| 13986122 15360 8522 910 1ри оценке и отборе селекционного материала) - урожайность, скороспелость, хладостойкость. В животноводстве изучают физиол. процессы, протекающие в организме животных, проводят анализ кормов на содержание токсич. веществ (малые дозы к-рых трудно определить хим. методами) и микроэлементов. При помощи И. и. разрабатывают приёмы автоматизации производств, процессов, напр, отделение корнеклубнеплодов от камней и комков почвы при уборке комбайном на каменистых и тяжёлых почвах.
ИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ в 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, напр. 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. Космохи-мия). Содержание 14C( T 1/2 = 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 - 221Ra, а также по абс. содержанию радиоактивных 14C и 10Be в донных отложениях океанов и морей определяются скорость и время накопления различных донных морских осадков; средняя продолжительность накопления неконсолидированных осадков в океане достигает 150*106 лет.
Важную роль в геол. исследованиях играет вариация в содержании стабильных изотопов. Несмотря на небольшое различие в физ. и хим. свойствах изотопов при нек-рых геол. процессах происходит фракционирование (разделение) изотопов отдельных хим. элементов. Наибольший эффект фракционирования характерен для лёгких элементов - H, 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 к-рых принимается всеми лабораториями мира. Результаты измерений выражаются в величинах 6, показывающих, на сколько % или 0/00 содержание тяжёлого изотопа в образце больше (+б) или меньше (-б), чем в эталоне.
Одним из наиболее распространённых процессов фракционирования стабильных изотопов является изотопный обмен. Глубина разделения изотопов определяется кинетическими и термодинамич. факторами. При высокой темп-ре фракционирование минимально, при низкой - максимально. При обычной темп-ре наиболее восстановленные соединения С, S, N содержат больше лёгкого изотопа; высокоокисленные их соединения содержат больше тяжёлого изотопа, напр.:
[1007-74.jpg]
Изучение вариаций состава стабильных изотопов позволяет решать одну из важнейших задач геохимии - восстановление истории атомов, путей их миграции Б течение геол. процессов. Так, выделение 4He и 3He, а также других изотопов нейтральных газов при вул-канич. 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 ('Н/2Н) и кислорода (16О/18О) легче, чем в морской воде. Пары воды содержат преим. 1H2O, а более тяжёлая молекула воды (2H2O) обогащает океа-нич. 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, напр, 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, напр.: C10O2 + H218O <-> H2C16O218O<-> 2 H216O + C16O18O. Так, образование карбонатов в условиях термодинамич. равновесия с раствором сопровождается смещением изотопного состава кислорода. Величина этого смещения зависит от темп-ры.
Напр., наибольшее обогащение карбоната кальций (СаСОз) изотопом 18O происходит при осаждении СаСОз в холодной воде. Зависимость фракционирования изотопов от температуры, при к-рой протекает реакция, была положена в основу палеотермометрического метода; так, изучение изотопного состава кислорода известковых скелетов ископаемых морских организмов позволяет определять тсмп-ры древних морей. Метод настолько чувствителен, что по кольцам роста раковин устанавливаются сезонные колебания темп-ры 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 темп-р восстановление обычно идёт с помощью сульфатреду-цирующих 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, напр., 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 [1007-75.jpg] , напр. углерод осадочных карбонатных отложений; другим - лёгкого (б13C ~ ~ - 20, - 40 %о), напр, 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, напр., 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 нек-рых др. элементов. Изучение геол. значения этих колебаний - задача будущего. А. П. Виноградов.
ИЗОТОПНЫЕ ЭФФЕКТЫ, 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 др. 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 хим. связей. Это приводит как к неравномерному распределению изотопов между хим. соединениями при достижении равновесия изотопного обмена (термодинамические И. э.), так и к неодинаковым скоростям одной и той же хим. 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 (2H) и 200% для трития T (3H) по сравнению с протием H (1H). Поэтому для водорода и гелия И. э. выражены наиболее сильно. К ним относятся, в частности, изотопическое смещение спектральных линий и эффекты, наблюдаемые при переходе в сверхпрово-дящее состояние и в состояние сверхтекучести.
Разница в массах изотопов данного элемента обусловливает неодинаковость свойств у изотопных форм хим. соединения, содержащего этот элемент (таких, как плотность, показатель преломления, вязкость, коэфф. диффузии и др.). Вследствие И. э. изменяются также тер-модинамич. свойства, такие, как теплоёмкость, теплопроводность, теплота испарения, теплота плавления, давление насыщенного пара при данной темп-ре и др., а также частоты колебания атомов в молекулах и в кристаллических решётках.
Использование изотопов в качестве изотопных индикаторов (меченых атомов) основано на представлении об идентичности физ. и хим. свойств изотопов данного элемента. Как показывает опыт, для мн. изотопов это упрощающее представление близко к действительности, и для них величины И. э. (как кинетических, так и термодинамических) не выходят за пределы ошибок хим. эксперимента. Однако для лёгких элементов различия в хим. свойствах изотопов могут быть существенны. Это необходимо учитывать, когда в качестве меченых атомов используются изотопы лёгких элементов, особенно изотопы водорода - дейтерий или тритий. И. э. лежат в основе почти всех известных лабораторных и пром. методов изотопов разделения. Я. M. Варшавский.
ИЗОТОПНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, то же, что радиоизотопный ракетный двигатель.
ИЗОТОПНЫЙ ОБМЕН, хим. процесс, заключающийся в перераспределении изотопов к.-л. элемента между реагирующими веществами. При И. о. происходит замещение одного изотопа к.-л. элемента на другой его изотоп в молекулах данного вещества без изменения их
элементарного состава. Напр., если хлористый водород HCl, обогащённый тяжёлым изотопом хлора 37Cl, смешать с хлором Cl2 обычного изотопного состава (75,53% 35Cl и 24,47% 37Cl), то вследствие реакций И. о. хлор обогатится тяжёлым изотопом, а хлористый водород обеднится им.
[1007-76.jpg]
Возможности протекания реакций И. о. весьма различны: они могут идти в гомогенных условиях (между растворённым веществом и растворителем, в смеси газов и т. д.), а также в гетерогенных (напр., между твёрдым или жидким веществом и нерастворимым газом). Механизмы реакций И. о. не отличаются от механизмов др. хим. реакций.
Поскольку хим. свойства изотопов одного и того же элемента почти одинаковы, а относительные различия в массах их атомов невелики (за исключением изотопов водорода), то при достижении хим. равновесия И. о. каждый изотоп распределяется между реагирующими веществами почти равномерно. Для изотопов тяжёлых элементов неравномерность не превышает десятых долей процента, для изотопов лёгких элементов (от Li до Cl) не превышает 10% . Только для изотопов водорода неравномерность в распределении между нек-рыми веществами достигает сотен процентов. Распределение изотопов между веществами в состоянии равновесия характеризуется коэфф. распределения а, определяющим соотношение равновесных концентраций изотопов в реагирующих веществах. При равномерном распределении изотопов а = 1. Отклонение от равномерного распределения зависит не только от массы изотопов, но и от хим. состава веществ, между к-рыми происходит И. о. Кроме того, а зависит от темп-ры и во всех случаях по мере её повышения приближается к 1. Скорость протекания И. о. всецело определяется механизмом реакций. В нек-рых случаях И. о. протекает практически мгновенно (напр., при ионных реакциях в растворе), в др. случаях - крайне медленно или же не происходит вовсе. Для ускорения И. о. так же, как и для др. хим. реакций, часто используют различные катализаторы.
И. о. применяют для концентрирова-ния требуемого изотопа. Для этого многократно повторяют процесс обогащения этим изотопом одного из веществ при условии неравномерного распределения изотопов между веществами. Для изотопов водорода и лития, нашедших применение в атомной и термоядерной энергетике, такие методы получили пром. использование. К ним относится, напр., получение тяжёлой воды путём И. о. воды и сероводорода или И. о. воды и водорода:
[1007-77.jpg]
или
[1007-78.jpg]
В хим. исследованиях И. о. применяют для выяснения элементарных стадий различных реакций. По скорости протекания И. о. можно иногда лучше, чем по др. реакциям, судить о подвижности атомов в молекулах и о реакционной способности хим. соединении. И. о. используют также в препаративных работах для получения меченых соединений (см. Изотопные индикаторы).
Лит.: Бродский А. И., Химия изотопов, 2 изд. , M., 1957; РогинскийС. 3., Теоретические основы изотопных методов изучения химических реакций, M., 1956.
С. д. Вайсберг.
ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ, выделение чистых изотопов из смеси изотопов данного элемента или обогащение смеси отд. изотопами. И. р.- важная проблема, имеющая большое науч. и практич. значение. С момента открытия изотопов и до 1930-х гг. попытки И. р. производились гл. обр. для обнаружения изотопов у стабильных элементов, измерения их массы и изотопного состава. Удавалось выделить лишь небольшие (индикаторные) количества нек-рых элементов, незначительно обогащённых изотопами. В 30-х гг. начались фундаментальные исследования атомных ядер, ядерных реакций, взаимодействия частиц с ядрами и т. д. Достоверность экспериментальных данных и интерпретация полученных результатов в значит, мере зависели от чистоты и доступного количества изотопа. Но получение чистых изотопов даже в миллиграммовых количествах являлось сложной задачей. Были выделены лишь небольшие количества обогащённых смесей изотопов гл. обр. лёгких элементов. Только дейтерий начали производить в пром. масштабах. Дальнейшее развитие техники И. р. было вызвано установлением в 1939 реакции деления 235U под действием нейтронов, к-рое открыло перспективу использования ядерной энергии в мирных и воен. целях (см. Ядерная энергетика, Ядерный реактор, Ядерное оружие}. Получение в больших количествах изотопов U и некоторых др. элементов, необходимых в качестве "ядерного горючего" или материалов для ядерной техники, превратилось с этого момента в важную зада |
