О. В. Мосин ядерные реакции и их использование в биологических исследованиях

О.В. Мосин

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Известны три главных ряда распада радиоактивных элементов, встречающихся в природе: ряд урана, ряд тория и ряд актиния. Каждый ряд, или семейство, получил свое название по исходному элементу. В результате серии последователь­ных распадов этого элемента образуется ряд радиоактивных элементов, заканчивающийся одним из стабильных изотопов свинца. Радий и радон образуются в ряду урана, который представлен в табл. 1.

Таблица

Ряд урана [1]

В 1932 г Ирэн Кюри и Фредерик Жолио-Кюри впервые показали воз­можность искусственного получения радиоактивных изотопов. Бомбардируя легкие элементы — бор, алюминий и магний — а-частицами, они получили радиоактивные изотопы встречаю­щихся в природе стабильных элементов. Так, при бомбардировке магния а-частицами образуется радиоактивный кремний, который быстро распадается, превращаясь в стабиль­ный изотоп алюминия. Соответствующие ядерные реакции опи­сываются уравнениями:

²⁴Mg + ⁴He—²⁷Si + ¹n;

²⁷Si — 27Al + ⁰;

Эти уравнения показывают, что на первой стадии ядро магния подвергается удару а-частицы, удерживает два протона и один нейтрон, а второй нейтрон, содержащийся в а-частице, испускает. При этом заряд ядра увеличивается до +14, и образующийся новый элемент представляет собой кремний с атомным весом 27. Этот легкий изотоп кремния радиоакти­вен— он быстро распадается, испуская один позитрон, и превра­щается в стабильный изотоп алюминия.

Испускание электронов или позитронов характерно для искусственных радиоактивных элементов; вместе с тем они подвержены также распадам и других типов. В некоторых случаях ядро мо­жет захватывать электрон с ближайшей к ядру ls-орбитали, которую часто называют К-оболочкой. Это явление называется К-захватом. Добавление одного электрона к ядру уменьшает атомный номер на одну единицу, превращая элемент в его бли­жайшего левого соседа по периодической таблице Менделеева. Освобождающееся при этом на электронной орбитали вакантное место за­полняется другими орбитальными электронами, причем в тече­ние всех этих перемещений электронов испускаются рентгенов­ские лучи. Испускание у-лучей вслед за испусканием частиц, за­хватом электрона или некоторыми другими ядерными процес­сами позволяет ядру освободиться от излишков энергии и обре­сти стабильность. Испускание а-частиц более характерно для тяжелых элементов, хотя оно имеет место и в случае некоторых редкоземельных элементов, например ¹⁴²Ce.

В биологических исследованиях часто используются изотопы водорода, углерода и фосфора. Изотоп водорода, в ядре кото­рого содержатся один протон и один нейтрон, получил название дейтерия и обозначается ²Н или символом D. Вода, в которой все водороды замещены на дейтерий, имеет формулу ²H₂O или D₂O. Дейтерий не радиоактивен, т. е. является стабильным изотопом водорода. Тем не менее его часто используют в биологи­ческих исследованиях, так как его присутствие в различных соединениях меняет их физические свойства. В табл. 2 сравниваются некоторые физические свойства H₂O и и D₂O.

Таблица 2

Некоторые физические свойства ²H₂0 и H₂0

Замена водорода на дейтерий сопровождается изменениями некоторых спектральных свойств (в частности, ин­фракрасных спектров, спектров комбинационного рассеяния и спектров ядерного магнитного резонанса). Такая замена влияет также на скорость химической реакции, если стадия, лимитирую­щая скорость, включает разрыв связи с атомом дейтерия.

В биологических исследованиях чаще всего используются изотопы водорода, углерода и фосфора: ³H, ¹⁴С и ³²Р. Изотоп ³Н тритий, и его часто обозначают символом Т. Вода, в которой все атомы водорода заме­щены на атомы трития, может быть изображена формулой Т₂О. Изотопы ¹⁴С и ³²Р не имеют специальных названий. Для всех этих трех изотопов характерен -распад, сопровождающийся испусканием отрицательных -частиц; однако они заметно различаются между собой по скорости распада и по средней энер­гии испускаемых -частиц, как это видно из табл. 3. Средняя энергия -частиц в ряду Т, ¹⁴С, ³²P возрастает приблизительно в 10 раз.

В молекулах живых клеток в большом коли­честве содержатся азот и кислород. Для этих двух элементов известны радиоактивные изотопы, однако они редко используются биологами, поскольку все они имеют очень короткие пе­риоды полураспада. Период полураспада наиболее устойчивого радиоактивного изотопа азота ¹³N составляет всего лишь 10,1 мин, а наиболее устойчивого радиоактивного изотопа кислорода ¹⁵О — 124 с. Два стабильных изотопа этих элементов ¹⁵N и ¹⁸O получили широкое применение в биохимии.

Таблица 8.4

Некоторые характеристики изотопов водорода (¹H), углерода (¹⁴C) и фосфора (³²P)

КИНЕТИКА ЯДЕРНОГО РАСПАДА

Распад радионуклидов описы­вается кинетическим уравнением первого порядка. Скорость распада зависит от числа присутствующих ядер:

-dn/dt = n,

п — число присутствующих радиоактивных атомов, dn/dt — уменьшение этого числа во времени и  — постоянная величина, называемая константой распада. Интегрирование этого дифференци­ального уравнения дает:

2,303lg n₀/n = t

Важной характеристикой радионуклида является период его полураспада. Величина периода по­лураспада для реакции первого порядка равна

T_1/2 = 0,693/

Из этих формул видно, что период полураспада обратно пропорционален константе распада и может быть легко из нее вы­числен.

В природе существует девять радионуклидов, период полураспада ко­торых сравним с известным возрастом Земли, равным около 3,5-10⁹ лет. Поэтому считается, что они существуют со времени образования Земли. Другие встречающиеся в природе радионуклиды с более короткими периодами полураспада могли появиться уже после образования Земли в результате некоторых естественных процессов, таких, как распад долгоживущих радиоактивных элементов. Некоторые же радиоактив­ные изотопы с еще более короткими периодами полураспада, такие, как тритий ³Н или радиоактивный изотоп углерода ¹⁴С, образуются в небольших количествах бла­годаря воздействию космических лучей на атмосферу Земли.

РАСЩЕПЛЕНИЕ ЯДЕР И РЕАКТОРЫ

Термином расщепление (деление) обычно обозначается реакция, при которой ядро распадается на два ядра значительно меньшей массы. При делении урана (массовое число от 233 до 238) один из фрагментов будет иметь массовое число от 82 до 100, а другой — от 128 до 150. Кроме того, при этом освобож­дается несколько быстрых нейтронов. Симметричное деление с образованием двух фрагментов (осколков) примерно одина­ковой массы имеет место приблизительно один раз на 1000 де­лений.

Если внимательно посмотреть на периодическую таблицу, то можно заметить, что с увеличением атомного веса природного элемента соотношение между числом нейтронов и числом про­тонов в их ядрах увеличивается. Известно, что образование стабильных ядер с любой комбинацией нейтронов и протонов требует значительного количества энергии. Говоря о высокой энергии связывания или стабилизации ядер, мы имеем в виду не локализацию их на высоких энергетических уровнях, а то, что для их разрушения нужно затратить большое количество энергии. Элементы промежуточного атомного веса находятся на более низком энергетическом уровне с точки зрения ядерной энергии, чем элементы очень малого и очень большого атомного веса. Если бы это было не так, то ни деление ядер, ни их слия­ние не могли бы происходить самопроизвольно в обычных усло­виях. При наличии высокой энергии стабилизации масса нуклида оказывается меньшей, чем это можно было бы ожидать, если считать, что она равна сумме масс осколков. Соотношение между разницей в массах (дефектом массы) и энергией стаби­лизации дается уравнением Эйнштейна E = mc². По мере увеличения атомного веса элементов, начиная приблизи­тельно с атомного веса, равного 60, энергия связывания начи­нает постепенно снижаться, как это показано на рис. 1.

Расщепление тяжелого ядра на два ядра среднего атомного веса обязательно должно сопровождаться увеличением общей энер­гии связывания. Такое деле­ние сопровождается выбросом свободных нейтронов, по­скольку в ядрах элементов среднего атомного веса соотношение между количествами нейтронов и протонов ниже, чем в более тяжелых элементах. Открытие процесса деления явилось ре­зультатом экспериментов, предпринятых с целью синтеза не известных в то время элементов с атомным номером, превышаю­щим 92.

Среди тяжелых элементов, образующихся при бомбардировке урана нейтронами, были обнаружены различные изо­топы элементов среднего веса: бария, технеция, криптона и ксе­нона. Вскоре учёным в 1939 году стало ясно, что деление ядра может служить новым источником энергии. Шла вторая мировая война, и в 1941 г. в США была начата работа по созданию ядерного ору­жия на основе реакции деления. Успешное завершение этой работы стало историей.

Рис. 1. Энергия элементов как функция массового числа.

Процесс деления начинается с того, что тяжелое ядро урана становится неустойчивым. Ядро как бы уподобляется капле жидкости, геометрическая форма которой соответствует наи­меньшему отношению поверхности к объему. Если сферическое ядро может быть достаточно сильно деформировано (энергия, необходимая для критической деформации, различна для раз­ных нуклидов) и приведено в состояние, когда в нем начи­наются сильные внутренние колебания, то наступает процесс са­мопроизвольного деления.

Некоторые ядра от природы настолько нестабильны, что расщепление наступает без какого-либо им­пульса. Примером может служить ядро калифорния ²⁴⁹Cf. Энер­гия, необходимая для того, чтобы вызвать деление, называется порогом деления. Для одного из легких изотопов урана, ²³⁵U, порог деления очень низок, и фрагментация начинается уже в результате захвата ядром медленного (теплового) нейтрона (рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение деления ²³⁵U в результате захвата теплового нейтрона. Продуктами реакции могут быть также изотопы бария и криптона.

Уран, встречающийся в природе, на 99,3% состоит из изотопа ²³⁸U, которому для достижения его порога деления требуется захватить быстрый нейтрон. Однако при облучении нейтронами его можно превратить в расщепляемое вещество — плутоний. Нуклиды, которые не расщепляются тепловыми нейтронами, но при облучении нейтронами могут превращаться в расщепляемые нуклиды, носят название воспроизводящего материала реак­тора. Расщепляемый материал (обычно ²³⁵U) является сущест­венной составной частью топлива реактора. По мере того как расщепляемые и воспроизводящие материалы подвергаются облучению во время работы реактора, атомы расщепляемого материала постепенно расходуются, а из воспроизводящего ма­териала образуются новые расщепляемые атомы. Обычно в ре­акторах применяется твердое топливо — металлический уран или «керамика», приготовленная либо из окиси, либо из карбида урана. Скорость нейтронов, освобождающихся во время цепной реакции, понижается благодаря наличию замедлителя, в каче­стве которого используется обычная вода, тяжелая вода, бе­риллий или графит. Работа реактора регулируется введением регулировочных стержней из материала, который обладает сильно выраженной способностью захватывать нейтроны. Для этой цели часто используют бор или кадмий. При помощи этих стержней можно не только регулировать работу реактора, но и в случае необходимости остановить его. Схема реактора представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схематическое изображение реактора. Внутри реактора циркулирует охладитель, препятствующий слишком сильному разогреванию.

Для того чтобы начался процесс спонтанного деления плутония и урана, количество материала должно превышать определенную критическую массу, а сам материал должен обла­дать определенной структурой. Если имеющаяся в наличии масса расщепляющегося материала недостаточна, то нейтроны пролетят сквозь слой расщепляемых ядер раньше, чем произой­дет их захват. Масса должна быть, кроме того, упорядочена так, чтобы утечка нейтронов была минимальной. В атомной бомбе критическая масса достигается путем очень быстрого объединения нескольких кусков расщепляемого материала. Для этой цели используются обычные взрывчатые вещества, такие, например, как тринитротолуол.

Последовательность ядерных реакций при превращении в плутоний описывается следующими уравнениями: