Презентация к уроку физики в 11 классе "Изотопы"

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Фредерик Содди

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно обнаружилось, что существуют вещества, тождественные по своим химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся по-разному). Их никак не удавалось разделить ни одним из известных химических способов. На этом основании Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся, в частности, своей радиоактивностью. Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева. Содди назвал их изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).
Изотопы (от греческих слов isos «одинаковый» и topos «место») это атомы одного химического элемента с разным числом нейтронов в ядре.

Фредерик Со́дди (2 сентября 1877, Истборн — 22 сентября 1956, Брайтон) — английский радиохимик, член Лондонского королевского общества (1910), лауреат Нобелевской премии по химии (1921).

Дж.Дж. Томсон

Предположение Содди получило блестящее подтверждение и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Томсон провел точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях. Он обнаружил, что неон представляет собой смесь двух видов атомов. Бо́льшая часть их имеет относительную массу, равную 20. Но существует незначительная часть атомов с относительной атомной массой 22. В результате относительная атомная масса смеси была принята равной 20,2. Атомы, обладающие одними и теми же химическими свойствами, различались массой.

Изотопы

У атома есть ядро, и вокруг ядра движутся электроны. Само ядро состоит из протонов и нейтронов. И если число протонов у химического элемента всегда одинаковое, то число нейтронов может быть разное. Говоря простым языком, существует два вида хлора, встречающихся в природе, 35 Cl и 37 Cl. Это все хлор, но он имеет разное количество нейтронов в атоме.
Науке известны только 20 химических элементов, которые не имеют изотопов. Все остальные, соответственно, их имеют. Например, уран имеет 26 изотопов. Изотопы могут быть как стабильные, так и нестабильные — радиоактивные. При распаде нестабильного ядра — радионуклида — из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц высокой энергии. Поток этих частиц называют радиоактивным излучением или попросту радиацией.

Изотопы водорода

Особенно интересны изотопы водорода, так как они различаются по массе в 2 и 3 раза. Изотоп с относительной атомной массой 2 называется дейтерием. Он стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода. Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды. При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °С и замерзает при 3,8 °С.

Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием. Он β-радиоактивен, и его период полураспада около 12 лет.

Изотопы и нуклиды

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.
Примечательно, что при точном измерении относительных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам. А вот атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел. Так, относительная атомная масса хлора равна 35,5. Это значит, что в естественном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях. Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомного ядра.
Часто понятия «изотоп» и «нуклид» употребляются как синонимы, но это не всегда верно, поскольку нуклид — это каждый отдельный вид атомов химического элемента с определенным массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядра. Даже если у нуклидов одинаковое количество протонов и нейтронов, но энергетический уровень ядра находится в разном состоянии, то речь идет о разных нуклидах. Понятие «радионуклид», которое наряду с термином «нуклид» в 1947 году предложил американский химик Трумэн Коман, применяется, когда ядро атома нестабильно и склонно к радиоактивному распаду.

Всего на текущий момент известно около трех тысяч природных и искусственно полученных нуклидов. При этом из них стабильны лишь порядка 300, а остальные радиоактивны. Существует таблица, содержащая все известные науке нуклиды. В ней они расположены по осям Z (число протонов) и N (число нейтронов). Каждая строка посвящена одному химическому элементу — его стабильным и нестабильным изотопам. Таблица нуклидов почти в 20 раз больше таблицы Менделеева.

Радионуклиды

Радионуклид — радиоактивный атом с данным массовым числом и атомным номером а для изомерных атомов — и с определенным энергетическим состоянием атомного ядра.
Радионуклиды представляют собой радиоактивные изотопы химических элементов
с разными массовыми числами.
Радионуклиды широко применяются в народном хозяйстве, технике, науке и медицине.
С их помощью изучают физиологические и биохимические процессы в норме и при патологии, а так же закономерности миграции и обмена химических элементов в окружающей среде, организме животных и человека.
Радиоактивные изотопы по свойствам относятся к разным категориям.

В начале первого тысячелетия нашей эры римляне искали и находили исцеление в долине реки Оос. Они построили на источниках Civitas Anurelia Aquensis − так тогда назывался Баден-Баден, большие купальные сооружения для своих солдат. В 214 г. при императоре Каракалле были выстроены императорские купальни.

Позже оказалось, что воды многих известных курортных источников тоже радиоактивны. Целебность воды была объяснена ее радиоактивностью за счет "эманации радия" (радиоактивного газа, который мы сегодня называем радоном).

Природные радионуклиды

Большинство радионуклидов получаются искусственным путём, однако существуют и природные радионуклиды, к которым относятся:
радионуклиды с большими периодами полураспада (>5·107 лет, например уран-238, торий-232, калий-40), которые не успели распасться с момента нуклеосинтеза за время существования Земли, 4,5 млрд лет;
радиогенные радионуклиды — продукты распада вышеуказанных долгоживущих радионуклидов (например, радон-222 и другие радионуклиды из рядов радия, тория и актиния);
космогенные радионуклиды, возникающие в результате действия космического излучения (тритий, углерод-14, бериллий-7 и др.).
Наиболее опасными для организма человека долгоживущими радионуклидами техногенного происхождения являются цезий-137 и стронций-90, период полураспада которых составляет около 30 лет. Именно эти два изотопа подлежат обязательной проверке в пищевых продуктах согласно СанПиН 2.3.2.1078-01 в РФ.
Наибольший уровень содержания радиоактивных веществ характерен для грибов. Особенно сильно накапливают радиацию свинушки, масленок осенний, польский гриб. Эти грибы составляют группу так называемых «аккумуляторов» радиации. Несколько меньше накапливают радионуклиды груздь черный, сыроежки, волнушка розовая. Также существенные количества радионуклидов накапливают лесные ягоды, в особенности клюква.

Позитронно-эмиссионная томография

ПЭТ сегодня является одним из самых совершенных диагностических инструментов.
Рентгеновская, ультразвуковая, и магнитно-резонасная томография проявляют структуру органа на стадии её патологического изменения. ПЭТ же способен зарегистрировать изменения в обменных процессах, которые этому предшествуют. ПЭТ помогает самому раннему распознаванию патологических сдвигов задолго до появления морфологических изменений.
Пациенту вводят радиофармпрепарат (РФП), содержащий β+-активные изотопы 15O (период полураспада 2.04 мин), 13N (9.96 мин). 11С (20.4 мин). 18F (110 мин) и др. Позитроны, испущенные радионуклидами, имеют в биологических тканях очень короткий пробег (несколько мм). В результате аннигиляции позитронов образуются два γ-кванта с энергиями 511 кэВ. Таким образом, аннигиляция происходит практически в том же месте, где находилась молекула РФП. γ-Кванты разлетаются в противоположных направлениях и регистрируется методом совпадений.

Пара датчиков располагается на одной прямой с различных сторон пациента, и оба γ-кванта из пары попадают на свои датчики одновременно. В результате регистрации такого события можно построить прямую линию, проходящую через область концентрации радионуклида. Сегментированный детектор выполнен в виде нескольких колец, окружающих пациента см. рис. Зарегистрировав большое число пар γ-квантов, и, построив пересечение их траекторий, можно получить изображение распределения РФП и таким образом визуализовать исследуемый орган.

Генераторы радионуклидов

Генератор радионуклидов представляет из себя устройство, в котором находится относительно долгоживущий "родительский" изотоп, который распадаясь постоянно продуцирует необходимый, например для ПЭТ, короткоживущий изотоп, который затем выделяется методами хроматографии, экстракции или сублимации.
На рис. в качестве примера показана схема и внешний вид генератора 82Sr→82Rb. Использование такого генератора, который менялся в установке ПЭТ один раз в месяц, позволило исключить необходимость в наличии циклотрона и радиохимической лаборатории в клинике, что существенно удешевило диагностику кардиозаболеваний.
Интересные перспективы сулит использование для ПЭТ ловушек антипротонов. Время жизни антипротонов в современных ловушках дни − недели. С помощью антипротонов из ловушек можно было бы получать короткоживущие изотопы непосредственно на месте их использования. Так что для производства процедуры ПЭТ необходимость в циклотроне пропадает и существенно расширяется география таких исследований. Впрочем для этого нужен ускоритель, производящий антипротоны, но он уже не должен территориально быть привязан к сканеру ПЭТ.

Радиоиммунотерапия, РИТЭГ

Радиоиммунотерапия (РИТ) - это комбинированный метод лечения, который совмещает в себе возможности радиотерапии и иммунотерапии. При иммунотерапии используются специально созданные в лабораторных условиях моноклональные антитела, обладающие способностью распознавать раковые клетки и связываться с их поверхностью. Моноклональные антитела имитируют активность собственных антител организма пациента, которые в норме атакуют инородные объекты, такие как бактерии и вирусы.
При РИТ используются моноклональные антитела, связанные с радиоактивным материалом (так называемой радиоактивной меткой). При введении в кровоток пациента помеченные радиоизотопом моноклональные антитела разыскивают раковые клетки и связываются с ними, что обеспечивает высвобождение высокой дозы излучения непосредственно в опухоли.
Радиоизотопный термоэлектрический генератор, или РИТЭГ, — устройство, преобразующее тепловую энергию естественного распада радиоактивных изотопов в электричество.
Преимущественно РИТЭГ состоит из двух основных компонентов: источника тепла, содержащего радиоактивный изотоп, и твердотельных термопар, преобразующих тепловую энергию распада радиоактивного элемента в электричество.
То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что этим генератором нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя.
Для питания РИТЭГ подходят далеко не все радиоактивные изотопы. Они должны удовлетворять ряду характеристик: большой период полураспада, высокая объемная активность. При этом у радиоизотопа должен быть удобный для утилизации тип ионизирующего излучения. Гамма-излучение, нейтроны и электроны бета-распада склонны уносить часть энергии и требуют специальных конструктивных мер по предотвращению утечек, поэтому предпочтительным для генерации энергии является альфа-излучение. Наиболее часто в РИТЭГ используется плутоний-238.

Упражнения

Упражнения

Использованные ссылки

http://t0.gstatic.com/licensed-image?q=tbn:ANd9GcQajo3_5wZPJijv-jJrTRQdOUtNiImaM__uWP15MiPRz4bD_yFz18VMbiPnukdyAvAn
http://t3.gstatic.com/licensed-image?q=tbn:ANd9GcSZUo2UbejAWwxFUx8i2jJnVIFXmkb-Rnf4DpIa2Nxw53JFzLv5fPXxVTKKp2QwlWmM
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Hydrogen_Deuterium_Tritium_Nuclei_Schmatic-ru.svg
http://5terka.com/images/fiz79lukashikivanova/fiz79lukashikivanova-2325.png
https://i.ytimg.com/vi/fMZLMqEMpBE/sddefault.jpg
https://postnauka.ru/longreads/155722
http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuc_techn/med/images/is01.jpg
http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuc_techn/med/isotopes.htm
https://postnauka.ru/wtf/156016
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BF%D1%8B