Применение изотопов

Как заметил Хвольсон, до 1913 г. таблица Д. И. Менделеева «в физике никакой заметной роли не играла. Это была чистейшая химия». Ситуация изменилась после того, как датский физик Нильс Хенрик Давид Бор (1885—1962) создал квантовую теорию атома, а нидерландский физик Антониус Ванден Брук (1870—1926) установил физический смысл порядкового номера элемента в этой таблице. (Он оказался равным заряду атомного ядра, выраженному в элементарных зарядах е.)

В 1913 г. было сделано ещё одно важнейшее открытие. Оказалось, что атомы одного и того же химического элемента, ранее считавшиеся абсолютно тождественными, на самом деле могут быть разными, отличаясь друг от друга атомной массой. По предложению английского радиохимика Фредерика Содди (1877—1956) атомы (а также ядра) с одинаковым порядковым номером Z, но разными массовыми числами, А стали называть изотопами (от греч. «изос» — «равный», «одинаковый», «подобный» и «топос» — «место»).

Изотопы имеются у каждого химического элемента. Например, изотопов водорода три: протий (Н), дейтерий (D) и тритий (Т). После открытия строения ядра стало ясно, что различные изотопы данного элемента отличаются друг от друга количеством нейтронов в их ядрах. Так, наиболее лёгкий изотоп водорода — протий — вообще не содержит нейтронов, его тяжёлый изотоп — дейтерий — содержит в ядре (помимо протона) один нейтрон, а сверхтяжёлый изотоп водорода — тритий — уже два нейтрона.

Изотопы распространены в природе неодинаково. Например, дейтерий встречается почти в 7 тыс. раз реже, чем обычный водород (протий), а тритий самопроизвольно распадается, так что в естественных условиях его просто нет. Открытие изотопов позволило объяснить, почему относительные атомные массы химических элементов отличаются от целых чисел, причём иногда весьма существенно. Дело в том, что их значения, которые можно найти в таблице Д. И. Менделеева, представляют собой усреднённую атомную массу всех изотопов данного элемента с учётом того, как часто тот или иной изотоп встречается в природе. Например, атомная масса хлора равна 35,45, поскольку природный хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами 35 (76%) и 37 (24%). Следующий после водорода элемент — гелий (Не). Существует два его изотопа с массовыми числами 3 (0,14%) и 4 (99,99 986%). Ядро наиболее распространённого изотопа гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Оно как раз и является той самой альфа-частицей, с чьей помощью началось проникновение исследователей микромира внутрь атомного ядра. Затем идёт литий (Li), 92,5% которого составляет изотоп с массовым числом 7. В его ядре уже 3 протона и 4 нейтрона и т. д. Каждое атомное ядро характеризуется определённым оптимальным соотношением между числом протонов Z и числом нейтронов N. Между нейтронами существуют лишь короткодействующие ядерные силы, а между протонами — ещё и дальнодействующее электрическое отталкивание. У лёгких ядер энергия ядерного притяжения нуклонов значительно превышает энергию их электрического взаимодействия. Например, для ядра атома гелия энергия связи (минимальная энергия, необходимая для его полного расщепления на отдельные нуклоны) составляет 28 МэВ, в то время как энергия электрического отталкивания протонов равна всего лишь 0,3 МэВ. По этой причине лёгкие ядра не «нуждаются» в избыточном количестве нейтронов, и в большинстве случаев у таких ядер оказывается N&Z. Однако по мере перехода к более тяжёлым ядрам, где много протонов, энергия электрического взаимодействия непрерывно увеличивается (причём быстрее, чем энергия ядерного притяжения) и его роль внутри ядра возрастает. При этом энергетически более выгодным становится превышение числа нейтронов над количеством протонов, поскольку, внедряясь между протонами, нейтроны ослабляют их взаимное отталкивание. Например, в ядре атома золота Z = 79, а N=118; в ядре атома урана Z=92, а N=146. Но с дальнейшим увеличением избытка нейтронов становится существенным то, что сами нейтроны в силу принципа Паули не испытывают «желания» скапливаться вплотную друг к другу. Поэтому очень тяжёлые ядра (их называют трансурановыми, так как в таблице Менделеева они расположены за ураном) не могут быть стабильными ни при каком соотношении между числом протонов и нейтронов. Для них становится энергетически выгодно, испустив альфаили бета-частицу, превратиться в другие, более устойчивые ядра.

Целью данной курсовой работы является обзор способов применения изотопов различных химических элементов в медицине, для исследовательских целей, в промышленности, а также в других сферах науки и техники.