80 років тому роздратований вчений вирішив довести, що його страва несвіжа, а натомість відкрив радіоактивні індикатори і отримав за це Нобелівську премію

Автори: Артеміс Спіру, професорка ядерної фізики Університету штату Мічиґан; Катарина Домнаніх, доцентка катедри хімії Університету штату Мічиґан; Шон Лідик, доцент катедри хімії Університету штату Мічиґан.

Щороку в жовтні Нобелівською премією відзначають кілька революційних наукових досягнень. І хоча багато нагороджених відкриттів революціонізують різні наукові галузі, деякі з них мають нетрадиційне місце походження. Для Дьєрдя де Гевеші, Нобелівського лауреата з хімії 1943 року, який відкрив радіоактивні індикатори, таким місцем був кафетерій пансіонату в Манчестері (Велика Британія) у 1911 році.

У де Гевеші закралася підозра, що персонал кафетерію пансіонату, де він щодня харчувався, повторно використовував залишки з обідніх тарілок — суп кожного дня, здавалося, містив усі інгредієнти з вчорашнього столу. Тож він придумав план, як перевірити свою теорію.

У той час де Гевеші працював з радіоактивними матеріалами. Він підсипав невелику кількість радіоактивного матеріалу в залишки м’яса. Через кілька днів він взяв з собою на кухню електроскоп і виміряв радіоактивність у страві.

Власниця пансіонату, яка дійсно повторно використовувала продукти, вигукнула «Це магія!», коли де Гевеші показав їй свої результати, але насправді це був лише перший успішний експеримент з радіоактивними індикаторами.

Ми — група хіміків і фізиків, які працюють на Установці для утворення пучків рідкісних ізотопів, розташованій в Університеті штату Мічиґан. Ранні дослідження де Гевеші в цій галузі зробили революцію в тому, як сучасні вчені, такі як ми, використовують радіоактивні матеріали, і це привело до різноманітних наукових і медичних досягнень.

Неприємності через свинець

За рік до проведення свого експерименту з виявлення повторного використання продуктів уродженець Угорщини де Гевеші поїхав до Великої Британії, щоб розпочати роботу з вченим-ядерником Ернестом Резерфордом, який отримав Нобелівську премію всього за два роки до цього.

У той час Резерфорд працював з радіоактивною речовиною під назвою радій D, цінним побічним продуктом радію через його довгий період напіврозпаду (22 роки). Однак Резерфорд не міг використовувати свій зразок радію D, оскільки він містив велику кількість свинцю.

Коли де Гевеші приїхав, Резерфорд попросив його відокремити радій D від домішків свинцю. Домішки свинцю складалися з комбінації стабільних ізотопів свинцю (Pb). Кожен ізотоп мав однакову кількість протонів (82 для свинцю), але різну кількість нейтронів.

Де Гевеші працював над відокремленням радію D від природного свинцю за допомогою хімічних методів розділення протягом майже двох років, проте його зусилля не мали успіху. Причиною невдачі було те, що на той час ніхто не знав, що радій D насправді є іншою формою свинцю, а саме радіоактивним ізотопом, або радіоізотопом ²¹⁰Pb.

Проте невдача де Гевеші привела до ще більшого відкриття. Винахідливий вчений з’ясував, що якщо він не може відокремити радій D від природного свинцю, він може використовувати його як індикатор свинцю.

Радіоактивні ізотопи, такі як ²¹⁰Pb, є нестабільними ізотопами, а це означає, що з часом вони перетворюються на інші елементи. Під час цього перетворення, яке називається радіоактивним розпадом, вони зазвичай випромінюють частинки або світло, які можна виявити як радіоактивність.

Ця радіоактивність діє як слід, що вказує на присутність радіоактивного ізотопу. Ця важлива властивість радіоізотопів дозволяє використовувати їх як індикатори.

Радій D як індикатор

Індикатор — це речовина, яку можна помітити серед схожих матеріалів, оскільки вона має унікальні властивості, що дозволяють легко її відстежити.

Наприклад, якщо у групі вихованців дитячого садка, які збираються на екскурсію, один із них носить смарт-годинник, то ви можете визначити, чи пішла група на ігровий майданчик, відстежуючи сигнал GPS на цьому годиннику. У випадку де Гевеші діти були атомами свинцю, смарт-годинник — радієм D, а сигнал GPS — випромінюваною радіоактивністю.

У 1910-х роках Віденський інститут радієвих досліджень мав більшу колекцію радію та його побічних продуктів, ніж будь-яка інша установа. Щоб продовжити свої експерименти з радієм D, 1912 року де Гевеші переїхав до Відня.

Він співпрацював з Фридрихом Панетом, який також безуспішно намагався відокремити радій D від свинцю. Обидва науковці «підсипали» невелику кількість радіоактивного індикатора до зразків різних хімічних сполук. Так вони могли вивчати хімічні процеси, відстежуючи переміщення радіоактивності під час різних хімічних реакцій.

Де Гевеші продовжував свою працю, вивчаючи хімічні процеси за допомогою різних ізотопних маркерів протягом багатьох років. Він навіть був першим, хто застосував нерадіоактивні індикатори. Одним із нерадіоактивних індикаторів, які він вивчав, був важчий ізотоп водню, відомий під назвою дейтерій. Дейтерій у 10 000 разів менш поширений, ніж звичайний водень, але приблизно вдвічі важчий, що полегшує їх розділення.

Де Гевеші та його співавтор використовували дейтерій для відстеження руху води в організмі. У своїх дослідженнях вони по черзі брали зразки та вимірювали дейтерій у своїй сечі, щоб дослідити виведення води з організму людини.

Де Гевеші був удостоєний Нобелівської премії з хімії 1943 року «за роботу з використання ізотопів як індикаторів у вивченні хімічних процесів».

Радіоактивні індикатори сьогодні

Більше ніж через століття після експериментів де Гевеші радіоактивні індикатори регулярно використовують в багатьох галузях — від медицини до матеріалознавства та біології.

Ці індикатори дозволяють відстежувати перебіг захворювання під час медичних процедур, поглинання поживних речовин рослинами, вік і рух води у водоносних горизонтах, а також вимірювання зносу і корозії матеріалів тощо. Радіоізотопи дозволяють дослідникам відстежувати рух поживних речовин і ліків у живих системах без інвазивного розрізання тканин.

Радіоактивні індикатори, які видно як білу пляму на верхній лівій фотографії та які позначено стрілкою у верхньому правому куті, сьогодні часто використовують у скануванні мозку. Джерело: Getty Images

У сучасних дослідженнях вчені зосереджуються на створенні нових ізотопів і розробці процедур для більш ефективного використання радіоактивних індикаторів. Установка для утворення пучків рідкісних ізотопів (FRIB), де ми втрьох працюємо, має програму, присвячену виробництву та збору унікальних радіоізотопів. Потім ці радіоізотопи використовують у медицині та інших галузях.

FRIB виробляє радіоактивні пучки для своєї базової наукової програми. У процесі виробництва велика кількість невикористаних ізотопів збирається в резервуар з водою, де їх можна пізніше виокремити та дослідити.

Науковці Ґреґ Северин і Катаріна Домнаніx на Установці для утворення пучків рідкісних ізотопів. Джерело: FRIB

Одне з недавніх досліджень включало виділення радіоізотопу ⁶²Zn з опроміненої води. Це було складне завдання, враховуючи, що молекул води було в 100 квадрильйонів разів більше, ніж атомів ⁶²Zn. ⁶²Zn є важливим радіоактивним індикатором, який використовують для спостереження за метаболізмом цинку в рослинах і в ядерній медицині.

Вісімдесят років тому де Гевеші вдалося взяти тупиковий проєкт поділу і перетворити його на відкриття, яке створило нову галузь науки. Радіоактивні індикатори вже багато в чому змінили життя людей. Тим не менш, вчені продовжують розробляти нові радіоактивні індикатори та знаходити інноваційні способи їх використання.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «How a disgruntled scientist looking to prove his food wasn’t fresh discovered radioactive tracers and won a Nobel Prize 80 years ago» в журналі The Conversation 5 жовтня 2023 року.

Переклали Давид Курачов і Каріна Липка