 |
|
|
|
()ModernLib.Net / / / () - (. 29)
Изотопическая инвариантность Изотопи'ческая инвариа'нтность,свойство сильных взаuмoдействий элементарных частиц. Существующие в природе частицы, обладающие сильными взаимодействиями (адроны), можно разбить на группы «похожих» частиц, в каждую из которых входят частицы с примерно равными массами и одинаковыми внутренними характеристиками ( спином , барионным зарядом , странностью ), за исключением электрического заряда. Такие группы называются изотопическими мультиплетами. Оказывается, что сильное взаимодействие для всех частиц, входящих в один и тот же изотопический мультиплет, одинаково, т. е. не зависит от электрического заряда, - в этом и состоит симметрия сильных взаимодействий, называемая И. и. Простейший пример частиц, которые могут быть объединены в один изотопический мультиплет, - протон (р) и нейтрон (n). Опыт показывает, что сильное взаимодействие протона с протоном, нейтрона с нейтроном и протона с нейтроном одинаково (если они находятся соответственно в одинаковых состояниях); это послужило исходным пунктом для установления И. и. Протон и нейтрон рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной частицы - нуклона; они образуют изотопический дублет. Другие примеры изотопических мультиплетов: пи-мезоны (p +, p 0, p -) и S -гипероны (S +, S°, S -), образующие изотопические триплеты. Электрический заряд Qчастицы, входящей в изотопический мультиплет, выражается формулой Гелл-Мана - Нишиджимы:
Здесь В -барионный заряд, S- странность (одинаковые для всех частиц в данном изотопическом мультиплете), а величина I 3пробегает с интервалом в единицу все значения от некоторого максимального значения I(целого или полуцелого) до минимального, равного - I: I 3= I, I- 1, ..., - I. Общее число значений, которые может принимать величина I 3(и Q) для данного изотопического мультиплета, а следовательно, и число частиц в изотопическом мультиплете, равно 2 I+ 1. Величина I, определяющая число частиц в изотопическом мультиплете, называется изотопическим спином, а величина I 3- «проекцией» изотопического спина. Эти названия основаны на формальной математической аналогии с обычным спином частиц, поскольку, согласно квантовой механике, для частиц со спином Jпроекция спина на произвольное направление в пространстве может принимать через единицу значения от + Jдо - J, т. е. иметь 2 J+ 1 значений. Так как нуклоны существуют в двух зарядовых состояниях, то для них (как и для всех других частиц, входящих в изотопические дублеты) 2 I+ 1 = 2, т. е. I= 1/ 2а I 3может принимать два значения: + 1/ 2для протона (что соответствует Q= + 1 ,так как у нуклонов барионный заряд B= 1 ,а странность S= 0) и - 1/ 2 для нейтрона ( Q= 0). Изотопическому триплету пионов соответствует I= 1, а I 3равно + 1 для p +, 0 для p° и - 1 для p -.Частицы с I =0 не имеют изотопических «партнёров» и являются изотопическими синглетами; к таким частицам относятся, например, гипероны L 0и W - . Изотопический спин является, таким образом, важной характеристикой адрона - квантовым числом,показывающим, какое количество изотопических «партнёров» имеет данная частица (или в каком числе зарядовых состояний она может находиться). На основе И. и. удаётся предсказать существование, массу и заряды новых частиц, если известны их изотопические «партнёры». Так было предсказано существование p°, S°, X° по известным p +, p -; S +, S -и X -. И. и. имеет место и для составных систем из адронов, в частности для атомных ядер. Изотопический спин сложной системы складывается из изотопических спинов входящих в систему частиц, при этом сложение производится по тем же правилам, что и для обычного спина. Так, система из двух частиц с изотопическими спинами 1/ 2(например, нуклон) и 1 (например, p-мезон) может иметь изотопический спин I= 1 + 1/ 2= 3/ 2или I= 1 - 1/ 2= 1/ 2. В ядрах И. и. проявляется в существовании уровней энергии с одинаковыми квантовыми числами для различных изобаров (т. е. для ядер, содержащих одинаковое число нуклонов и отличающихся электрическим зарядом). Примером служат ядра 14 6С, 14 7N, 14 8O: основное состояния ядер 14С, 14О и первое возбуждённое состояние 14N образуют изотопический триплет, I= 1 (см. рис .). Все квантовые числа этих уровней одинаковы, а различие в их энергиях можно объяснить разницей электростатических энергий из-за различия в электрических зарядах этих ядер. (Основной уровень 14N имеет изотопический спин I= 0, поэтому у него нет аналогов в ядрах 14C и 14O.) Из И. и. следует закон сохранения полного изотопического спина Iв процессах, обусловленных сильными взаимодействиями. Этот закон приводит к определённым соотношениям между вероятностями процессов для различных частиц, входящих в одинаковые изотопические мультиплеты, а также к запрету некоторых реакций [например, реакция d + d ® 4He + p° не может происходить за счёт сильных взаимодействий, так как для d (дейтрона) и 4He I= 0, а для p°-мезона I= 1]. Экспериментальной проверке таких предсказаний посвящено много работ на ускорителях заряженных частиц высокой энергии. И. и. имеет место только для сильных взаимодействий и нарушается электромагнитными взаимодействиями (явно зависящими от электрических зарядов частиц, т. е. от I 3), «сила» которых по порядку величины составляет примерно 1% от сильных взаимодействий. Различие электромагнитных взаимодействий для разных частиц, входящих в один и тот же изотопический мультиплет, и обусловливает различие в их массах. Лит. см. при ст . Элементарные частицы . С. С. Герштейн. Изотопический спин Изотопи'ческий спин,одна из характеристик сильно взаимодействующих частиц, определяющая (вместе с другими характеристиками - массой, спином , барионным зарядом ) ее принадлежность к группе частиц с близкими свойствами (но разными электрическими зарядами), одинаковым образом участвующих в сильных взаимодействиях . См. Изотопическая инвариантность. Изотопные индикаторы Изото'пные индика'торы,вещества, имеющие отличный от природного изотопный состав и благодаря этому используемые в качестве метки при изучении самых разнообразных процессов. Роль изотопной метки выполняют стабильные или радиоактивные изотопы химических элементов, которые легко могут быть обнаружены и определены количественно. Высокая чувствительность и специфичность И. и. позволяют проследить за ними в сложных процессах перемещения, распределения и превращения веществ в сколь угодно сложных системах, в том числе и в живых организмах. Метод И. и. (называется также методом меченых атомов) был впервые предложен Д. Хевеши и Ф. Панетом в 1913. Широкое использование И. и. стало возможным благодаря развитию ядерной техники, позволившей получать изотопы в массовом масштабе. Метод И. и. основан на том, что химические свойства разных изотопов одного элемента почти одинаковы (благодаря чему поведение меченых атомов в изучаемых процессах практически не отличается от поведения других атомов того же элемента), и на лёгкости обнаружения изотопов, особенно радиоактивных. При использовании метода необходим учёт возможных реакций изотопного обмена , приводящих к перераспределению меченых атомов (следовательно, к потере соединением метки), а иногда и учёт радиационных эффектов, связанных с влиянием радиоактивных излучений на ход процесса. Изотоп, используемый в качестве метки, вводится в состав изучаемых соединений. Могут быть использованы как стабильные, так и радиоактивные изотопы. 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. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 |
|||||||
