Первые работы в этом направлении были выполнены еще в начале нашего столетия, когда исследователь мог располагать только естественными, встречающимися в природе, радиоактивными изотопами. Среди продуктов распада радия есть радиоактивный изотоп свинца — радий-D. С помощью этого изотопа стало возможным определить скорость диффузии атомов свинца в металлическом свинце. Под давлением соединили две пластинки свинца с хорошо пришлифованными поверхностями. При этом в одну из пластинок ввели радиоактивный свинец — радий-D. По истечении некоторого времени пластинки отделили друг от друга и определили количество и глубину проникновения радия-D в нерадиоактивную свинцовую пластинку. Никаким другим методом, естественно, такое исследование не могло быть проведено. Впоследствии, когда стали доступны радиоактивные изотопы практически всех химических элементов, для изучения диффузии метод меченых атомов нашел самое широкое применение.
Благодаря тому что радиоактивные изотопы могут быть обнаружены в очень малых количествах, во много раз меньших, чем позволяют обнаружить обычные аналитические методы, большое число исследований было направлено на изучение поведения различных веществ в ультрамалых, практически в невесомых количествах.
В разделе, посвященном получению и выделению радиоактивных изотопов, мы упоминали о работах академика В. Г. Хлопина и его школы по изучению закономерностей поведения веществ в ультрамалых количествах. Было установлено, что при выпадении кристаллических осадков макрокомпонента из растворов микрокомпонент захватывается осадком, если он кристаллизуется в подобных кристаллических решетках и не захватывается, если эти решетки не подобны (не изоморфны). Также были изучены закономерности захвата микрокомпонента за счет адсорбции на осадках, как кристаллических, так и аморфных, например гидроокисях. Наконец, захват микропримесей может осуществляться различными коллоидными частицами, образуя так называемые радиоколлоиды. Все особенности поведения вещества в ультрамалых количествах были установлены методом меченых атомов, т. е. за поведением, распределением между фазами, захватом и т. д. исследователь мог следить по радиоактивности микрокомпонента. Никакой другой путь для решения такой задачи, пожалуй, непригоден. Эти работы имели огромное значение не только в решении радиохимических задач, связанных с концентрированием и выделением в чистом виде радиоактивных изотопов, но и для решения задач аналитической химии.
В частности, при помощи метода меченых атомов был изучен захват примесей в ряде технологических процессов. Для этого предполагаемые примеси «метились» радиоактивным изотопом, а после проведения процесса определялось содержание «метки» в конечном продукте. Аналогичным путем было исследовано влияние различных примесей на точность химических анализов. Метод меченых атомов нашел широкое применение при решении ряда технических задач. Так, износостойкость автомобильных шин в различных условиях определялась по количеству перешедшего в дорожное покрытие радиоактивного изотопа, введенного в шину; по распределению радиоактивного изотопа определялась интенсивность перемешивания реагентов в химических аппаратах, шихты в домнах и т. п. В сельском хозяйстве метод меченых атомов применяется при изучении поведения разных удобрений, путей и скорости их движения в теле растения. Большое число работ было посвящено биологическим и медицинским исследованиям. Введение радиоактивных изотопов в состав пищи или лекарства позволяет самым подробным образом проследить за их движением в организме, определить, какая часть и какими органами усваивается, какая часть и в виде чего выводится из организма. Метод меченых атомов позволяет изучить пути миграции различных элементов в морях, океанах и геологических процессах. Он позволяет проникнуть в тайны механизма химических превращений. Как известно, химические реакции могут проходить в несколько стадий с образованием промежуточных веществ. Однако количество и время существования этих промежуточных продуктов могут быть столь малыми, что обнаружение их обычными методами невозможно. Исследователь может высказать только предположение об одном, а не другом пути протекания процесса. Для доказательства и проверки этого предположения в систему вводится меченный радиоактивным изотопом предполагаемый промежуточный продукт. Если по завершении этого процесса радиоактивный изотоп перейдет в конечный продукт, значит предположение оказалось правильным. В противном случае оно являлось ошибочным.
Приведенные примеры показывают, какие неисчерпаемые возможности заключены в применении метода меченых атомов. Трудно назвать те отрасли человеческой деятельности, особенно научно-исследовательской, где бы метод не дал самых продуктивных результатов. При этом для его осуществления не требуются значительные затраты. Стоимость небольшого количества препарата радиоактивного изотопа или меченного им соединения невелика, а аппаратура для регистрации и измерения радиоактивности доступна и может служить многие годы. Следует подчеркнуть еще одно немаловажное обстоятельство, способствующее широкому внедрению метода меченых атомов: для работы требуются столь небольшие количества радиоактивного изотопа (доли микрокюри), что работа с ним не требует специальных мер предосторожности и может быть выполнена в обычной заводской или сельской лаборатории, а то и в цехе или поле.
При применении метода меченых атомов следует учитывать наличие или отсутствие изотопного обмена. Поясним, что это значит. Выше уже подчеркивалось то обстоятельство, что изотопы по своим физическим и химическим свойствам практически неразличимы. Пусть, например, мы имеем баллон с углекислым газом, молекула которого состоит из атома углерода и двух атомов кислорода (CO2). Пусть далее некоторая доля атомов углерода будет представлена в виде радиоактивного изотопа С14. Будем пропускать углекислый газ через воду. Часть его растворится в воде. Если теперь измерить радиоактивность воды, то по этой величине можно определить растворимость углекислого газа в воде. При этом мы совершенно справедливо считаем, что доля радиоактивных атомов углерода по отношению ко всем атомам углерода одинакова как в газовой, так и в жидкой фазе. Это значит, далее, что метка с радиоактивным углеродом должна быть введена в той же химической форме, что и изучаемое вещество, т. е. в виде углекислого газа.
Представим себе, что по причине отсутствия меченого углекислого газа мы ввели бы, например, другой газ — метан, молекулы которого состоят из атома углерода и четырех атомов водорода (СН4) с радиоактивной меткой также в виде С14. Проведем тот же опыт и измерим радиоактивность воды. В этом случае будет определена растворимость не углекислого газа, а метана. Этот вывод можно сделать на основании предположения, что молекулы углекислого газа и метана совершенно не обмениваются своими атомами углерода. Однако можно найти такие условия проведения эксперимента, например, при высокой температуре, когда изотопный обмен проходит с большей или меньшей скоростью. Завершением изотопного обмена является такое состояние, при котором во всех фазах и соединениях системы отношение количеств радиоактивного изотопа к стабильному одинаково. В этом случае поведение метки точно определяет поведение исследуемого вещества. Если же изотопный обмен не происходит или происходит медленно или частично, выводы из экспериментальных данных должны быть сделаны с учетом этого обстоятельства.
Изотопный обмен служит не только критерием законности применения метода меченых атомов, но и сам по себе является тонким методом изучения ряда процессов.
Так, по скорости изотопного обмена могут быть сделаны выводы о прочности химической связи атомов в молекуле, о структуре молекул, об устойчивости химических соединений в различных процессах и т. д. Особые успехи были достигнуты с помощью изотопного обмена в изучении механизма различных химических процессов, особенно каталитических.