Лекция по "Физике"

Лекция 6. Изотопы. Уиллард Либби. Теория Либби. Эксперимент. Способы измерения активности радиоуглерода. Проверка точности метода. Присуждение Нобелевской премии. Трудности применения метода Либби. Радиоуглеродные парадоксы. Применение радиоуглеродного метода.

Изотопы

Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» предложил в 1912 году английский радиохимик Фредерик Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.

Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».

В 1921 году Содди стал Нобелевским лауреатом по химии «за вклад в химию радиоактивных веществ и за исследование происхождения и природы изотопов» [3, с.17].

Метод «меченых атомов»

Радиоактивные изотопы имеют нестабильные ядра, которые распадаются, испуская альфа-, бета- и гамма-лучи. Широкому применению изотопов в разного рода исследованиях во многом способствовало открытие, сделанное Дьёрдем Хевеши, одним из ассистентов Резерфорда. Хевеши высказал идею использования радиоактивных изотопов для того, чтобы метить химические элементы. Первоначально метод меченых атомов был применен для изучения механизма химических реакций. Используя излучение радиоактивного изотопа как индикатор, можно было установить, в какие молекулы переходит меченый атом. Впоследствии Хевеши успешно использовал радиоактивные изотопы и в физиологии – для исследования химических процессов, протекающих в живых механизмах.

Многие годы широкое внедрение меченых атомов в химическое и биологическое исследования сдерживалось тем, что природных радиоактивных изотопов очень мало. Кроме того, необходимы были такие меченые атомы, которые своим излучением не могут сильно повредить клетку. Перелом в этой области наступил после открытия Фредериком и Ирен Жолио-Кюри искусственной радиоактивности.

 

Искусственная радиоактивность

Искусственную радиоактивность открыли Фредерик и Ирен Жолио-Кюри в январе 1934 года. Облучая алюминиевую фольгу альфа-частицами, французские исследователи обнаружили, что после облучения мишень сама становится источником излучения. Анализ показал, что получаются новые изотопы, которые в большинстве своем радиоактивны. Спустя год, в 1935 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов».

Возможность создания радиоактивных изотопов по желанию исследователя вдохнула новую жизнь в метод меченых атомов. После того как стало возможным получать радиоактивный углерод, азот, фосфор и другие элементы, меченые атомы нашли широкое применение в медицине, физиологии, химии.

В 1943 году Дьёрдь Хевеши был удостоен Нобелевской премии по химии «за работу по использованию изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».

 

Радиоактивные «часы» Земли

С радиоактивными изотопами связано еще одно замечательное открытие нашего века. Оказывается, что Земля имеет свои радиоактивные «часы». Началось все с простого исследования, целью которого было определение относительного содержания радиоактивных и обычных изотопов углерода в живых организмах.                                                                         

Этими исследованиями занимался, в частности, Уиллард Фрэнк Либби. Впоследствии он использовал радиоактивные изотопы в создании радиоуглеродного метода [2, с.68-70].

 

Уиллард Либби

Американский физик Уиллард Фрэнк Либби родился 17 декабря 1908 года в Гранд-Валли (штат Колорадо), в семье Оура Эдварда Либби, фермера с трехклассным образованием, и Ивы Мэй Либби. Кроме Уилларда, у четы Либби было еще два сына и две дочери. Когда Уилларду исполнилось 5 лет, его семья переехала на ранчо неподалеку от Севастополя в северной части Калифорнии. По окончании средней школы, Либби поступил в Калифорнийский университет в Беркли, мечтая о карьере горного инженера. Однако вскоре он изменил своей мечте и  занялся  химией. В 1931 году Либби  получил степень бакалавра по химии. За исследования радиоактивных ядер с низкой энергией  Либби была присуждена докторская степень.

 В декабре 1941 года США вступили  во Вторую мировую войну, и  Либби в качестве участника  Манхэттенского проекта приступил  к разработке технологии газовой  диффузии для разделения изотопов урана, что было необходимо для создания атомной бомбы. В конце Второй мировой войны Либби стал полным профессором химического факультета Чикагского университета

Ученый был включен президентом Дуайтом Д.Эйзенхауром в состав Комиссии по атомной энергии США. В ней Либби занимался проблемами выпадения радиоактивных осадков в результате взрыва атомных бомб и участвовал в осуществлении международных программ применения ядерной технологии в мирных целях, таких, как «За мирный атом». После ухода из Комиссии по ядерной энергии в 1959 году он стал работать на химическом факультете Калифорнийского университете в Лос-Анджелесе. Три года спустя Либби был назначен директором Института геофизики и физики планет. Он занимал эту должность, совмещая ее с работой в Калифорнийском университете вплоть до ухода в отставку в 1976 году.

Сфера научных интересов Либби была достаточно широкой, включая геохимию, проблемы атмосферы планет, исследование лунной поверхности, контроль над состоянием окружающей среды, защиту от землетрясений и гражданскую оборону.

Теория Либби

В 1939 году исследователи установили, что при бомбардировке атмосферы космическими лучами возникает поток нейтронов. Атмосферный азот, поглощая нейтроны, превращается в изотоп углерода. В ядре атома этого изотопа 8 нейтронов, а не 6 как у обычного углерода. Самым важным является то, что углерод-14 радиоактивен.  Образовавшийся радиоуглерод быстро окисляется в воздухе до углекислого газа и поглощается растениями с помощью фотосинтеза.

Либби выдвинул теорию, согласно которой радиоактивный углерод генерируется с постоянной скоростью и что, однажды попав в молекулу, он в ней остается. Ученый заключил, что все живые существа обладают постоянным уровнем радиоактивности, который падает после смерти организма. Продолжительность жизни радиоактивного изотопа определяется периодом его полураспада – отрезком времени, необходимым для распада половины данного количества вещества.

Период полураспада углерода-14, согласно Мартину Кейману, составляет 5730 лет. Это время – довольно небольшое  по сравнению с возрастом Земли, однако достаточно протяженное для восстановления равновесия в процессе образования и распада радиоуглерода. Либби пришел к выводу, что «должна существовать возможность путем измерения оставшейся радиоактивности измерить время, которое прошло с момента смерти, если она произошла в период от 500 до 30 тыс. лет тому назад».

 

Эксперимент

Для проверки своей гипотезы Либби сконструировал счетчик Гейгера, стенки которого были утолщены двадцатисантиметровым слоем железа для поглощения земной радиации. Такой счетчик регистрировал проникающие через утолщенные стенки космические лучи. Использовался и другой счетчик (центральный счетчик) для измерения радиоактивности исследуемого образца. Он включался на одну тысячную доли секунду. На внутреннюю стенку металлической трубки помещался чистый углерод (в виде сажи). Это обеспечивало максимальную чувствительность к радиоактивности, испускаемой датируемым образцом. В трубке была натянута продольная проволока. Она была присоединена к положительному полюсу батареи (аноду). Сама трубка являлась катодом, так как ее подключили к отрицательному полюсу батареи.

 Для того чтобы измерить  удельную активность углерода  необходимо посчитать число распадов  радиоуглерода в известном количестве  углерода. Каждый такой распад  сопровождается выбрасыванием беты-частицы  после чего атом радиоуглерода  становится азотом.

 

Способы измерения активности радиоуглерода

Метод Либби конечно работал, но был весьма неудобным и трудоемким. В настоящее время для определения содержания радиоуглерода в образце используются: газонаполненные (обычно пропорциональные) счетчики, жидкосцинтилляционные установки и ускорительные масс-спектрометры.

 

Газонаполненные счетчики

 В газовом методе счета углерод исследуемого образца в виде газа добавляется к рабочему газу счетчика, или просто является рабочим газом. Для этого весь углерод образца переводят обычно в углекислый газ или метан. Внешние части счетчика играют роль активной защиты, регистрируя излучение, идущее извне и запрещая счет во внутренних счетчиках на этот момент времени. Эталон, относительно которого измеряется величина содержания радиоуглерода в образце, и фоновый счетчик, в котором нет радиоуглерода, помещаются во внутренние слои. Эталонный образец служит для учета индивидуальных особенностей измерительной установки. Для снижения фона от космических лучей всю систему помещают в защитный экран, изготовленный из свинца, стали, парафина с бороной кислотой, ртути.

К достоинствам газового метода следует отнести простоту получения счетного газа. Основным недостатком газового метода является его довольно сложная эксплуатация.

Жидкосцинтилляционные установки

Примерно с 1965 года широкое распространение в датировании получил метод жидкостной сцинтилляции. При его использовании полученный из образца углеродсодержащий газ превращают в жидкость, которую можно хранить и исследовать в небольшом стеклянном сосуде. В жидкость добавляют специальное вещество – сцинтиллятор, которое заряжается энергией электронов, высвобождающихся при распаде радиоуглерода. Сцинтиллятор почти сразу испускает накопленную энергию в виде вспышек световых волн. Свет можно улавливать с помощью фотоумножительной трубки. В сцинтилляционном счетчике имеются две такие трубки. Ложный сигнал можно выявить и исключить, поскольку он послан лишь одной трубкой. Современные сцинтилляционные счетчики характеризуются очень низким, почти нулевым, фоновым излучением, что позволяет датировать с высокой точностью образцы возрастом до 50 000 лет.

Сцинтилляционный метод требует тщательной подготовки образцов, поскольку углерод должен быть превращен в бензол.

У данного метода есть и свои минусы. В первую очередь требуется иметь достаточно большое количество образца. Кроме того, использующееся рабочее вещество – бензол – является канцерогеном.

 

Ускорительная масс-спектрометрия

В последние 15-20 лет был разработан и успешно применен метод прямого измерения количества радиоуглерода – метод ускорительной масс-спектрометрии. Для этого используют так называемые тандемные ускорители. Отрицательные ионы из источника, находящегося под нулевым потенциалом, ускоряются электрическим полем напряжением от единиц и до десятков миллионов вольт. В терминале ускорителя, уже имея энергию в несколько МэВ на заряд, они, пролетая через очень тонкую пленку, теряют электроны, превращаются в положительные ионы и продолжают ускоряться далее к детектору, который тоже находится под нулевым потенциалом. В тандемном ускорителе используется тот же метод разделения частиц по массе в магнитных полях, что и в масс-спектрометре. Однако за счет больших энергий удается также использовать различные другие эффекты для разделения элементов и изотопов. Поскольку в данном методе непосредственно считаются частицы радиоуглерода, а не акты распада, размер образца может быть значительно меньше. В настоящее время успешно измеряются образцы с содержанием всего лишь 10 микрограмм углерода [4, с.28, 31, 47].

Метод совпадений

Для точного измерения малого числа радиоактивных ядер радиацию, испускаемую этими ядрами в ходе анализа, необходимо изолировать как от фоновой космической радиации, так и от излучения радиоактивных ядер в окружающей среде. Немецкий физик Вальтер Боте разработал метод совпадений, при котором многочисленные электрические детекторы подсчитывают происходящие одновременно радиоактивные излучения. В 1954 году Вальтер Боте был награжден Нобелевской премией по физике «за метод совпадений для обнаружения космических лучей и сделанные в связи с этим открытия».

В созданном Либби методе, который представлял собой вариант метода Боте, в измерительной камере находились детекторы и внутренней и внешней радиации. Этот метод позволил значительно снизить влияние фона измерения очень низких уровней радиации [1].

 

Проверка точности метода

Точность своего метода Либби проверил путем измерения радиоактивности образцов красного дерева и пихты, точный возраст которых был установлен по числу годовых колец. Экспериментальному анализу были подвергнуты извлеченные при археологических раскопках предметы, возраст которых был уже известен, в частности  кусок дерева от погребальной лодки египетского фараона. Метод Либби досконально определил и тем самым подтвердил уже известный возраст находки. С этого времени он стал широко применяться в археологии и геологии.