Радіоактивні ізотопи та сполуки
, мічені радіоактивними ізотопами, широко застосовуються в різних областях людської діяльності. Промисловість та технологічний контроль, сільське господарство та медицина, засоби зв'язку та наукові дослідження — охопити весь спектр застосування радіоактивних ізотопів практично неможливо, хоча всі вони виникли трохи більше ніж за 100 років. Поданий матеріал присвячений використанню радіоактивних ізотопів у різних молекулярно-біологічних дослідженнях і є навчально-методичним посібником, а не суворою науковою публікацією. На жаль, значна частина молодих вчених-початківців, що працюють в галузі life science, уявляє собі специфіку робіт з радіоактивними речовинами поверхово і фрагментарно. Це не дивно, оскільки в Україні освіта на медичних та біологічних факультетах не дає ні основних теоретичних уявлень про радіоактивність, ні практичних навичок у цій галузі. У хіміків ситуація краща, тому що деякі основні поняття про природу радіоактивності входять до навчальної програми.
1. Основні поняття та термінологія
Радіоактивність (radioactivity) - це позначення дивовижного явища природи, відкритого Беккерелем наприкінці XIX століття, суть якого полягає в мимовільному спонтанному перетворенні атомних ядер деяких елементів на інші, яке супроводжується виділенням трьох видів "променів". Природу променів встановили швидко: -промені - це дворазово іонізовані атоми гелію, -промені - це електрони, -промені - це жорстке короткохвильове електромагнітне випромінювання. Елементи, здатні до таких перетворень стали називатися радіоактивними, тобто. здатними до цього перетворення. Залежно від типу випромінювання радіоактивні атоми стали.визначати відповідно як α, β або γ випромінювачі чи джерела. Правда, незабаром було встановлено, що деякі радіоактивні атоми випромінюють відразу два (а можливо, і три) види променів, тому така класифікація доповнюється поясненнями - це "чистий" α-випромінювач або є супутнє γ-випромінювання. До початкових трьох типів ядерних перетворень (α, β і γ — радіоактивний розпад) додалися нові, проте загальні закономірності всім залишилися незмінними. Наприкінці ХХ століття було рекомендовано термін "ізотоп" замінити на "нуклід" та, відповідно, "радіоактивний ізотоп" на "радіонуклід". Особливо широкого поширення це нововведення не набуло, і обидва терміни використовуються у науковій літературі як синоніми.
Кількісна характеристика радіоактивності отримала у фізиків назву активність (activity). Оскільки фізикам ніхто давав монопольного права термін " активність " , то з часом з'ясувалося, що у різних галузях науки під " активністю " розуміють зовсім різні поняття. Порівняйте: активність радіоактивного ізотопу, хімічна активність елемента чи сполуки, ензимологічна активність ферменту, біологічна (наприклад, антивірусна) активність препарату — це зовсім різні поняття. Зближення різних наукових дисциплін ще більше заплутує становище. Спробуйте охарактеризувати фермент, мічений радіоактивним ізотопом вуглецю-14. Активність такого ферменту – це його ензимологічна характеристика чи радіоактивна? Тому в сучасній науковій літературі (особливо біологічній) дедалі частіше термін "активність" для радіоактивних речовин замінюється терміном "радіоактивність".
За одиницю активності (радіоактивності) радіоактивної речовини в Міжнародній системі СІ прийнято швидкість радіоактивного розпаду, що дорівнює 1 розпаду всекунду, яка отримала назву беккереля - Бк (в англійській версії Bq). Застаріла, але як і раніше використовувана одиниця активності кюрі - Кі (в англійській версії Ci) - це активність препарату, еквівалентна активності 1 г металевого радію-226 і дорівнює 3,7 х10 10 розпадів на секунду, тобто. 3,7х10 10 Бк.
Строго кажучи, радіоактивний розпад – це перетворення ядра атома радіоактивного елемента, що супроводжується виділенням продуктів такого перетворення. Наприклад, електронне захоплення є поглинанням електрона ядром з виділенням γ-кванта, і такий тип "радіоактивного розпаду" більш точно слід називати "ядерним перетворенням". Втім, обидва терміни використовуються в літературі на рівних, незважаючи на перевагу "ядерного перетворення".
Основний закон радіоактивного розпаду описується чудовою формулою:
де: Nt — кількість радіоактивних атомів, що розпалися; N0 - початкова кількість радіоактивних атомів; е - основа натурального логарифму; λ - константа швидкості радіоактивного розпаду; t - час.
На практиці для роботи нею ніхто не користується, однак, з цієї формули випливає відразу кілька досить простих, але дуже важливих висновків і наслідків, які треба знати всім, хто працює з радіоактивними ізотопами:
1. Кількість радіоактивних атомів, що розпалися за деякий час спостереження, залежить тільки від їх вихідної кількості та часу спостереження (розпаду). Жодні інші параметри: астрономічні, фізичні, хімічні, парапсихологічні та "чарівні" на радіоактивний розпад не впливають. Константа швидкості радіоактивного розпаду [λ] (іноді її називають константою розпаду) визначається лише природою ізотопу і для кожного ізотопу має свою величину. Усі спроби уповільнити радіоактивнийрозпад охолодженням (навіть у рідкому азоті) чи прискорити розпад нагріванням абсолютно безглузді. Ви можете впливати на стабільність хімічної сполуки, змінюючи температуру її зберігання, але кількість радіоактивних атомів у препараті при цьому не зміниться.
2. Швидкість радіоактивного розпаду змінюється за експонентом (тобто нелінійно), і розраховувати кількість радіоактивного матеріалу у вашому препараті треба з урахуванням цього факту, користуючись або наведеною вище формулою, або відповідними таблицями розпаду (що зазвичай і роблять на практиці).
3. Уявіть, що у формулі радіоактивного розпаду Nt = 1/2 N0 , тобто. розпалася рівно половина радіоактивних атомів, які у препараті. Час цього процесу — константа Т12 називається періодом напіврозпаду. Фізичний зміст - час, протягом якого розпадається половина радіоактивних атомів даного ізотопу. Ця величина дуже корисна працюючих з радіоактивністю, т.к. дозволяє швидко оцінити "втрати на розпад" препарату.
4. Фізичний зміст константи швидкості радіоактивного розпаду [λ] - це активність 1 моля (або ммоля) 100% радіоактивного ізотопу і відповідно розмірність цієї константи - Бк/моль (Bq/mol) або Кі/ммоль (Ci/mmol). Тобто це теоретично досяжна молярна активність (активність одного моля радіоактивної речовини), знання якої дозволяє оцінити чутливість методу та якість радіоактивного препарату. Нижче про це буде сказано докладніше.
2. Детекція та кількісні вимірювання радіонуклідів
Детектування радіоактивного розпаду ґрунтується на його різних фізичних властивостях:
6. здатність викликати "світіння" при зіткненні продуктів розпаду з деякими речовинами - сцинтиляція,
7. здатність іонізувати молекули навколишньогосередовища продуктами радіоактивного розпаду - іонізація,
8. здатність викликати дефекти в кристалічних ґратах,
9. здатність здійснювати (чи каталізувати) деякі хімічні реакції.
Слід особливо виділити прилади для вимірювання іонізуючої здатності випромінювання. Це найважливіша складова контролю над опроміненням персоналу, працюючого з джерелами іонізуючого випромінювання (зокрема і з радіоактивними речовинами). Контроль за радіаційною обстановкою здійснюється за особливими правилами, та коротка інформація про норми радіаційної небезпеки та одиниці, в яких ці норми встановлені. Поки що слід наголосити, що активність радіоактивного препарату та радіаційна обстановка біля цього препарату — це зовсім різні характеристики, наприклад, як маса речовини та її твердість. Одиниці активності (Бк чи Кі) говорять про кількість ядерних перетворень в одиницю часу. Найбільш популярна одиниця експозиційної дози для γ- (рентгенівського) випромінювання - рентген (Р) - говорить про величину потоку іонізуючого випромінювання (потоку енергії), що проходить через шар сухого повітря і викликає іонізацію певної кількості молекул повітря. Тому жодного прямого зв'язку між цими величинами немає. Більшість радіонуклідів, які використовуються в life science (про це нижче), взагалі ніяк не може бути охарактеризована терміном експозиційна доза, який введений для γ-(рентгенівського) випромінювання.