книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

Определение плотности почвогрунтов методом рассеяния у-излучения (у—у-метод). Этот метод основан на использовании зависимости потока рассеянного у-излучения от плотности сре­ ды. При введении в среду источника у-излучения вокруг него распределяются рассеянные у-фотоны (комптон-эффект). Теоре­ тический расчет распределения концентрации комптоновски рас­ сеянных фотонов— очень сложная задача. В общем случае — это есть сложная функция:

где г ■— расстояние от источника у-излучения; Е у —’Энергия пер­ вичных у-фотонов. Зависимость концентрации рассеянных у-фо- тонов от отношения атомного номера к атомной массе Z/A и

испытывают акты многократного комптоновского рассеяния, и концентрация рассеянных у-фотонов повышается с увеличе­ нием расстояния от источника у-излучения. По мере уменьше­ ния энергии фотонов начинает увеличиваться вероятность фо­ тоэлектрического поглощения фотонов, что приводит к исчез­ новению рассеянных фотонов и уменьшению их концентрации. В результате этих конкурирующих тенденций концентрация рассеянных фотонов на некотором расстоянии достигает мак­ симума, а затем асимптотически уменьшается.

220

Увеличение плотности среды приводит к сжатию облака рас­ сеянных у-фотонов, в результате чего кривые распределения концентрации рассеянных у-фотонов в средах с различной плот­ ностью пересекаются. Таким образом, наблюдается инверсия

личивается с повышением плотности, при больших расстояниях с увеличением плотности среды cpac.v уменьшается. Аналогич­ ное явление инверсии наблюдается при рассеянии нейтронов в водородсодержащей среде.

Для практических целей важно установить зависимость по­ тока рассеянных у-фотонов, регистрируемых данным детекто­ ром, от энергии первичных у-фотонов Е у, отношения Z/A, плот­ ности среды р и от расстояния R между источником и детек­

Пусть детектор расположен по отношению к источнику у-излуче- ния на расстоянии R < .rMlLKC, где гмаКс — координата макси­ мальной концентрации рассеянных фотонов в среде с данной плотностью р. По мере увеличения плотности максимум кон­ центрации рассеянных фотонов будет приближаться к детек­ тору и соответственно регистрируемая плотность потока рас­ сеянных фотонов будет увеличиваться.

При некоторой плотности ркр максимум концентрации рас­ сеянных фотонов пройдет через детектор и соответственно / рас будет максимальным. При дальнейшем увеличении плотности

При использовании у-излучателей 60Со и 137Cs кривая зави­ симости / рас от плотности р почвогрунта в диапазоне плотно­ стей от наименьших (сухие торфы) до 1 г/см3— восходящая, а в диапазоне больших плотностей — нисходящая (рис. 7.20).

Для практического использования зависимости концентра­ ции рассеянных у-фотонов от плотности почвогрунтов изготов­ ляют специальные зонды для глубинных и поверхностных опре­ делений плотности. Такие зонды состоят из изотопного источни­ ка у-излучения и детектора, регистрирующего только рассеян­ ные у-фотоны. Чтобы в детектор не попадало прямое у-излуче- ние, детектор снабжен свинцовой защитой.

Принципиальная схема глубинного и поверхностного гам­ ма— гамма-плотномеров показана на рис. 7.21.

221

Для получения наиболее точных результатов подбирают та­ кое у-излучение и такую конструкцию зонда (расстояние меж­ ду источником и детектором), чтобы весь измеряемый диапазон плотностей находился на восходящей ветви кривой зависимости

(см. рис. 7.20).

у—у-Метод позволяет измерять плотность почвогрунтов с точностью, не уступающей другим методам. По затрате времени

Рис. 7.21. Глубинный (а) и поверхност­

и труда этот метод значительно превосходит другие нерадиа­ ционные методы.

Следует иметь в виду, что с помощью у—у-метода измеря­ ется средняя эффективная плотность почвогрунта в простран­ стве вокруг зонда с радиусом сферы (или полусферы) порядка нескольких десятков сантиметров (в зависимости от источников у-излучения и конструкции зонда). Искомое значение плотности находят по заранее полученной калибровочной кривой зависимо­ сти /рас от р. Все измерения должны быть стандартизованы.

Применение у—у-метода для измерения плотности почво­ грунтов показало, что с достаточной для практических целей

222

точностью можно использовать одну калибровочную кривую для торфов различного состава и влажности, а также одну и ту же калибровочную кривую для всех типов минеральных почв вне зависимости от их гранулометрического, минералогического со­ става и других показателей. Но влажность минеральных грун­ тов желательно учитывать, построив семейство калибровочных кривых для различных интервалов влажности.

Если влажность почвогрунта известна, например определена нейтронным влагомером, то, зная рЭф, по результатам измере­ ния у—у-методом по формуле (7.89) можно рассчитать плот­ ность твердой фазы почвы рт.

Наблюдения за изменением влажности почв. При эксплуа­ тации гидромелиоративных сооружений и систем, а также при агротехническом контроле важно прослеживать динамику влаги в почвогрунтах.

Если плотность твердой фазы почвогрунта с течением вре­ мени остается постоянной, то интенсивность проходящего у-излу- чения может изменяться согласно (7.79) или (7.83) только вследствие изменения влажности почвогрунта. Допустим, что в начальный момент времени интенсивность проходящего у-излу- чения равна /, а в момент времени t детектор зарегистрировал другую интенсивность проходящего у-излучения, то, согласно

где рв = 1 г/см3.

Определение объемной влажности удобнее, так как, согласно (7.96), не требует знания плотности твердой фазы почвы рт, ко­ торая входит в формулу (7.95).

Если известна начальная влажность почвогрунта, то, зная величину изменения влажности, можно перейти к абсолютным

223

Г л а в а 8

МЕТОД ИЗОТОПНЫХ ИНДИКАТОРОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

§ 1. О Б О С Н О В А Н И Е И Г Р А Н И Ц Ы П Р И М Е Н И М О С Т И М Е Т О Д А И З О Т О П Н Ы Х И Н Д И К А Т О Р О В

В Б И О Л О Г И Ч Е С К И Х И С С Л Е Д О В А Н И Я Х

Биология — одна из наиболее емких областей использова­ ния метода изотопных индикаторов. Этот метод широко приме­ няется при изучении пространственного переноса биологических объектов и веществ, а также химизма превращения веществ в биологических объектах. Таким образом, с помощью этого ме­ тода биология решает наиболее важные и принципиальные про­ блемы. Однако любой метод, в том числе и метод изотопных индикаторов, какой бы универсальностью он не обладал, имеет свои границы применения. Эти границы обусловлены принци­ пами, на которых основано применение метода для изучения фи­ зиологических явлений.

Метод изотопных индикаторов можно рассматривать как своеобразный тонкий «инструмент-зонд», с помощью которого проникают в биологические системы. Естественно, что получить правильные результаты исследования можно только в том слу­ чае, если это «зондирование» не нарушает нормального течения процессов в биологических системах и передает правдивую, точ­ ную информацию об этих процессах.

Итак, к методу изотопных индикаторов предъявляется два основных требования: 1) введение изотопных индикаторов в био­ логические системы не должно нарушать нормального течения биологических процессов и 2) информация, получаемая с по­ мощью изотопных индикаторов, должна быть точной, объектив­ но отражающей реальные процессы в биологических системах.

Удовлетворяет ли метод изотопных индикаторов этим основ­ ным требованиям? Теоретически — да. Но только теоретически, ибо, чтобы полностью обосновать правомерность применения ме­ тода изотопных индикаторов для изучения биологических си­ стем, необходимо экспериментально доказать, что указанные тре­ бования действительно удовлетворяются. Однако следует при­ знать, что экспериментальных исследований, направленных на обоснование применения метода изотопных индикаторов в био­ логии, очень мало. Поэтому основные принципы, допускающие

применение метода изотопных индикаторов в биологии, в сущ­ ности следует рассматривать как теоретические постулаты.

Для удовлетворения первого требования вводят первый по­

стулат:

радиоактивные и малораспространенные стабильные изотопы в определенных границах доз (интервалы индикаторных доз) не оказывают биологического действия на живые организмы.

Для удовлетворения второго требования — точности инфор­ мации, получаемой с помощью изотопных индикаторов, вводят второй постулат:

изотопы одного и того же химического элемента одинаково участвуют во всех процессах, совершающихся в живых орга­ низмах.

Рассмотрим каждый из этих постулатов подробнее. Говоря о биологическом действии радиоактивных и малораспространен­ ных стабильных изотопов, которые применяются в качестве ин­ дикаторов, необходимо иметь в виду следующее:

1)введение в живой организм радиоактивных изотопов со­ провождается внутренним облучением организма;

2)на организм могут оказывать действие ядра отдачи, воз­

никающие при радиоактивном распаде изотопов; при их образо­ вании разрушается химическая связь, а сами ядра отдачи вызы­ вают ионизацию высокой плотности;

3) возникающие при радиоактивном распаде продукты рас­ пада потенциально могут оказывать какое-то биологическое дей­ ствие на организм как химические реагенты;

4) меченый элемент — это химический элемент с искусствен­ ным изотопным составом, поэтому причиной биологического дей­ ствия может быть искусственный изотопный состав элемента; можно предполагать, что живые организмы в процессе эволюции приспособились к ассимиляции химических элементов с естест­ венным изотопным составом, и изменение последнего может ока­ зать какое-то влияние на нормальный ход биологических про­ цессов, особенно если изменение изотопного состава достаточно велико (например, когда в качестве индикаторов применяют ма­ лораспространенные стабильные изотопы).

Расчленять и изучать отдельно каждый из указанных фак­ торов возможного биологического действия изотопных индика­ торов очень трудно. Роль каждого из них различна и зависит от того, используют ли в качестве индикаторов радиоактивные изотопы или малораспространенные стабильные.

Если в качестве индикаторов применяют радиоактивные изо­ топы, то решающее значение, по-видимому, имеет биологиче­ ское действие ионизирующего излучения (внутреннее облуче­ ние) и ядер отдачи. При радиоактивной индикации вводят ультрамикроколичества радиоактивных изотопов, поэтому в про­ цессе радиоактивного распада образуются продукты распада также в ультрамикроколичествах.

226

Если в качестве индикаторов вводят ультрамикроколичества радиоактивных изотопов, то изотопный состав химического эле­ мента практически не меняется — количество радиоактивного изотопа будет ничтожно мало по отношению к количеству ста­ бильного изотопа химического элемента. Такие количества ра­ диоактивных изотопов и продуктов их распада вряд ли могут оказывать биологическое действие на организм, хотя доказа­ тельств этому по сути дела нет.

При использовании метода радиоактивных индикаторов обыч­ но исследуют зависимость биологических эффектов от удельной активности радиоактивных изотопов в питательной среде или в массе живого организма. Таким образом, метод радиоактивных индикаторов предусматривает введение такого понятия, как доза радиоактивного изотопа. В качестве этой дозы условно принима­ ют величину удельной активности радиоактивного изотопа в пи­ тательной среде или в биомассе (кюри на литр или килограмм).

Данные о биологическом действии радиоактивных изотопов на растения весьма разноречивы. Анализ их показывает, что положительное (стимулирующее) действие радиоактивных изо­

10 кюри/л (кг) и выше проявляется отрицательное (повреж­ дающее или поражающее) действие радиоактивных изотопов.

Из этих данных видно, что указанные интервалы доз частич­ но перекрываются. Однако имеющиеся статистические данные ясно показывают, что стимулирующее действие излучения чаще всего проявляется в области малых доз, а повреждающее — в области больших доз. Это вполне согласуется с общей физиоло­ гической закономерностью, о которой говорилось в § 3 гл. 4.

В переходной области «средних» доз вероятность отсутствия действия оказывается наибольшей. Каковы границы этой обла­ сти средних доз, сказать трудно. По-видимому, следует ориен­ тироваться на те дозы, которые обычно применяют при работе с радиоактивными индикаторами и которые, как правило, не вы­ зывают заметных сдвигов в росте и развитии растений. Такие дозы условно называются индикаторными.

В настоящее время приближенным интервалом индикатор­ ных доз может служить интервал 10-7— КП4 кюри/л (кг). При сравнительно кратковременных экспериментах, длящихся не­ сколько часов, дней или недель, верхнюю границу индикаторных доз можно сдвинуть в сторону больших доз еще на несколько порядков. При проведении опытов с растениями, следует иметь в виду, что процессы, связанные с биологической раздражимо­ стью, развиваются у них значительно медленнее, чем у живот­ ных. Чувствительность животных к инкорпорированным радио­ активным изотопам значительно выше. Интервал индикаторных

8* 227

доз для животных примерно на один-два порядка меньше по сравнению с интервалом индикаторных доз для растений.

Рассматривая вопрос о биологическом действии радиоактив­ ных изотопов, необходимо также учитывать свойство консерва­ тивности организма. Известно, что каждый вид живого орга­ низма характеризуется определенным типом обмена веществ и для нарушения его необходимо либо применять сильные внеш­ ние физические и химические воздействия, либо использовать особые методы из числа тех, которыми оперируют генетика и се­ лекция. Если иметь в виду эту консервативность живых орга­ низмов, то можно утверждать, что действие индикаторных доз радиоактивных изотопов при сравнительно коротком периоде воздействия не может вызвать значительных сдвигов в общей направленности метаболизма. Поэтому первый постулат в пре­ делах использования индикаторных доз радиоактивных изото­ пов можно считать вполне обоснованным.

Конечно, точно установить индикаторные дозы — задача очень сложная. Дело в том, что биологическое действие радио­ активных изотопов при строгом подходе, следует изучать с уче­ том конкретных условий: вида и энергии излучения радиоактив­ ного изотопа, контролируемых биологических признаков, вида живого организма, возраста, физиологического состояния и т. д. (см. гл. 4).

При использовании элементов, меченных малораспространен­ ными стабильными изотопами, последние составляют уже зна­ чительную массу по отношению к массе распространенного изо­ топа. Поэтому, когда концентрация малораспространенного изотопа повышена, теоретически предполагается возможность биологического действия искусственного изотопного состава элемента.

Эксперименты показали, что только в случае воды, меченной дейтерием или 180, наблюдается биологическое действие повы­ шенной концентрации тяжелого водорода или тяжелого кисло­ рода в составе воды, проявляющееся в форме анабиоза — пол­ ного или частичного прекращения деления клеток и прекраще­ ния роста. Это явление еще до конца не изучено, но по имею­ щимся данным изотопный анабиоз обусловлен различиями фи­ зико-химических свойств обычной и тяжелой воды. Состояние воды в клетках играет важную роль в их жизнедеятельности, т. е. влияет на все биоструктуры клетки, на течение метаболиче­ ских процессов, осуществляющихся в этих структурах.

Однако при сравнительно небольших концентрациях дейте­ рия или 180 в составе воды, изотопный анабиоз не проявляется, т. е. и в этом случае можно выбрать интервал индикаторных доз стабильных изотопов-индикаторов. Так, в опытах с растениями следует^ использовать меченную дейтерием воду, концентрация тяжелой воды в которой не превышает 10—20%.

228

Вопрос о биологическом действии измененного изотопного состава химических элементов тесно связан с вопросом о роли изотопных эффектов в биологических системах, ибо первопри­ чиной возможного биологического действия искусственного изо­ топного состава элемента должно быть различие физико-химиче­ ских свойств изотопов данного элемента. Насколько велики масштабы изотопных эффектов в биологических системах и в каких случаях можно ими пренебречь? Иначе говоря, насколько справедлив второй постулат, лежащий в основе применения изо­ топных индикаторов в биологии?

В биосфере происходит круговорот веществ как в гомоген­ ных, так и гетерогенных условиях. Можно ожидать, что в есте­ ственных условиях в различных частях биогеосферы наблюда­ ются разделительные изотопные эффекты. За все геологические эпохи эти эффекты вследствие многократного повторения, каза­ лось бы, должны были привести к существенному разделению изотопов.

Тщательный анализ изотопного состава химических элемен­ тов, взятых из различных объектов биогеосферы, показал, что изотопный состав химических элементов действительно не по­ стоянен, он зависит от того, откуда эти элементы взяты. Это значит, что. в природных условиях происходит разделение изото­ пов, т. е. изотопные эффекты проявляются в природных усло­ виях. Однако реальные масштабы их невелики. Например, 180 в кислороде известняков имеет относительную распространен­ ность в 1,035 раза большую по сравнению с кислородом воды.

Установлено, что 13С имеет большую распространенность в углероде растений, чем в углероде углекислоты воздуха и из­ вестковых пород. Колебания в относительной распространенно­ сти изотопов в биогеосфере вызывают соответствующие колеба­ ния в атомных массах химических элементов. В табл. 8.1 при­ ведены значения максимальных колебаний атомных масс хими-

229