БСЭ. Большая Советская Энциклопедия (ИЗ)

  Преимущество стабильных изотопов - их устойчивость и отсутствие ядерных излучений. Однако только небольшое число элементов имеет подходящие стабильные изотопы. Малая доступность последних и сравнительно сложная техника обнаружения составляют недостатки метода И. и. с применением стабильных изотопов. Преимущество радиоактивных изотопов - возможность их получения практически для всех элементов периодической системы, высокая чувствительность, специфичность и точность определения, простота и доступность измерительной аппаратуры. Поэтому большинство исследований, использующих метод И. и., выполнено с радиоактивными изотопами.

  Такие элементы, как водород, углерод, сера, хлор, свинец, имеют удобные для использования как стабильные - ²H, ¹³C, ³⁴S, ³⁵Cl, ³⁷Cl, ²⁰⁴РЬ, так и радиоактивные изотопы - ³H, ¹¹C, ¹⁴C, ³⁵S, ³⁶C1, ²¹²РЬ. В качестве изотопов азота и кислорода чаще всего применяются стабильные ¹⁵N и ¹⁸O и другие. Стабильные И. и. получают обогащением природных изотопных смесей путём многократного повторения операции разделения (перегонка, диффузия, термодиффузия, изотопный обмен, электролиз; см. Изотопов разделение ), а также на масс-спектрометрических установках и при ядерных реакциях.

  Для элементов, существующих в природе в виде одного изотопа (Be, F, Na, Al, P, I), в качестве меченых атомов используют только искусственные радиоактивные изотопы; примером часто применяемых радиоактивных изотопов служат ³H, ¹⁴C, ³²P, ³⁵S, ⁴⁵Ca, ⁵¹Cr, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Co, ⁸⁹Sr, ⁹⁵Nb, ¹¹⁰Ag, ¹³¹I и др. Выбор радиоактивного изотопа определяется его ядерными характеристиками - периодом полураспада, типом и энергией излучения. Для индикации пригодны радиоактивные изотопы, период полураспада которых не очень мал, что позволяет работать в течение времени, необходимого для эксперимента, но и не очень велик, что даёт возможность работать с весьма малыми количествами индикатора.

  Основным методом анализа стабильных изотопов служит масс-спектрометрия (чувствительность 10 ^-4% изотопа при точности 0,1-1% для проб массой в доли мг) .Всё большее применение находят спектральные методы и парамагнитный резонанс. Дейтерий, ¹⁸O и некоторые другие изотопы определяют по изменению показателя преломления, теплопроводности, плотности как самого элементарного вещества, так и его соединений. Радиоактивные изотопы определяют по их излучению при помощи счётчиков Гейгера или сцинтилляционных счётчиков. Так, с помощью счетчика Гейгера можно уловить излучение 10 ^-11 гуглерода ¹⁴C, 10 ^-16 гфосфора ³²Р и иода ¹³¹I, 10 ^-19 гуглерода ¹¹C и т. д. Современные жидкостные сцинтилляционные счётчики позволяют с высокой эффективностью и точностью проводить определение изотопов с мягким бета-излучением ( ³H, ¹⁴C, ³⁵S и др.). Введение в практику этого метода изотопного анализа повышает его производительность и позволяет работать с незначительными активностями, приближающимися к активности космического фона. Широкое применение в биологии получил метод авторадиографии. При работе с радиоактивными изотопами необходимо соблюдать правила техники безопасности в соответствии с существующими нормами.

  Известны различные способы синтеза меченых соединений . Наряду с обычным химическим синтезом используются реакции изотопного обмена и биологический синтез. В большинстве случаев изотопная метка занимает определённое положение в молекуле; например, пропионовую кислоту можно пометить по углероду тремя способами: ¹⁴CH ₃CH ₂COOH, СН ₃ ¹⁴СН ₂СООН, СН ₃СН ₂ ¹⁴СООН.

  Имеются три основных направления использования И. и. Методом И. и. изучают характер распределения веществ и пути их перемещения. И. и. вводят в ту или иную систему и через определённые промежутки времени устанавливают наличие И. и. в различных частях системы. Наиболее наглядные картины распределения получаются без разрушения образца при помощи радиоавтограмм (см. Авторадиография ).

  Другое направление использования И. и. - количественный анализ. Один из самых простых и распространённых вариантов метода И. и. - метод изотопного разбавления, при котором к анализируемому веществу добавляют дозированное количество И. и. и по степени его разбавления судят об исходном количестве вещества. Этот метод позволяет производить определение ничтожно малых количеств трудноопределяемых веществ и, наоборот, больших масс веществ; анализировать сложные смеси, анализ и разделение которых другими методами невозможны. Широкими возможностями отличается примыкающий к методу И. и. активационный анализ , где меткой служит изотоп другого элемента, образованный из данного в результате ядерной реакции. Особенно большое значение этот метод имеет при определении микроэлементов в металлах, сплавах, минералах, тканях, при быстром контроле технологических процессов. Количественный анализ природных изотопов, входящих в естественные радиоактивные ряды урана и тория, а также количественное определение изотопа ¹⁴C в умерших организмах позволяют определять возраст горных пород и археологических находок.

  Третьим направлением использования И. и. является выяснение механизма различных процессов и изучение строения химических соединений. Введение изотопной метки в определённое положение молекулы устраняет химическую неразличимость атомов, допуская возможность однозначного выяснения механизма тех или иных реакций, для которых обычные химические методы описывают только начальное и конечное состояния.

  Все указанные направления применения И. и. широко представлены в различных областях химии, биологии, медицины, техники, сельского хозяйства и т. д. Ниже приводятся отдельные примеры их использования.

  Лит.:Радиоактивные изотопы в химических исследованиях, Л. - М., 1965; Рогинский С. З., Теоретические основы изотопных методов изучения химических реакций, М., 1956; Ядернофизические методы анализа веществ, М., 1971 (Всесоюзная научно-техническая конференция «XX лет производства и применения изотопов и источников ядерных излучений в народном хозяйстве СССР», Минск, 1968).

  К. Б. Заборенко.

 В биологии И. и. применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование И. и. не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением И. и. связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во  2-й половине 20 в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода ( ²H и ³H), углерода ( ¹³C и ¹⁴C), азота ( ¹⁵N), кислорода ( ¹⁸O), фосфора ( ³²P), серы ( ³⁵S), железа ( ⁵⁹Fe), йода ( ¹³¹I) и др. были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке ( рис. 1 - 3).Применение И. и. привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза , а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганических веществ - карбонатов, нитратов, фосфатов и др.

  С помощью И. и. выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и др. мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью И. и. решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов , в жизни растений ( рис. 4).Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин , фосфора - в нервную и мышечные ткани, кальция - в кости).

  Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за «судьбой» отдельных атомов и химических групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении современных схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах. К работам этой группы относится выяснение вопроса о происхождении кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза: оказалось, что его источником является вода, а не двуокись углерода. С другой стороны, применение ¹⁴CO ₂позволило выяснить пути превращений двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Использование «меченой» пищи привело к новому представлению о скоростях всасывания и распространения пищевых веществ, об их «судьбе» в организме и помогло проследить за влиянием внутренних и внешних факторов (голодание, асфиксия, переутомление и т. д.) на обмен веществ. Метод И. и. позволил изучить процессы обратимого транспорта веществ через биологические мембраны . Было показано, что концентрации веществ по обе стороны мембраны остаются постоянными с сохранением градиентов концентрации, характерных для каждой из разделённых мембранами сред.

  Метод И. и. нашёл применение в исследовании процессов, решающую роль в которых играет передача информации в организме (проводимость нервных импульсов, инициация и рецепция раздражения и др.) Эффективность метода И. и. в работах этого рода обусловлена тем, что исследования проводятся на целостных, интактных организмах, сохраняющих неповрежденной всю сложную систему нервных и гуморальных связей. Наконец, группа работ включает исследования статических характеристик биологических структур, начиная с молекулярного уровня (белки, нуклеиновые кислоты) и кончая надмолекулярными структурами (рибосомы, хромосомы и др. органеллы). Например, исследования относительной устойчивости белков и нуклеиновых кислот в ¹H ₂O, ²H ₂O и в H ₂ ¹⁸O способствовали выяснению природы сил, стабилизирующих структуру биополимеров , в частности роли водородных связей в биологических системах.

  Важное значение при выборе изотопа имеет вопрос о чувствительности метода изотопного анализа, а также о типе радиоактивного распада и энергии излучения. Преимущество стабильных изотопов ( ²H, ¹⁸O, ¹⁵N и др.) - отсутствие излучений, часто оказывающих побочное воздействие на исследуемую живую систему. В то же время, сравнительно низкая чувствительность методов их определений ( масс-спектроскопия , денситометрия ), а также необходимость выделения меченого соединения ограничивают применение стабильных изотопов в биологии. Высокая чувствительность регистрации гамма-активных изотопов ( ⁵⁹Fe, ¹³¹I и др.) позволила в живом организме измерить скорость кроветока, определить количество крови и время её полного кругооборота, исследовать работу желёз внутренней секреции.

  Лит.:Камен М., Радиоактивные индикаторы в биологии, пер. с англ., М., 1948; Хевеши Г., Радиоактивные индикаторы, их применение в биохимии, нормальной физиологии и патологической физиологии человека и животных, пер. с англ., М., 1950; Метод меченных атомов в биологии, Изотопы в биохимии, М., 1963; Ванг Ч., Уиллис Д., Радиоиндикаторный метод в биологии, пер. с англ., М., 1969; Радиоактивные изотопы во внешней среде и организме, М., 1970.

  И. Н. Верховская.

  И. и. в медицине. С помощью И. И. были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики многих заболеваний ( см. Радиоизотопная диагностика).И и. вводят в организм в крайне малых количествах, не способных вызвать какие-либо патологические сдвиги. Различные элементы неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и И. и. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют радиометрическими приборами, скенированием , авторадиографией и др. Так, состояние большого и малого круга кровообращения, сердечного кровообращения, скорости кроветока, изображение полостей сердца определяют с помощью соединений, включающих ²⁴Na, ¹³¹I, ^99MTc; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют ^99MTc, ¹³³Xe; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с ¹³¹I используют для диагностики различных воспалительных процессов в легких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной железы. Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бенгал-роз с ¹³¹I, ¹⁹⁸Au; функцию почек - при ренографии c ¹³¹I-гиппураном и скенированием после введения неогидрина, меченого ²⁰³Hg или ^99MTc. Изображение кишечника, желудка получают, используя ^99MTc, селезёнки - применяя эритроциты с ^99MTc или ⁵¹Сr; с помощью ⁷⁵Se диагностируют заболевания поджелудочной железы. Диагностическое применение имеют также ⁸⁵Sr и ⁸⁵P.

  А. В. Козлова.

  И. и. в сельском хозяйстве ( ³H, ¹⁴C, ²²Na, ³²P, ³⁵S, ⁴²K, ⁴⁵Ca, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn, ⁹⁹Mo и др.) широко используются для определения физических свойств почвы и запасов в ней элементов пищи растений, для изучения взаимодействия почвы и удобрений, процессов усвоения растениями питательных элементов из минеральных туков, поступления в растения минеральной пищи через листья и других вопросов почвоведения и агрохимии. Пользуются И. и. для выявления действия на растительный организм пестицидов , в частности гербицидов , что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод И. и., исследуют важнейшие биологические свойства с.-х. культур (при оценке и отборе селекционного материала) - урожайность, скороспелость, хладостойкость. В животноводстве изучают физиологические процессы, протекающие в организме животных, проводят анализ кормов на содержание токсичных веществ (малые дозы которых трудно определить химическими методами) и микроэлементов. При помощи И. и. разрабатывают приёмы автоматизации производственных процессов, например отделение корнеклубнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.

Рис. 1. Отложение радиоактивных изотопов стронция и фосфора в костях: ⁸⁹Sr откладывается преимущественно в самой кости, ³²P - в костном мозге.

Рис. 4. Схема опыта по изучению поглощения радиоактивных изотопов раздельно корнями и плодами арахиса: 1 - среда для корней; 2 - среда для плодов.

Рис. 3. Избирательное накопление радиоизотопа серы ( ³⁵S) в хрящевой ткани 20-дневного зародыша крысы: А - окрашенный срез; Б - радиоавтограф.

Рис. 2. Распределение радиоизотопа фосфора ( ³²P) на поперечном срезе сахарной свёклы при нанесении изотопа на один из листьев растения.

Изотопные методы

Изото'пные ме'тодыв геологии, методы изучения геол. процессов, основанные на исследовании содержания и соотношений радиоактивных, радиогенных и стабильных изотопов отдельных химич. элементов в горных породах, минералах, природных водах, газах и органич. веществе.

  Наиболее разработаны и широко применимы методы абсолютной геохронологии (см. Геохронология ), с их помощью, по соотношению радиоактивных изотопов и дочерних продуктов их распада, например ²³⁵U - ²⁰⁷Pb; ²³⁸U - ²⁰⁶Pb; ²³²Th - ²⁰⁸Pb; ⁸⁷Rb - ⁸⁷Sr; ⁴⁰K - ⁴⁰Ar и др., определяется абс. возраст горных пород и минералов. Методами абс. геохронологии определён возраст пород Земли, Луны, метеоритов; по изотопному составу инертных газов (Ar, Xe и мн. др.) судят о радиационном возрасте метеоритов (времени воздействия на них космич. облучения), Изотопный состав инертных газов Земли и метеоритов несёт богатую информацию об особенностях образования вещества Солнечной системы (см. Космохимия ). Содержание ¹⁴C(T1/2 = 5600 лет) в ископаемых остатках на Земле позволяет определять время их захоронения; с помощью ¹⁴C определён возраст многих археол. находок. Различное содержание ¹⁴C в годовых кольцах древесины деревьев может указывать на неодинаковую интенсивность образования его в атмосфере прошлых геол. периодов, связанную с периодами изменения интенсивности космич. облучения планеты. По парам ²³⁰Io - ²³²Th: ²³⁰Io - ²³¹Ra, а также по абс. содержанию радиоактивных ¹⁴C и ¹⁰Bc в донных отложениях океанов и морей определяются скорость и время накопления различных донных морских осадков; средняя продолжительность накопления неконсолидированных осадков в океане достигает 150Ч10 ⁶лет.

  Важную роль в геол. исследованиях играет вариация в содержании стабильных изотопов. Несмотря на небольшое различие в физ. и хим. свойствах изотопов при некоторых геол. процессах происходит фракционирование (разделение) изотопов отдельных хим. элементов. Наибольший эффект фракционирования характерен для лёгких элементов - Н, С, N, О, S и др., т. к. для них относительная разница в массах изотопов наибольшая. Различия в свойствах изотопов тяжёлых элементов малы и на совр. уровне измерительной техники трудно определяются. Измерения ведутся на масс-спектрометре по отношению к эталонам, изотопный состав которых принимается всеми лабораториями мира. Результаты измерений выражаются в величинах d, показывающих, на сколько % или ^o/ _ooсодержание тяжёлого изотопа в образце больше (+d) или меньше ( - d), чем в эталоне. Одним из наиболее распространённых процессов фракционирования стабильных изотопов является изотопный обмен . Глубина разделения изотопов определяется кинетическими и термодинамич. факторами. При высокой температуре фракционирование минимально, при низкой - максимально. При обычной температуре наиболее восстановленные соединения С, S, N содержат больше лёгкого изотопа; высокоокисленные их соединения содержат больше тяжёлого изотопа, например:

CH 4	H 2S	NH 3			утяжеление C, S, N
C	S	N 2
CO	SO 2	NO
CO 2	SO 3	NO 2
	SO 4 2-	NO 3 -	Ї	Ї

  Изучение вариаций состава стабильных изотопов позволяет решать одну из важнейших задач геохимии - восстановление истории атомов, путей их миграции в течение геол. процессов. Так, выделение ⁴He и ³He, а также других изотопов нейтральных газов при вулканич. извержениях, особенно в областях срединно-океанич. хребтов, позволяет изучать глубинные процессы, идущие в мантии Земли. Испарение водных масс с поверхности океанов и морей сопровождается разделением изотопов. В водяном паре изотопный состав водорода ( ¹H/ ²H) и кислорода ( ¹⁶O/ ¹⁸O) легче, чем в морской воде. Пары воды содержат преим. ¹H ₂O, а более тяжелая молекула воды ( ²H ₂O) обогащает океанич. воду. При конденсации паров воды снова происходит разделение изотопов, и первые капли дождя содержат более «тяжёлую» воду, чем последующие. Наиболее «лёгкая» вода кристаллизуется в виде снега и льда в полярных областях, например в Антарктике, где содержание ²H в различных слоях снега и льда зависит от того, в каком сезоне года они накапливались. Пресные воды легче морских, и их изотопный состав иногда имеет сезонные колебания. При изотопном обмене между разными компонентами устанавливается равновесие реакции, например: . Так, образование карбонатов в условиях термодинамич. равновесия с раствором сопровождается смещением изотопного состава кислорода. Величина этого смещения зависит от температуры. Например, наибольшее обогащение карбоната кальция (CaCO ₃) изотопом ¹⁶O происходит при осаждении CaCO ₃в холодной воде. Зависимость фракционирования изотопов от температуры, при которой протекает реакция, была положена в основу палеотермометрического метода; так, изучение изотопного состава кислорода известковых скелетов ископаемых морских организмов позволяет определять температуры древних морей. Метод настолько чувствителен, что по кольцам роста раковин устанавливаются сезонные колебания температуры древних морей.

  Немалую роль в изучении геол. процессов играют изотопы серы. Изотопный состав серы в горных породах и минералах Земли подвержен значит, колебаниям. За стандарт изотопного состава серы принимается сера метеоритов. Обычно измеряются вариации в отношениях наиболее распространённых изотопов ³²S/ ³⁴S. Осн. процесс изотопного фракционирования серы связан с перераспределением изотопов между окисленными (сульфатами) и восстановленными (сульфидами) соединениями серы. Изотопное фракционирование в геол. процессах могло начаться только после появления окисленных соединений серы, т. е. после появления на Земле свободного кислорода. Поэтому, изучая изотопный состав серы древних отложений, можно определить время формирования кислородной атмосферы Земли. Важным механизмом разделения изотопов серы является восстановление сульфатов. В условиях низких температур восстановление обычно идёт с помощью сульфатредуцирующих бактерий. Образующийся сероводород обогащается лёгким изотопом серы, а оставшийся сульфат утяжеляется. Вся сера сульфидных соединений прошла стадию биогенного окисления, в результате чего изотопный состав серы, например, океанич. сульфатов утяжелён на неск. % по сравнению с серой метеоритов. Эта величина служит важной планетарной константой. Изотопный состав серы месторождений сульфидов цветных тяжёлых металлов позволяет восстанавливать историю атомов серы до момента их фиксации в рудах и решать вопрос об источнике рудного вещества. В частности, выясняется большая роль в рудообразовании серы, которая прошла стадию редукции сульфатов. Установлено, что в магматич. процессы часто вовлекается вещество осадочных пород.

  По изотопным отношениям углерода ¹²C/ ¹³C выделяются два вида соединений. Одним свойственно повышенное содержание тяжёлого углерода (d ¹³C~О + ), например углерод осадочных карбонатных отложений; другим - лёгкого (d ¹³C ~ -20, -40 ^о/ _оо), например углерод нефти, горючих газов, совр. организмов и т. п. При образовании алмазов, карбонатитов в мантии Земли происходит фракционирование изотопного состава углерода. Изотопный состав углерода алмазов и карбонатитов отличается от углерода, например, карбонатов и одинаков в разных точках земного шара. Изучение изотопного состава углерода позволяет ближе подойти к решению вопроса о происхождении нефти, газа, алмазов, углеводородных соединений в магматич. породах, графита в древних метаморфич. толщах.

  Методы изотопных исследований - новая развивающаяся область геологии. В последние годы обнаружены колебания в изотопном составе В, Mg, Cu, Si и некоторых др. элементов. Изучение геол. значения этих колебаний - задача будущего.

  А. П. Виноградов.

Изотопные эффекты

Изото'пные эффе'кты,изотопические эффекты, различия в свойствах изотопов данного элемента или в свойствах соединений, отличающихся изотопным составом, обусловленные разницей их атомных масс. Неодинаковые свойства изотопов, определяемые не массой, а другими характеристиками атомного ядра (проявляющиеся в радиоактивном распаде и т. п.), обычно не относятся к И. э.

  Разница в массах изотопов обусловливает различие масс молекул, их моментов инерции, прочности соответствующих химических связей. Это приводит как к неравномерному распределению изотопов между химическими соединениями при достижении равновесия изотопного обмена (термодинамические И. э.), так и к неодинаковым скоростям одной и той же химической реакции, протекающей с участием разных изотопных форм реагирующих соединений (кинетические И. э.). Относительное различие масс изотопов тем меньше, чем больше атомный номер элемента. У изотопов водорода оно составляет 100% для дейтерия D (