як, чи випромінювачі чи джерела. Щоправда, невдовзі було встановлено, деякі радіоактивні атоми випромінюють одразу дві (а можливо, і трьох) виду променів, тому така класифікація доповнюється поясненнями — це "чистий"-излучатель чи є супутнє-излучение. До початковою трьом типам ядерних перетворень (>, і — радіоактивний розпад) додалися нові, проте, загальні закономірності всім залишилися незмінними. Наприкінці сучасності рекомендували термін "ізотоп" замінити на "нуклід" і, "радіоактивний ізотоп" на "радіонуклід". Особливо поширення це нововведення не одержало, і обоє терміна використовують у наукову літературу як синоніми.

>Количественная характеристика радіоактивності отримала у фізиків назва "активність" (>activity). Оскільки фізикам хто б давав монопольного права на термін "активність", те із часом з'ясувалося, що у різних галузях науки під "активністю" розуміють зовсім різні поняття. Порівняйте: активність радіоактивного ізотопу, хімічна активність елемента чи сполуки,ензимологическая активність ферменту, біологічна (наприклад, антивірусна) активність препарату — усе це зовсім різні поняття. Зближення різних наукових дисциплін ще більше заплутує становище. Спробуйте охарактеризувати фермент, мічений радіоактивним ізотопомуглерода-14. Активність такого ферменту — це їїензимологическая характеристика чи радіоактивна? Тож у сучасній науковій літературі (особливо біологічної) дедалі більше термін "активність" для радіоактивні речовини замінюється терміном "радіоактивність".

За одиницю активності (радіоактивності) радіоактивного речовини в Міжнародної системі СІ прийнята швидкість радіоактивного розпаду, рівна 1 розпаду в секунду, яка отримала назву бекерель —Бк (в англійської версіїBq). Застаріла, але досі використовувана одиниця активності кюрі — Кі (в англійської версіїCi) — це активність препарату, еквівалентна активності 1 р металевогорадия-226 і рівна3,7х1010 >распадов в секунду, тобто.3,7х1010 >Бк.

У принципі, радіоактивний розпад — це перетворення ядра атома радіоактивного елемента, яке супроводжується виділенням продуктів такого перетворення. Наприклад, електронний захоплення є поглинання електрона ядром із-кванта, і такий тип "радіоактивного розпаду" точніше слід називати "ядерним перетворенням". Втім, обидва терміна використовують у літературі однакові, попри перевагу "ядерного перетворення".

Основний Закон радіоактивного розпаду описується чудовою формулою:

N>t = N0e->t

де:
  N>t — кількістьраспавшихся радіоактивних атомів;
  N0 — початкова кількість радіоактивних атомів;
  е — підставу натуральногологарифма;
  — константа швидкості радіоактивного розпаду;
 t — час.

Насправді до роботи нею не користується, проте, з цього формули слід відразу кількох досить простих, але занадто вже важливих висновків, і наслідків, що треба знати всім працюють із радіоактивними ізотопами:

1. Кількість радіоактивних атомів,распавшихся певний час спостереження, залежить від їх вихідного кількості і часу спостереження (розпаду). Ніякі інші параметри: астрономічні, фізичні, хімічні, парапсихологічні і "чарівні" на радіоактивний розпад не впливають.Константа швидкості радіоактивного розпаду [ ] (іноді її ще називають константою розпаду) визначається лише природою ізотопу й у кожного ізотопу має власну величину. Усі спроби уповільнити радіоактивний розпад охолодженням (навіть у рідкому азоті) чи прискорити розпад нагріванням абсолютно безглузді. Можете проводити стабільність хімічного сполуки, змінюючи температуру зберігання, проте радіоактивних атомів в препараті у своїй не зміниться.

2. Швидкість радіоактивного розпаду змінюється за експонентою (тобто. нелінійно), і розраховувати кількість радіоактивного матеріалу у вашій препараті треба з огляду на це факту, користуючись або вищенаведеної формулою, або відповідними таблицями розпаду (які зазвичай і роблять практично).

3. Уявіть собі, що у формулі радіоактивного розпаду N>t = 1/2 N0 , тобто. розпалася рівно половина радіоактивних атомів, які у препараті. Час цього процесу — константа Т1 — називається періодом піврозпаду. Фізичний сенс — час, протягом якого розпадається половина радіоактивних атомів даного ізотопу. Ця величина дуже корисна для які працюють із радіоактивністю,т.к. дозволяє швидко оцінити "втрати на розпад" препарату.

4. Фізичний сенс константи швидкості радіоактивного розпаду [ ] — це активність 1 моля (чиммоля) 100% радіоактивного ізотопу і розмірність цієї константи —Бк/моль (>Bq/mol) чиКи/ммоль (>Ci/mmol). Тобто, це теоретично досяжною ємолярная активність (активність одного моля радіоактивного речовини), знання якої дозволяє оцінити чутливість методу і якість радіоактивного препарату. Нижче звідси буде вказано докладніше.

2.Детекция ці виміру радіонуклідів

>Детектирование радіоактивного розпаду грунтується з його різних фізичних властивості:

5. здатність взаємодіяти з кристалами бромистого срібла,засвечивая світлочутливі матеріали, — авторадіографія,

6. здатність викликати "світіння" у зіткненні продуктів розпаду з декотрими речовинами — сцинтиляція,

7. здатність іонізуйте молекули довкілля продуктами радіоактивного розпаду — іонізація,

8. здатність викликати дефекти в кристалічних ґратах,

9. здатність здійснювати (чи каталізувати) деякі хімічні реакції.

Всі ці здібності були задіяні під час створення різних вимірювальних приладів та індикаторів різного призначення. Проте, для виміру активності, тобто. кількості ядерних перетворень в одиницю часу, найбільш широкого розповсюдження набули прилади, засновані на використанні сцинтиляції чи іонізації. Причому у life science використовують, зазвичай, сцинтиляційні прилади йавторадиографию, а фізичних, інженерних і медичних робіт — прилади, що вимірюють іонізацію середовища. Втім, такий поділ дуже умовне, оскільки різноманітних приладів та коштів вимірів було створено за 100 років дуже багато.

Слід особливо виокремити прилади для виміру іонізуючої здібності випромінювання. Це найважливіша зі складових контролю над опроміненням персоналу, котрий з джерелами іонізуючого випромінювання (зокрема і з радіоактивними речовинами). Контроль за радіаційної обстановкою здійснюється за особливим правилам, й стисла інформацію про нормах радіаційну небезпеку і одиницях, де ці норми встановлено. Поки слід підкреслити, що активність радіоактивного препарату і радіаційна обстановка біля його — це різні характеристики, наприклад, як маса речовини та її твердість. Одиниці активності (>Бк чи Кі) говорять про кількості ядерних перетворень в одиницю часу. Найпопулярніша одиниця експозиційної дози для- (рентгенівського) випромінювання — рентген (Р) — говорить про величині потоку іонізуючого випромінювання (потоку енергії), який струменіє через шар сухого повітря і викликає іонізацію певної кількості молекул повітря. Тому ніякого прямого зв'язок між цими величинами немає. Більшість радіонуклідів, які використовуються у life science (звідси нижче), загалом ніяк може бути охарактеризована терміном експозиційну доза, який запроваджено для- (рентгенівського) випромінювання.

2.1.Авторадиография

Це історично перший і, як і, досить популярний методдетекции різних радіонуклідів. Головна перевагаавторадиографии — простота і доступність.Видержите (>проекспонируйте) зразок з рентгенівською плівкою, потім проявіть плівку в стандартних умовах — і ви отримаєте картину розподілурадионуклида поверхнею зразка: гелю,тонкослойнойхроматограмми тощо.

Якщо отримана "картинка" вас це не влаштовує — можна повторити експозицію з новою плівкою, збільшуючи (чи зменшуючи) час за власним бажанням. Зазвичай час експозиції змінюють в23 разу, оскільки зміна часу експозиції на2030% суттєвих змін у картину не вносить.

Весьсиквенс ДНК і РНК з радіоактивним фосфором використовував виключноавторадиографию.Флюоресцентная мітка практично цілком витиснула радіоактивні ізотопи з секвенування, проте авторадіографія залишається широко застосовуваним методомдетекции.

Головна вадаавторадиографии — труднощі з кількісної оцінкою. При візуальному визначенні навіть інтуїтивно ясно, що інтенсивність ">почернения" плівки пропорційний кількості радіоактивних атомів тут. Але питання цієї "пропорційності" потребує поясненні. Є кілька типів сканерів, дозволяють досить вдало визначати інтенсивність ">зачернения" плівки і, отже, порівнювати плями інструментально, а чи не "на очей". Виявилося, що діапазон активності препарату, у якому інтенсивність ">зачернения" плівки прямо пропорційний кількості радіоактивних атомів, дуже невеликий і від часу експозиції зразка, з плівкою, типу плівки, природирадионуклида (тип розпаду та енергія випромінювання) і навіть від режиму обробки плівки. Наприклад, дляфосфора-32 за ніч експозиції лінійна залежність ">зачернения" плівки від активності зразка перебуває у діапазоні0,525Бк на мм2 (приблизно301500имп/мин). Подальше підвищення активності зразка, наприклад, до 100Бк на мм2 не призводить до більшої інтенсивності ">зачернения" — все вже "зашкалила".

Тому, простий рада для початківців працювати з кількісноїавторадиографией. Зробіть кількакалибровок — нанесіть ряд плям діаметром11,5 мм з активністю 1 · 3 · 10 · 30 · 100 · 300Бк,проекспонируйте його з рентгенівської плівкою часи і після обробки плівкипросканируйте її в своєму приладі. Ви відразу визначте діапазон, у якому ваші наступні кількісні вимірурадиоавтографов будуть коректними. Для різних радіонуклідів такий діапазон різниться дуже істотно, але враховувати їх треба у разі.

Для збільшення чутливостіавторадиографии (точніше, зменшення часу експозиції) можна скористатися посилюючими екранами. Це дуже ефективно дляфосфора-32 чийода-125, проте вона практично марно для м'яких (>слабоенергетических)-излучателей. Використання екрана дляфосфора-32 дозволяє знизити час експозицій23 разу, але при цьому доводиться "платити" погіршенням дозволу, що відбувається з допомогою "розмивання зон".

2.2.Сцинтилляционние лічильники

Ефект сцинтиляції для кількісного визначення радіонуклідів починали сміливо використовувати ще у період Резерфорда, який візуально вважав сцинтиляційні спалахи під мікроскопом. За років принципових змін цього не сталося. Поруч із джерелом випромінювання поміщають сцинтилятор іФЭУ (>фотоелектроннийумножитель), який вважає спалахи.Сцинтиллятор то, можливо твердим, і може бути прибутковим і рідким (частіше, розчиненим в рідини). У флакон (>vial) з рідкимсцинтиллятором додають тестований зразок, й у разі можна ефективно вимірювати навіть саме "слабке",низкоенергетическое випромінювання.

При вимірі активності (радіоактивності) будь-яких зразків й у будь-яких засобів вимірювання пам'ятаймо кілька простих, але важливих правил:

10. Радіоактивний розпад є класичний приклад випадкового,вероятностного природного процесу, розглядаючи вимір активності як реєстрацію випадкових подій, ми маємо математичну помилку виміру активності:

n1/2/n x 100%

де n — число "подій" (у разіраспадов)

 Наприклад, для 400 зареєстрованих імпульсів будь-якою приладі незалежно від часу виміру (спостереження) 4001/2 / 400 x 100% = 5%, тобто. помилка 5%. Це означає, чим більше число вимірів (власне рахунок), тим менше математична помилка виміру. Понад те, всупереч заведеною традицією, зниження математичної помилки виміру слід вважати не число зареєстрованих приладомраспадов (імпульсів) за одиницю часу, а час, необхідне "накопичення потрібного" числа імпульсів — наприклад, 10000имп. Проте, в усьому світі активність з допомогою лічильників вимірюють як збільшується кількість імпульсів за одиницю часу (зазвичай по 1 хвилині).

11. Усі лічильники мають верхня межа виміру, після якого їхня точність падає, оскільки лічильник не встигає реєструвати — "захлинається". Для сцинтиляційних лічильників — це активність лише на рівні 106>107 >расп./мин. Деякі типи лічильників мають вмонтовану блокування і відмовляються вважати зразки, активність яких перевищує встановлену для даної моделі. Оптимальна активність зразка для точного виміру 104>106 >расп./мин.

12. Проводячи кількісні виміру, наприклад, визначаючи концентраціюрадионуклида в розчині, завжди робіть хоча б 2, а краще 3 виміру незалежнихаликвот і активність визначайте як середню з 2 — 3 вимірів. Витрати часу на "зайві" процедури будуть із лихвою компенсовано відсіканням випадкових "викидів". Гопакування у вимірах, особливо в початківців дослідників, може становити 200% і більше, хоча у нормі ні перевищувати звичайну помилку рутинного відборуаликвот.

13. Жоден вимірювати не реєструє 100% всіх ">распадов" (>decompositions) в вимірюваному зразку. Ефективність рахунки — це коефіцієнт, який пов'язує зареєстровані приладом імпульси (>counts) і реальні розпади (>decompositions). Тож будь-якого вимірураспади/мин. (>dpm —decompositionspermin.) більшеимпульсов/мин. (>cpm —countspermin.). Щоправда, більшість радіонуклідів, що застосовуються у life science, ефективністьжидкостногосцинтилляционного рахунки становить понад 90%. Проте, тритій вдається вимірювати з ефективність трохи більше5060%. Зазвичай ефективність рахунку кожногорадионуклида вказується у Вищій технічній документації до приладу, і тривалий час мовчазне змагання між фірмами за вищу ефективність рахунки тритію було хіба що головним двигуном технічного прогресу у цій галузі.

14. Усі вимірювальні прилади мають власний "фон" — реєструють певна кількість імпульсів без джерела іонізуючого випромінювання (радіоактивного препарату). Природа фону різна: космічне випромінювання, електронний шум, зміст природних радіонуклідів у приміщенні, де встановлено вимірювальна апаратура тощо. Тому мінімально достовірна величина активності, яка вимірюється приладом, ув'язується зі тлом, і зазвичай приймається рівної триразовому перевищення фону такого приладу. Якщо вашому "епохальному" експерименті активність "головного" зразка ледь перевищує фон, спробуйте збільшити час виміру (можна до 20 хв.) — тоді достовірність виміру зросте.

15. Найчастіше в life science абсолютні виміру активності непотрібні, й значно важливіше одержувати інформацію про відносну активності зразків: розподіл активності погелю, хроматографічної платівці чи зелюированним з колонки продуктам; частка субстрату, перетворилася на продукт під впливом ферменту; часткалиганда, що з рецептором;детекция продуктів метаболізму сполуки,меченногорадионуклидом, та інші

Страница 1 из 5 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація