Вокруг света. Приключения атомов химических элементов

1. Вокруг света. Приключения атомов химических элементов

Самым замечательным в мире
школьникам посвящается …
Вокруг света.
Приключения
атомов химических элементов
1

2. Атомы как частицы Вселенной

Очень большое количество атомов
существуют, по-видимому, с
момента рождения Вселенной.
Big Bang – Большой Взрыв

3. Происхождение атомов. Термоядерный синтез

В звездах при высокой температуре
происходит термоядерный синтез –
образование более тяжелых
элементов из более легких.
Солнце
H 73,5%
He 24,9%
остальное 1,6%

4. Термоядерный синтез

5. Протон-протонный цикл Солнца

1H
2D
+
1H
3He
=
+ 1H = 2D + ?
3He
+ hv (гамма-квант)
+ 3He = 4He + 1H + ?

6. Происхождение атомов. Радиоактивный распад

Вероятно, при Большом Взрыве образовались
не только легкие, но и очень тяжелые
элементы.
Однако их ядра нестабильны
и постепенно разрушаются
238U
234Th + 4He

7. Закон радиоактивного распада

N (t) = N0 exp ( - kt)

8. Задача 1.

Период полураспада 14C составляет 5750 лет.
Рассчитайте период времени, за который
концентрация изотопа 14C упадет в 1000 раз.
Оценка:
За время, равное периоду полураспада,
количество атомов сокращается в 2 раза.
210 = 1024
10 периодов полураспада – 57 500 лет.

9. Задача 2. «Когда подойдешь к кораблю, первым делом проверь уровень радиации» М/ф «Перевал», 1988, 19 мин. 20 сек.

Через сколько лет бетарадиоактивность стронция-90
(период полураспада 29,12 лет)
упадет с 1 кКи (килоКюри)
до 1 мкКи (микроКюри)?

10. Решение

N (t) = N0 exp ( - kt)
Сколько же должно быть
атомов, чтобы выдать такую
активность?

11. Шаг 1.

Сообразим, что при радиоактивном
распаде доля атомов, распадающихся
за фиксированный промежуток
времени, постоянна.
(В самом деле, за время, равное периоду
полураспада, всегда распадается
половина имеющегося количества)
Значит, доля атомов, распадающихся за 1
секунду, тоже постоянна.

12. Шаг 2. Расчет времени

10-9 = exp [- tx ln 2 / T1/2]
9 ln 10 = 0,692 tx / T1/2
tx = 872 года

13. Изотопы в живых организмах

Пока мы живем, организм поддерживает
постоянство состава внутренней среды
(гомеостаз)
Это касается, в том числе,
изотопного состава организма

14. Радиоуглеродный метод датировки

Какая доля изотопа 14C уцелеет в останках
мамонта возрастом 44,8 тыс. лет, если период
полураспада 14C 5750 лет?
Вычислите, сколько атомов 14С содержится в
таком аналитическом образце, если минимально
необходимая масса углерода равна 0,1 мг, а
равновесное содержание углерода 14С в живом
организме равно 10-12.

15. Секреты ядерной медицины. 18-ФДГ

Одним из эффективных методов диагностики
онкологических заболеваний является
ПЭТ – Позитронная Эмиссионная Томография
Опухоль – место высокой концентрации и
интенсивного роста клеток, т.е. «горячая
точка», где «кипит» обмен веществ

16. PET-диагностика

Posetrone Emission Tomography
e-
Позитрон
e+
+
p
Водород
e
АнтиВодород
фотон
фотон
18

17.

Где взять позитрон? β+-распад
Элемент1 Элемент2 + позитрон
Позитрон + Электрон 2 фотона
11C
13N
15O
18F
20,4 мин.
9,96 мин.
2,03 мин.
109,8 мин.
19

18. 2-фтор-[18F]-2-дезоксиглюкоза

Доза рассчитывается индивидуально
(рост, вес, площадь поверхности тела),
200-400 МБк (< 400 распадов в секунду)
Рабочая концентрация препарата –
не выше 10 ммоль/л.
Оцените массу 5% раствора 2-ФДГ, которой
должно оказаться достаточно, для проведения
диагностики ПЭТ для Вас.

19. Изотопный состав

План рассказа
1. Задача – определить изотопный состав
2. Принцип работы масс-спектрометра – как
это работает, что происходит?
3. Результат измерений – что мы видим?
4. Обработка результата – что это значит?

20. Общая идея

1. Молекулу вещества надо разбить на
отдельные более простые кусочки
2. Эти кусочки нужно разобрать по кучкам
по весу
3. Эти кусочки нужно посчитать

21. Чем разбить молекулу?

А) энергией, но ее нужно много.
Управление плазмой – задача непростая
Б) другой молекулой, но тогда получим смесь
кусков разных молекул
В) электронами – легкие, почти невесомые,
быстрые

22. Молекулу расстреливают электронами – это смертельно?

1. Пинг-понг – электрон «стукается» о
молекулу, передает ей часть энергии – и
отскакивает прочь
2. Избыток энергии молекулы может стать
причиной ее ионизации – потери
«собственного» электрона

23. Масс-спектрометрия. Принцип работы

24. Результат измерений – масс-спектр

Вот так кусочки разложены по кучкам.

25. Природное содержание изотопов

Хлор
Ar = 35,453
35Cl 77,35%
37Cl 22,65%
Бром
Ar = 79,904
79Br 54,8%
81Br 45,2%
35Cl
79Br
: 37Cl = 3.4 : 1
: 81Br = 1.2 : 1
На картинке - 2 пика с массами [M]+ и [M+2]+

26.

27. Следствия

1. Посредством анализа изотопного состава
можно отличить природный естественный
образец от образца искусственного
происхождения.
2. Анализ изотопного состава природных
объектов может дать информацию о характере
их происхождения и некоторых событиях в
прошлом (извержение вулкана, падение
метеорита, ядерные испытания)
3. Анализ изотопного состава теоретически
способен показать географическое
происхождение образца (экспертиза, разведка)

28. Институт геологии и минералогии Сибирского отделения РАН

29. Почувствуй себя детективом!

Предложите возможные
молекулярную и структурную формулы
органического соединения,
исходя из вида его масс-спектра
– Это же элементарно, Ватсон!

30.

31.

32. Искренне Ваш

Бредихин Роман Андреевич, к.х.н.
НИОХ СО РАН, научный сотрудник
СУНЦ НГУ, страшный преподаватель
И вся команда
vnauke.nsu.ru
[email protected] (Химия)
vkontakte.ru/club10559233