Несмеянов Андрей Николаевич

Радиоактивные изотопы и их применение

РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Конец XⅨ и начало XX веков ознаменованы большими научными открытиями в физике и химии. К этому периоду относится открытие лучей Рентгена, электронов и, наконец, радиоактивности.

Не прошло и полстолетия со времени открытия радиоактивных изотопов, как в результате бурного развития физики и химии они нашли самое широкое применение в науке и технике.

Можно наметить три основных вида применения радиоактивных изотопов. Они используются, во-первых, в качестве нового оружия научного исследования — меченых атомов в различных областях науки — физике, химии, биологии, медицине, геологии, археологии и т. д. Во-вторых, как излучатели — наряду с лучами Рентгена для просвечивания материалов, устройства приборов автоматического контроля производства, изготовления измерительных приборов и т. п. В-третьих, радиоактивные изотопы могут использоваться в качестве источников ядерной энергии.

Получение и использование радиоактивных изотопов — великое достижение человеческого гения, открывающее огромные перспективы в дальнейшем развитии производительных сил. Жизненные интересы народов требуют того, чтобы использование радиоактивных изотопов для целей разрушения и массового уничтожения людей было запрещено, чтобы эта могучая сила природы использовалась исключительно в интересах созидания, в интересах прогресса человечества. Однако не секрет, что влиятельные круги США и некоторых других капиталистических стран задались целью поставить радиоактивные изотопы и атомную энергию на службу планам войны.

Известно, что в развитии вооруженных сил крупнейших капиталистических государств главное внимание уделяется атомному оружию, разработке целой серии его образцов, отличающихся различной взрывной мощностью, а также разработке способов использования атомного оружия авиацией, флотом, артиллерией и реактивными средствами. Новые планы правительства США относительно создания и размещения на территориях других государств специальных военных частей, вооруженных атомным оружием, свидетельствует об усилении американскими правящими кругами подготовки к атомной войне. Соединенные Штаты продолжают также усиленно вооружать союзников по агрессивным блокам. Сессия Совета НАТО приняла решение об укреплении военного сотрудничества внутри этого союза и об оснащении Соединенными Штатами вооруженных сил своих европейских партнеров, включая Западную Германию, атомным и ракетным оружием.

Происходящая сейчас гонка вооружений и особенно состязание в производстве атомного, водородного и ракетного оружия угрожающим образом ухудшают международную обстановку. Расширение масштабов и наращивание темпов гонки атомных вооружений, усилившиеся за последнее время приготовления стран НАТО к атомной войне вызывают вполне понятное и законное беспокойство во всем мире. Много ли сейчас найдется людей, которые не осознают, какими неисчислимыми бедствиями грозит человечеству война с применением атомного и водородного оружия?

Нетрудно себе представить, какой губительный характер приняла бы война при современном развитии ядерной и ракетной техники, которая к тому же каждый день приносит что-либо новое. Без преувеличений можно сказать, что взрыв только одной водородной бомбы способен вызвать такие тяжелые последствия на огромных территориях, каких не несли с собой десятки тысяч снарядов и бомб, применявшихся в прошлых мировых войнах. Нескольких водородных бомб вполне достаточно, чтобы превратить в зону пустыни огромные территории. А ведь ни для кого не секрет, что если дело дойдет до применения ядерного оружия, то будет взорвано немало таких водородных бомб.

Хорошо известно также, что существуют не только атомные и водородные бомбы, но существует колоссальной разрушительной силы ракетное оружие (с атомными и водородными зарядами), применение которого в войне способно в течение нескольких часов посеять смерть и опустошения на территории целых государств. При современной технике все точки земного шара одинаково доступны для атомной бомбардировки, а ответные выстрелы могут быть произведены еще во время полета к цели снарядов, пущенных поджигателем войны. Атомная война неизбежно приведет к значительному заражению всей нашей атмосферы, и, таким образом, выстрел по противнику неизбежно отразится не только на том, кто производит выстрел, а также и на народах, не втянутых в войну.

За последние годы опасность атомной войны не только не уменьшилась, но, наоборот, возросла во много раз. Запасы ядерного оружия увеличились. К числу государств, производящих или пытающихся производить атомное оружие, присоединяются новые государства. В результате проведенных взрывов атомных и водородных бомб вся поверхность Земли и особенно северное полушарие оказались загрязненными радиоактивными веществами, образующимися при каждом взрыве.

Основной опасностью от продолжающихся испытаний ядерного оружия является выпадание радиоактивных осадков и особенно радиоактивного стронция 90. Так как во время взрыва радиоактивные продукты деления образуются в очень мелко распыленном состоянии, они увлекаются в верхние слои тропосферы и даже в стратосферу, передвигаются с воздушными течениями на большие расстояния от места взрыва, медленно оседая или выпадая с атмосферными осадками на поверхность Земли. Расчеты ученых были сделаны по данным об уровнях радиоактивного загрязнения на конец 1956 г. Последующие испытания, несомненно, снова повысили содержание радиоактивного стронция 90, что вызывает еще бóльшую настороженность к проводимым испытаниям атомных и водородных бомб.

В случае возникновения войны с применением ядерного оружия бедствия человечества будут неизмеримо бóльшими. Многие миллионы людей могут погибнуть непосредственно от взрыва, высокой температуры и радиации во время взрыва вне зависимости от типа применяемых бомб.

Так называемые «чистые» бомбы, о которых так много говорят за последнее время в США и которые, должны давать меньше радиоактивных осадков, чем испытанные ранее, также принесут неисчислимые страдания человечеству.

В случае возникновения новой мировой войны с применением атомного и водородного оружия народы воюющих стран понесут колоссальные потери. Надо прямо смотреть правде в глаза, а не отмахиваться от угрозы. Атомная война опустошит огромные районы земной поверхности, которые на длительный период времени станут непригодными для жизни, миллионы людей далеко за пределами районов военных действий могут быть поражены радиоактивными осадками, а многие из оставшихся в живых дадут генетически неполноценное потомство с повышенной смертностью, с укороченным периодом жизни и с большим процентом уродств и аномалий[1].

Водородная и атомная война может привести к большим разрушениям и бедствиям для человечества, но она не может привести к уничтожению человечества или его цивилизации. Если агрессорам удастся развязать новую мировую войну, мы твердо знаем, что социализм в этой схватке устоит, а капитализм неизбежно будет уничтожен потому, что народы в этой схватке поднимутся и раз навсегда положат конец империалистической системе, которая за последние десятилетия несколько раз ввергала человечество в пучину кровопролитных войн. Народы уничтожат устаревший строй — капитализм на его империалистической стадии.

Решающее средство обеспечить прочный мир — это разоружение, уничтожение водородных и атомных бомб, мирное сосуществование, за что СССР борется и будет бороться. Это позволило бы направить использование атомной энергии исключительно на мирные цели.

Советское правительство предлагает запретить атомное и водородное оружие, прекратить производство ядерного оружия, запретить его применение с полным уничтожением запасов этого оружия и изъятием его из вооружений государств. В качестве первого шага на пути к полному запрещению ядерного оружия государства должны принять обязательство прекратить испытания и не применять в военных целях атомного и водородного оружия всех видов, в том числе атомных и водородных авиационных бомб, ракет с атомным и водородным зарядами любого радиуса действия, атомной артиллерии и т. п.; государства должны продолжить свои усилия в целях скорейшего достижения соглашения относительно полного запрещения атомного и водородного оружия с изъятием его из вооружений государств, прекращением его производства и уничтожением запасов этого оружия с передачей расщепляющихся материалов для использования только в мирных целях.

Но до тех пор, пока западные страны противятся запрещению атомного и водородного оружия, пока не удается провести разоружение, мы вынуждены держать на должном уровне свои вооружения, включая наиболее мощные, современные виды оружия, основанные на последних достижениях науки и техники. Запуск в нашей стране сверхдальней баллистической ракеты и искусственных спутников Земли знаменует новый этап в развитии отечественной науки и техники и укреплении оборонной мощи СССР.

В решениях XX съезда Коммунистической партии Советского Союза намечены пути дальнейшего развития и расширения мирного использования атомной энергии и радиоактивных изотопов. В шестой пятилетке в нашей стране будут построены атомные электростанции мощностью 2–2,5 миллиона киловатт. В СССР построен мощный ледокол «Ленин», работающий на атомном горючем, развернулись работы по созданию других силовых установок для транспортных целей, всемерное развитие получили работы по дальнейшему использованию радиоактивных излучений в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, в научных исследованиях.

Отличительная черта нашей эпохи — небывало бурное развитие атомной техники и широкое применение радиоактивных изотопов, основанное на выдающихся достижениях научной мысли. Если ⅩⅨ век был по преимуществу веком пара, то XX век — век электричества — начинает все больше превращаться в век атомной энергии и радиоактивных изотопов.

Академик И. В. Курчатов в статье «Некоторые вопросы развития атомной энергетики в СССР» рассказал о грандиозной программе использования атомной энергии и радиоактивных изотопов в мирных целях. Известно, что в наши дни основным источником энергии служит органическое топливо (уголь, нефть, торф и т. п.). Перед многими странами уже сейчас реально встает угроза истощения запасов топлива и возникает новая проблема — найти и использовать другие источники энергии. В разрешении этой проблемы важную роль призвана сыграть атомная энергия.

Советский Союз располагает разнообразными природными энергетическими ресурсами на просторах Сибири. Богатые водные ресурсы позволяют получать в Сибири дешевую гидроэнергию, а на базе угольных карьеров — дешевую электрическую и тепловую энергию.

На ближайшие десятилетия имеющихся у нас ресурсов будет достаточно и в Европейской части СССР, но в несколько более отдаленном будущем атомная энергия может оказаться тем практически неисчерпаемым и относительно дешевым источником, который обеспечит изобилие энергии в этой части страны.

Мы ставим задачу создать атомную энергетику, которая по крайней мере для условий Европейской части Союза будет экономически более выгодной, нежели угольная энергетика.

В связи с этим намечается строить крупные атомные электростанции мощностью на первое время около 400–600 тысяч киловатт каждая; только на крупных атомных электростанциях можно достигнуть экономически выгодных показателей.

В пятилетии 1956–1960 гг. намечено построить 5 больших атомных электростанций. По этой программе станции будут входить в строй с конца 1958 г.; часть их начнет работать в 1959 г., а некоторые — в 1960 г.

Мощность электростанций на атомной энергии, которые должны быть пущены в текущем пятилетии, будет сравнима с мощностью крупнейших в мире электростанций, например Куйбышевской.

В текущем пятилетии намечено построить до 10 типов атомных реакторов электрической мощностью от 50 до 200 тысяч киловатт каждый.

Дело строительства и освоения атомных электростанций — всенародное дело. Для атомных реакторов и тесно связанного с ними радиохимического производства требуется большое количество новых металлов и материалов, отличных от обычных, применяемых в любой другой отрасли промышленности.

В атомных реакторах в результате деления атомного ядра образуется огромное количество радиоактивных изотопов. К концу шестой пятилетки количество радиоактивных изотопов в атомных реакторах Советского Союза будет эквивалентно по крайней мере 10 тысячам тонн радия. Если вспомнить, что во всем мире к началу работ по атомной энергии имелось только несколько килограммов радия, то станет ясным, что за истекшее время в деле использования радиоактивных веществ происходит крупнейшая революция.

Общеизвестны применения радиоактивных изотопов в технике для дефектоскопии, изучения износа, изучения технических процессов в химии и металлургии, в нефтяной промышленности и в медицине. Эти применения, хотя польза их несомненна, еще совершенно не соответствуют созданным запасам радиоактивных веществ.

Расширение работ по применению радиоактивных веществ и излучений в биологии даст, вероятно, в ближайшие годы глубокие принципиальные результаты. Они не могут не отразиться существеннейшим образом на важнейших для сельскохозяйственной практики вопросах урожайности, на внедрении новых сортов и пород, в защите от вредителей и т. д.

Учитывая масштабы нашего сельскохозяйственного производства, можно ожидать в этой области крупнейших экономических эффектов. На основе уже накопленных знаний в ближайшие годы можно получить годовую экономию в миллиарды рублей, если взяться по-настоящему за это дело.

Перед нами большая программа работ по использованию радиоактивных изотопов и атомной энергии. Советские ученые и дальше развивают ядерную физику и радиохимию с тем, чтобы дать основу будущего развития техники. Теоретические работы по ядерной физике открыли возможность поисков новых путей использования атомной энергии в мирных целях. Успехи науки открыли возможность развертывания работ по осуществлению управляемых термоядерных реакций — реакций синтеза, или слияния, что является важнейшей генеральной задачей науки.

Управляемая термоядерная реакция должна позволить получить энергию не за счет ее запасов, сосредоточенных в атомных ядрах редких элементов урана и тория, а за счет образования гелия из широко распространенного в природе элемента — водорода. Решение этой труднейшей и величественной задачи навсегда сняло бы с человечества заботу о необходимых для его существования на земле запасах энергии.

Советский Союз проводит политику широкого сотрудничества с другими странами в деле мирного использования радиоактивных изотопов и атомной энергии, направленную на то, чтобы лучше использовать в интересах человечества величайшие открытия нашего времени и, развивая международные связи в этой области, содействовать укреплению мира.

Показательным примером международного сотрудничества были международная научно-техническая конференция по мирному использованию атомной энергии, состоявшаяся в Женеве в августе 1955 г., и международная конференция по применению радиоактивных изотопов в научных исследованиях, состоявшаяся в Париже в сентябре 1957 г. В работу этих и других конференций важный вклад внесли советские ученые.

Серьезную роль в изучении радиоактивных изотопов играет созданный в 1956 г. Объединенный институт ядерных исследований — международная организация, в которую в настоящее время входит двенадцать государств (СССР, Китайская Народная Республика, Чехословакия и др.).

Советский Союз оказывает бескорыстную помощь другим странам в деле мирного использования радиоактивных изотопов и атомной энергии также путем двустороннего сотрудничества.

Осуществляя как двусторонние связи в области мирного использования радиоактивных изотопов и атомной энергии, так и участвуя в международных организациях по вопросам атомной энергии, Советское государство, исходя из интересов народа, руководствуется тем, чтобы великие научные открытия нашего времени использовались не для целей войны и разрушения, а для созидательных целей, для повышения благосостояния и уровня жизни народа. Советская наука добилась выдающихся успехов в использовании радиоактивных изотопов и атомной энергии в мирных целях. В СССР с 1954 г. работает первая в мире электростанция на атомной энергии.

В этой книге рассказывается о применении радиоактивных изотопов для мирных целей и возможном использовании их в военном деле. Но прежде чем рассказать обо всем этом, необходимо вспомнить, из чего слагается вещество, как построены молекулы и атомы, что такое явление радиоактивности и какими свойствами обладают радиоактивные изотопы.

Ⅰ. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

1. Вещество

Все окружающие нас предметы состоят из того или иного вещества. Дома построены из кирпича, дерева, железа и бетона, в оконные рамы вставлено стекло, части машин и станков сделаны из железа и других металлов и т. д. Мир веществ многообразен. Вещества обладают самыми различными свойствами. Одни тверды, другие мягки, одни прозрачны, другие непрозрачны, цвет одних отличается от цвета других и т. п. Различие свойств зависит от состава вещества.

Каждое вещество может быть разделено на очень мелкие частички, которые называются молекулами. В свою очередь молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов. Так, чистая, вода состоит из молекул, в состав которых входят атомы водорода и кислорода; молекулы серной кислоты состоят из атомов водорода, кислорода и серы и т. д. Состав молекул и взаимная связь атомов в них определяют свойства вещества. Все молекулы данного вещества имеют одинаковый состав и отличаются от молекул другого вещества входящими в их состав атомами. Так, например, молекулы газа метана и ацетилена состоят из атомов углерода и водорода. В состав молекул метана входит один атом углерода и четыре атома водорода, а в состав молекул ацетилена — два атома углерода и два атома водорода. Молекулы древесного спирта отличаются от молекул метана тем, что в их состав, кроме атомов водорода и углерода, входит атом кислорода.

В настоящее время известно сто два вида атомов, или, как принято называть, совокупность атомов — сто два химических элемента. Водород, кислород, азот, сера, углерод, железо, медь, цинк и т. д. — все это химические элементы.

Все многообразие окружающих нас веществ, следовательно, слагается из сравнительно небольшого количества видов атомов, которые, соединяясь между собой, образуют бесчисленное множество молекул различного состава и строения.

2. Открытие Д. И. Менделеева

Все известные в настоящее время элементы представлены в приведенной ниже таблице, называемой периодической системой элементов Д. И. Менделеева. В каждой клетке этой таблицы приведены условный знак химического элемента (символ), его название и цифры, верхняя из которых показывает порядковый номер элемента, а нижняя — его атомный вес.

Периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева

С помощью символов химических элементов легко можно изображать молекулы различных веществ. Например, молекула воды изображается формулой Н_2О. Это обозначает, что в состав этой молекулы входят два атома водорода (Н_2) и один атом кислорода (О). Символами можно изобразить также течение того или другого химического процесса. Взаимодействие железа с серной кислотой изображается следующим образом:

Расположение элементов в периодической системе не является случайным. Оно подчиняется одному из важнейших законов природы, открытому великим русским ученым Д. И. Менделеевым, — периодическому закону. Этот закон в современной формулировке говорит, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины электрических зарядов их ядер.

Менделеев открыл периодический закон в 1869 г. В то время о строении атома еще ничего не было известно, и Менделеев выразил свой закон так: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов». При расположении элементов в порядке возрастания их атомных весов в ряд через определенное число повторяются элементы со сходными свойствами. Если этот ряд элементов разделить на несколько строк так, чтобы возрастание атомных весов шло слева направо и сходные элементы оказались друг под другом в одном вертикальном столбце, то получится периодическая система элементов. Эту работу и выполнил в 1869 г. Д. И. Менделеев, выразив открытый им закон в виде таблицы.

Можно подумать, что Менделееву нетрудно было сделать это открытие, так как закон очень прост. На самом деле задача была чрезвычайно сложной. Лишь две трети элементов, имеющихся на Земле, были известны во времена Менделеева, и распределение их в порядке возрастания атомных весов не давало правильной повторяемости свойств. Но Менделеев, глубоко убежденный в справедливости найденного им закона, сумел правильно расположить все известные элементы, оставив свободными те клетки таблицы, которые должны были занять еще не найденные элементы.

Придавая основное значение периодической повторяемости химических свойств элементов, Менделеев в ряде случаев расположил элементы не в порядке возрастания атомных весов.

Используя периодический закон, Менделеев предсказал свойства еще не открытых элементов.

Все свободные клетки периодической системы впоследствии были заполнены новыми элементами, и предсказания русского ученого подтвердились.

Периодическая таблица Менделеева помогла многим великим открытиям XX века. Эти открытия показали важное значение закона, найденного великим ученым. Так, например, порядковый номер элемента в таблице оказался не просто очередным номером, он получил глубокий физический смысл.

3. Мир атомов

Размеры атомов и молекул и их веса ничтожно малы. Если их выражать в обычных единицах измерения — граммах и сантиметрах, то получатся цифры, совершенно неудобные для обращения. Так, вес атома кислорода равен 0,000 000 000 000 000 000 000 026 грамма.

Самый легкий атом — атом водорода — весит в 16 раз меньше атома кислорода, а атом калифорния, одного из самых тяжелых известных в настоящее время элементов, — всего в 15 раз тяжелее атома кислорода.

В состав молекул входит относительно небольшое количество атомов, поэтому и веса молекул выражаются такими же маленькими числами, как и веса атомов. Даже гигантские молекулы некоторых белковых веществ, которые в 1000 раз тяжелее атома кислорода, имеют очень маленький вес. Поэтому в самых небольших количествах вещества содержится грандиозное количество молекул и атомов. Например, в грамме железа содержится около 10 000 000 000 000 000 000 000 атомов. Но грамм железа — это кубик с ребром длиною всего в ½ сантиметра.

Нетрудно найти, что на линии длиной, равной одному сантиметру, вплотную друг к другу разместится около 100 миллионов атомов железа.

Чтобы еще лучше представить себе грандиозность числа атомов в самых небольших количествах вещества, рассмотрим такой пример. Если из трубы дома или завода, находящегося в Москве, вылетит 1 грамм сажи и равномерно распределится на всей площади, занимаемой городом, то на каждом квадратном сантиметре окажется по 500 миллиардов атомов углерода, из которого состоит сажа.

Обычно на практике пользуются системой так называемых атомных и молекулярных весов. По этой системе вес атома любого элемента выражается через вес атома кислорода, условно принятый равным 16 атомным единицам массы. Вес самого легкого атома — атома водорода — по этой системе весов приблизительно равен единице, а самого тяжелого природного элемента — урана — примерно 238. Молекула воды по этой системе имеет так называемый молекулярный вес, равный 18.

4. Открытие радиоактивности

В конце прошлого столетия французский физик А. Беккерель обнаружил, что вещества, в состав которых входит уран, испускают какие-то лучи. Эти лучи, так же как и солнечные, действуют на фотографическую пластинку, вызывая засвечивание светочувствительного слоя. Но в отличие от солнечных новые лучи подобно лучам Рентгена оказывают свое действие на пластинку и в том случае, когда она завернута в черную бумагу.

Изучением лучей, открытых Беккерелем, занялись многие ученые. Особенно плодотворными были работы Марии Склодовской-Кюри и ее мужа Пьера Кюри. Они нашли, что лучи Беккереля испускаются только теми веществами, которые содержат уран или торий. Для обнаружения этих лучей Пьер Кюри построил специальный прибор, основанный на том, что под действием лучей Беккереля воздух становится проводником электрического тока. Прибор работает по схеме, показанной на рис. 1. Металлическая пластинка 1 присоединяется к отрицательному полюсу электрической батареи, а пластинка 2 — к положительному. Если излучение радиоактивного вещества проходит между пластинками 1 и 2, то воздух делается проводником электрического тока, вся цепь оказывается замкнутой, и стрелка гальванометра 3 отклоняется. Чем интенсивнее излучение, тем больше отклоняется стрелка.

Рис. 1. Схема прибора для обнаружения лучей Беккереля:

1 и 2 — металлические пластинки; 3 — гальванометр; 4 — источник постоянного тока; 5 — излучение исследуемого вещества

Мария Кюри установила, что интенсивность излучения была тем больше, чем больше урана находилось в веществе. Вскоре, однако, выяснилось, что урановая руда, так называемая урановая смолка, давала излучение в несколько раз более интенсивное, чем чистый металл уран, несмотря на то, что в урановой смолке содержалось лишь несколько процентов урана. Это явление говорило о том, что в урановой смолке есть какое-то вещество, способное к более сильному излучению, чем сам уран.

Поисками этого неизвестного вещества и занялись Мария и Пьер Кюри. В результате двухлетней работы им удалось обнаружить в урановой руде два новых вида атомов, т. е. два новых элемента — радий и полоний. Полоний получил свое имя в честь Польши — родины Марии Кюри, — а радий — за его излучение («радиус» в переводе с латинского — луч). Само излучение было названо радиоактивным, а элементы, способные к такого рода излучению, — радиоактивными. Радиоактивными элементами оказались уран, торий, радий и полоний.

5. Радий

Радий испускает лучи, подобные урану, но излучение радия более интенсивное. Радий непрерывно выделяет тепло.

Лучи от кусочка радия идут прямолинейно во все стороны. Они плохо проникают через свинец, и если радий находится на дне свинцовой коробки, в которой сделано узкое отверстие, то лучи распространяются из этого отверстия узким пучком. Если на пути пучка поставить фотографическую пластинку, то после проявления на ней получится одно маленькое пятно (рис. 2, а). Если же лучи радия проходят сквозь электромагнитное поле, то они делятся на три составные части. Это легко обнаружить с помощью фотопластинки. Вместо одного пятна на ней после проявления появляются три: одно в центре, другое рядом с ним, а третье с другой стороны от центра (рис. 2, б).

Рис. 2:

а — поток лучей радия дает на фотопластинке черное пятно; б — проходя через сильное электромагнитное поле, поток делится на три вида лучей

Три рода лучей радия были названы альфа- бета- и гамма-лучами (альфа-, бета- и гамма — названия трех первых букв греческого алфавита).

Как было установлено опытами с отклонением излучения радия в электромагнитном поле, альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц, бета-лучи — поток отрицательно заряженных частиц, а гамма-лучи не несут никакого электрического заряда.

6. Строение атома

Исследование свойств радия и ряд других опытов привели ученых к заключению, что атомы являются сложными частицами, в состав их входят положительно заряженные частицы и электроны[2]. Как же расположены они в атоме?

Оказывается, в центре атома находится положительно заряженное ядро очень малых размеров. Ядро окружено электронами. Так как атом в целом электрически нейтрален, то число окружающих его электронов равно заряду ядра.

Расстояния от ядра до электронов значительно больше размеров самого ядра. Если представить себе ядро увеличенным до размеров горошины, то электроны как бы окажутся на расстоянии 100 метров от ее центра.

Диаметр ядра атома имеет размер порядка 0,0001 ангстрема, а сам атом — от одного до пяти ангстремов[3].

Электроны составляют лишь незначительную часть массы атома. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Если бы мы смогли наполнить один кубический сантиметр ядрами какого-либо атома, то он весил бы приблизительно столько же, сколько величайшая гора Кавказа Эльбрус (около 100 000 000 тонн).

Атомы различных элементов отличаются друг от друга весом и зарядом ядра.

На рис. 3 показаны упрощенные схемы строения некоторых атомов. Электроны в атомах располагаются слоями. В результате, например, химической реакции атом может передать электроны из внешнего слоя другому атому. При этом электрическая нейтральность атомов нарушается. Такие заряженные частицы называются ионами. Атомы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительными ионами, а принявшие один или несколько электронов — отрицательными.

Рис. 3. Упрощенные схемы строения некоторых атомов

7. Строение ядра атома

После открытия нейтронов советский физик Д. Д. Иваненко в 1932 г. сделал предположение, что ядро атома состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов. Предположение Иваненко было развито и обосновано Гейзенбергом и подтверждено всеми опытами, проведенными в дальнейшем с атомными ядрами. В настоящее время протонно-нейтронная теория является общепризнанной.

Протоны — это ядра атомов водорода; масса протона равна приблизительно одной атомной единице, и протон имеет положительный заряд. В качестве единицы заряда в атомной физике принята абсолютная величина заряда электрона. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Следовательно, можно сказать, что заряд протона равен единице.

Нейтроны имеют примерно такую же, как и протоны, массу, но не несут электрического заряда. Это электрически нейтральные частицы.

Протонно-нейтронная теория строения атома лежит в основе современной ядерной физики.

Так как веса протона и нейтрона в атомных единицах приблизительно равны единице, то округленный до целого числа вес атома в атомных единицах равен сумме числа нейтронов и протонов всего ядра. Это число называется массовым числом. Число же протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Таким образом, ядро атома углерода, имеющего массовое число 12 и заряд, равный 6 единицам, содержит 6 протонов и 6 нейтронов (рис. 4). Ядро атома урана с массовым числом 238 и зарядом 92 содержит 92 протона и 146 нейтронов.

Рис. 4. Схемы строения ядер атомов

8. Изотопы

Открытие Марией и Пьером Кюри полония и радия направило ученых на поиски других радиоактивных элементов. Эти поиски увенчались успехом: в рудах урана и тория были открыты новые радиоактивные элементы.

Многие из них по своим химическим свойствам оказались неотличимыми от ранее известных элементов. Так, в 1906 г. был обнаружен элемент ионий, который оказался сходным по свойствам с ранее известным элементом Ⅳ группы периодической системы торием. Все попытки отделить ионий от тория кончались неудачей.

В 1907 году было установлено, что вновь открытый элемент мезоторий химически неотличим от радия.

В последующие годы было обнаружено полное химическое сходство новых элементов радия В и радия D со свинцом. Атомы радия В и радия D имеют такой же заряд ядра, а значит, и такой же порядковый номер, как и атомы свинца, но отличаются от них своей массой. Такое же равенство зарядов и отличие в массах имело место у тория и иония, мезотория и радия.

Оказалось, что в некоторых клетках периодической системы Менделеева должно помещаться несколько видов атомов, имеющих одинаковый заряд ядра, но разную массу. Такие атомы получили название изотопов (изотоп по-гречески означает — занимающий то же место). Радий В и радий D стали называться изотопами свинца, мезоторий 1 — изотопом радия и т. д.

Таким образом, атомы данного элемента содержат одинаковое число протонов, но могут содержать различное число нейтронов.

Изотопы были обнаружены и среди нерадиоактивных элементов. Удалось доказать, например, что газ неон представляет собою смесь атомов неона с различной массой.

Впоследствии были обнаружены или получены искусственным путем изотопы всех элементов.

С помощью химических символов можно легко обозначать изотопы различных элементов. Например, изотопы натрия с массовыми числами 22, 23 и 24 записываются следующим образом:

Na^22, Na^23, Na^24

Ниже приводится таблица природных изотопов некоторых элементов. Как видно из таблицы, алюминий, фосфор и марганец имеют только по одному природному изотопу.

Природные изотопы некоторых элементов

Название элемента

Символ

Массы изотопов

Водород

H

1, 2

Углерод

C

12, 13

Кислород

O

16, 17, 18

Алюминий

Al

27

Фосфор

P

31

Сера

S

32, 33, 34, 36

Хлор

Cl

35, 37

Калий

K

39, 40, 41

Марганец

Mn

55

Железо

Fe

54, 56, 57, 58

Медь

Cu

63, 65

Платина

Pt

190, 192, 194, 195, 196,198

Свинец

Pb

204, 206, 207, 208, 210.211, 212, 214

Уран

U

234, 235, 238

Ⅱ. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

1. Радиоактивное излучение

Мы уже говорили о том, что радий испускает альфа-, бета- и гамма-лучи. Излучение, подобное радию, дают уран, торий, полоний и многие другие радиоактивные элементы. Однако распад других радиоактивных веществ не обязательно сопровождается всеми тремя видами излучений. Что же представляют собой альфа-, бета- и гамма-лучи?

В результате исследований действия электромагнитного поля на радиоактивное излучение ученые нашли, что альфа-лучи — это поток положительно заряженных частиц — ядер атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из ядра атома с огромной скоростью — например из ядра атома радия со скоростью, примерно равной 17 000 километров в секунду. Они способны проникать через слой воздуха в несколько сантиметров толщиной. Проходя через воздух, они его ионизируют и делают проводником электричества.

Бета-лучи — это поток электронов, некоторые из которых вылетают из ядра атома со скоростью, достигающей величины, близкой к скорости света (300 000 километров в секунду в пустоте). Они проникают через вещества значительно лучше, чем альфа-лучи. Если альфа-лучи задерживаются пластинкой алюминия толщиной, равной 0,05 миллиметра, то бета-лучи способны пройти через слой алюминия толщиною до нескольких миллиметров. Так же, как и альфа-лучи, электроны делают воздух проводником электричества, только в меньшей степени.

Гамма-лучи имеют ту же природу, что и обычный видимый нами свет, но в отличие от него гамма-лучи, ослабляясь, проходят через непрозрачные тела, например через бумагу, дерево; они способны проникнуть даже через слои металлов толщиной в несколько сантиметров. Излучение природных радиоактивных элементов исчерпывается тремя перечисленными видами.

2. Радиоактивный распад

Теперь рассмотрим, что происходит с радиоактивными атомами при альфа-, бета- и гамма-излучении. Ученые нашли, что при радиоактивном излучении изменяются ядра атомов и происходит превращение атомов одного элемента в атомы другого элемента. Явление это получило название радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный атом рано или поздно превращается в другой атом. Но не все атомы одного и того же радиоактивного изотопа существуют одинаковое время; одни атомы распадаются быстро, а другие могут оставаться неизменными очень долго.

Каким же законам подчиняется радиоактивный распад?

Оказывается, число распадающихся за малый промежуток времени[4] атомов прямо пропорционально наличному числу радиоактивных атомов. Это значит, что у того или другого радиоактивного изотопа за такой малый промежуток времени распадается всегда одна и та же часть, одна и та же доля атомов, строго определенная для каждого элемента.

Этот закон ученые установили опытным путем, наблюдая за изменением интенсивности излучения радиоактивных изотопов со временем.

Доля атомов, претерпевающих превращение за выбранную единицу времени, называется постоянной распада.

Если, например, мы имеем 8 000 000 радиоактивных атомов и постоянная распада равна 0,01, то это значит, что в каждую секунду распадается одна сотая часть наличных атомов: за первую секунду — 80 000 атомов, за вторую — сотая часть оставшихся 7 920 000, то есть 79 200 атомов, и т. д.

Скорость радиоактивного распада обычно характеризуют периодом полураспада. Период полураспада — это промежуток времени, в течение которого наличное количество радиоактивных атомов уменьшается вдвое. Например, период полураспада радия D равен 22 годам. Это значит, что из 6 400 000 атомов через 22 года останется 3 200 000 атомов, еще через 22 года — 1 600 000 атомов, затем — 800 000 атомов и т. д.

В этих примерах даны довольно большие числа. Это совершенно необходимо, так как для малых количеств атомов закон не будет соблюдаться: из двух атомов радия D за 22 года может не распасться ни один, а могут распасться и оба.

Изучение превращения элементов при радиоактивном распаде дало возможность ученым установить правило перемещения элемента в периодической системе при этом процессе. Оно было названо «правилом сдвига». Когда радиоактивный атом излучает альфа-частицу, заряд его ядра уменьшается на 2 единицы, так как заряд самой альфа-частицы равен 2. При этом получается новый элемент, который должен занять в периодической системе место через одну клетку влево. Например, когда радий, занимающий 88-ю клетку периодической системы, излучает альфа-частицу, то он превращается в радиоактивный газообразный элемент эманацию радия, который находится в клетке под номером 86.

Бета-частицы, так же как и альфа-частицы, являются продуктами распада ядра радиоактивного атома; они испускаются в результате превращения нейтрона в протон:

Нейтрон→протон+электрон

Заряд ядра при бета-излучении (при испускании электрона) увеличивается на одну единицу; на единицу увеличивается и порядковый номер, и поэтому вновь образовавшийся изотоп должен занять в таблице место в следующей клетке справа. Уран X_1, получающийся из урана 238, занимает клетку номер 90 вместе с торием. Он выбрасывает бета-частицу и превращается в уран Х_2, который имеет порядковый номер 91, то есть является изотопом протактиния.

Альфа- и бета-распад сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.

При гамма-излучении энергия ядра атома уменьшается, но состав ядра остается неизменным.

Правило сдвига дало возможность найти место в периодической системе элементов Менделеева для всех вновь открытых изотопов.

3. Семейства радиоактивных изотопов

Правило сдвига позволило ученым установить связь между целыми группами радиоактивных изотопов. Так, оказалось, что торий с массовым числом 232, выбрасывая альфа-частицу, превращается в изотоп радия — мезоторий 1 с массовым числом 228 и порядковым номером 88. Мезоторий 1 в свою очередь выбрасывает электрон и превращается в мезоторий 2 — изотоп актиния. Мезоторий 2 испускает бета-лучи и превращается в радиоторий.

Цепь превращений идет от одного радиоактивного изотопа к другому, пока в результате радиоактивного распада не образуется устойчивый изотоп.

Так получается ряд радиоактивных изотопов, или радиоактивное семейство.

Исследуя процессы радиоактивного распада, ученые установили три ряда радиоактивных элементов, которые находятся в природе: ряд урана, ряд тория и ряд актиноурана.

Уран 238, торий и актиноуран (уран 235) являются родоначальниками этих рядов, и каждый ряд заканчивается нерадиоактивным изотопом свинца.

Одним из важных членов семейства урана является изотоп радия с массовым числом 226; он широко применяется в медицине, технике и в научных изысканиях.

Позднее искусственным путем было получено новое семейство радиоактивных изотопов — семейство нептуния; оно заканчивается устойчивым изотопом висмута.

На рис. 5 и 6 приведены радиоактивные семейства. В кружках указаны названия элементов, масса атома и заряд ядра. Стрелки показывают, в каком направлении идет превращение, значки α и β около стрелок — род излучения, а цифры — периоды полураспада.

Рис. 5. Семейства урана (а) и тория (б)

Рис. 6. Семейства актиноурана (а) и нептуния (б)

4. Радиоактивное равновесие

В каждом радиоактивном семействе есть изотопы с самыми различными периодами полураспада. Уран 238 имеет период полураспада, равный 4,5 миллиарда лет; количество атомов урана изменяется настолько медленно, что даже в течение многих веков убыль их практически нельзя заметить. Период полураспада радия — 1590 лет, а радия А — всего 3 минуты.

С течением времени в смеси изотопов радиоактивного ряда наступает так называемое радиоактивное равновесие. Это значит, что количество атомов того или иного радиоактивного элемента в смеси остается практически неизменным; сколько атомов получается, столько же распадается. Если из смеси удалить один из изотопов, то равновесие нарушается, но через определенное время оно наступает вновь.

Чтобы понять это, сравним радиоактивное семейство с системой бассейнов с водой, которые расположены друг под другом и связаны между собой трубами различного сечения. Представим, что количество воды в них соответствует количеству радиоактивных изотопов, а сечения соединяющих труб — постоянным их распада. Учтем, что скорость вытекания зависит от напора воды: чем выше уровень воды в бассейне и чем шире труба, тем быстрее течет из него вода. Допустим, что в первом бассейне находится такое большое количество воды, что убыль ее практически не влияет на уровень воды. Из первого бассейна вода протекает во второй по трубе сечением, равным 2 кв. сантиметрам. Из второго бассейна вода течет в третий по трубе сечением, равным 1 кв. сантиметру. Труба, соединяющая третий бассейн с четвертым, имеет сечение 4 кв. сантиметра.

Вначале вода во втором бассейне будет прибывать, но одновременно она будет вытекать в третий бассейн. Когда высота уровня во втором бассейне станет вчетверо больше, чем в первом, скорость протока воды во второй бассейн будет равна скорости вытекания из него в третий. В первом бассейне уровень в 4 раза ниже, чем во втором, но зато сечение трубы в 2 раза больше. Поэтому вода во втором бассейне будет сохранять один и тот же уровень.

То же можно сказать про третий бассейн. Вода в нем будет прибывать до тех пор, пока уровень ее не достигнет высоты, в 4 раза меньшей, чем в первом бассейне.

Когда уровни будут находиться в соотношении 4:16:1, скорости притока и вытекания воды для каждого бассейна станут равны. Наступит равновесие.

Если теперь из второго бассейна часть воды вычерпать, то равновесие будет нарушено: скорость поступления воды во второй бассейн будет прежней, но скорость вытекания уменьшится и в третьем бассейне вода начнет убывать. Однако через некоторое время уровень во втором бассейне повысится, и равновесие наступит вновь.

Подобное этому равновесие имеет место и при радиоактивном распаде. Чем больше период полураспада элемента, тем больше его находится в смеси. В семействе тория, например, из тория образуется в единицу времени столько атомов мезотория 1, сколько их распадается с образованием мезотория 2.

Уран, торий и актиноуран находились в земной коре многие тысячелетия, и за это время в радиоактивных семействах урана, тория и актиноурана установилось равновесие.

5. Азот превращается в кислород

В средние века алхимики занимались поисками способов превращения различных металлов в золото. Поиски эти были безуспешны, и начиная с XⅦ века многие ученые перестали верить в возможность превращения элементов. В XⅨ веке в науке утвердилось атомно-молекулярное учение. По этому учению составные части всякого вещества — атомы — считались неделимыми, следовательно, и превращение одного атома в другой оказывалось невозможным.

Но в XX веке, после того как было изучено явление радиоактивности и выяснилось сложное строение атома, ученые снова вернулись к мысли об искусственном превращении элементов.

Ядро атома нельзя разрушить ни нагреванием до нескольких тысяч градусов, ни охлаждением до самых низких температур, ни высоким или низким давлением. Для разрушения атомов нужна большая энергия. В руках человека до открытия радиоактивных элементов такой энергии не было.

В 1919 году английский физик Резерфорд решил использовать для разрушения атомов энергию радиоактивного излучения, именно энергию альфа-частиц. Быстролетящие, сравнительно тяжелые альфа-частицы могли служить миниатюрными снарядами, которые способны разрушить ядро и привести к образованию новых ядер.

Радиоактивный препарат, излучающий альфа-частицы, помещался в газ азот. Альфа-частицы, сталкиваясь с атомами азота, проникали в их ядра (рис. 7). Затем ядра раскалывались на два новых ядра: ядро атома кислорода и ядро атома водорода (или протон). Так впервые был проведен процесс превращения элементов. С помощью химических символов он может быть записан следующим образом:

Рис. 7. Схема взаимодействия альфа-частицы и ядра атома азота

Общее число протонов и нейтронов в этом процессе не изменяется. Поэтому суммы верхних цифр (массовых чисел) справа и слева от стрелки должны быть одинаковы; сумма нижних цифр — общее количество протонов в ядрах — также не меняется.

Вес искусственно полученного атома кислорода равен 17 атомным единицам. Это один из изотопов кислорода.

Вскоре с помощью альфа-частиц удалось расщепить ядра атомов и ряда других элементов.

6. Открытие искусственной радиоактивности

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, изучая действие альфа-частиц на атомы различных элементов, сделали великое открытие. Они обнаружили, что облученный альфа-частицами алюминий испускает позитроны. Позитроны были открыты в 1932 г. в космических лучах, идущих из мирового пространства. Позитрон — это частица, которая имеет массу, равную массе электрона, но заряд, равный и противоположный по знаку заряду электрона, то есть — положительный.

Как было установлено супругами Жолио-Кюри, испускание позитронов идет и после прекращения обстрела алюминия альфа-частицами. Число испускаемых позитронов со временем убывает, и, наконец, выделение их прекращается.

Открытое Ирен и Фредериком Жолио-Кюри явление напоминало картину радиоактивного распада. Поэтому ученые пришли к мысли, что в результате взаимодействия алюминия и альфа-частиц получается искусственный радиоактивный элемент. Действительно, убывание числа испускаемых позитронов подчиняется закону радиоактивного распада. Период полураспада нового радиоактивного элемента оказался равным 3,25 минуты.

Подобные явления были обнаружены также при действии альфа-частиц на бор и магний.

Таким образом, супруги Жолио-Кюри показали, что радиоактивные элементы можно создавать искусственным путем.

Какие же элементы получались из алюминия, бора и магния при воздействии на них альфа-частиц?

Изучение взаимодействия алюминия с альфа-частицами показало, что сначала из алюминия вылетают нейтроны, а позитроны появляются уже после бомбардировки. Ученые нашли, что процесс идет таким путем:

Образовавшийся фосфор распадается с излучением позитрона:

При бомбардировке бора и магния идут следующие ядерные реакции:

Свое предположение Ирен и Фредерик Жолио-Кюри подтвердили, выделив из облученного алюминия радиоактивный фосфор.

Для этого облучения альфа-частицами пластинка алюминия была растворена в кислоте. Атомы фосфора, образовавшиеся из алюминия, попали вместе с атомами алюминия в раствор. Затем фосфор был превращен в фосфорную кислоту. К полученному раствору было добавлено несколько миллиграммов обыкновенной фосфорной кислоты, и после этого вся фосфорная кислота переводилась в нерастворимую соль — осаждалась из раствора. Полученная в осадке соль содержала и ту фосфорную кислоту, которая была добавлена к раствору, и ту, которая образовалась из атомов радиоактивного фосфора.

Для чего же необходимо было добавлять обыкновенную фосфорную кислоту?

Из алюминия в опытах Жолио-Кюри при действии альфа-частиц могло образоваться лишь несколько десятков тысяч атомов фосфора, то есть 10-18–10-19 граммов. Из этого количества фосфора получается так мало соли, что вся она свободно растворяется в воде и осадок не может выделиться. Добавленная нерадиоактивная фосфорная кислота играет роль «носителя». Осаждаясь, она «уносит» вместе с собой и ничтожные количества радиоактивной фосфорной кислоты.

Как же узнать, есть ли в осадке атомы радиоактивного фосфора? Ирен и Фредерик Жолио-Кюри убедились в этом благодаря тому, что в выделенной фосфорной кислоте идет процесс, при котором происходит излучение позитронов.

Так же было доказано, что при облучении магния образуется радиоактивный кремний, а при облучении бора — радиоактивный азот. Полученные таким образом неустойчивые элементы были названы искусственными радиоактивными элементами, а само явление — искусственной радиоактивностью.

7. Атомная «артиллерия»

Работы по получению новых искусственных радиоактивных элементов начали вести ученые различных стран. В качестве атомных «снарядов» применялись нейтроны, получаемые при действии альфа-частиц радия или радона на бериллий:

Чтобы получить источник нейтронов, достаточно смешать бромистый радий или полоний с порошком бериллия.

Все элементы периодической системы были подвергнуты действию нейтронов. При этом удалось установить, что в большинстве случаев получаются радиоактивные элементы, которые испускают бета-лучи.

Однако природные радиоактивные элементы оказались недостаточно мощными источниками ядерных снарядов. Один грамм радия, например, в течение секунды испускает 3,7∙10^10 альфа-частиц, а в смеси с бериллием приблизительно 10^7 нейтронов. Это — огромные количества частиц, но нужно иметь в виду, что при действии на ядра атомов только небольшая часть таких снарядов попадает в цель, так как ядра атомов составляют ничтожную часть объема вещества.

Для получения заметных количеств искусственных радиоактивных элементов ученые построили аппараты, с помощью которых можно создавать потоки альфа-частиц, протонов, нейтронов и дейтронов с большим количеством частиц и большой энергией (дейтроны — ядра изотопа водорода, состоящие из протона и нейтрона).

Одним из аппаратов для получения ядерных снарядов является циклотрон (рис. 7а).

Рис. 7а. Внешний вид циклотрона

Циклотрон представляет собой камеру в форме цилиндра, из которой удален воздух. Камера находится между полюсами огромного электромагнита. Внутри камеры помещены металлические коробки с сечением в виде полукруга (рис. 7б и 7в). Эти коробки, называемые дуантами, располагаются так, что их прямолинейные края отстоят друг от друга на несколько сантиметров. Дуанты присоединяются к мощному источнику тока высокой частоты. Внутрь камеры впускается водород или гелий. Между дуантами находится вольфрамовая нить. Она накаливается и испускает электроны, которые при своем движении вырывают электроны из оболочек атомов газа и ионизируют этот газ. Положительные ионы, образующиеся вблизи вольфрамовой нити, начинают двигаться к отрицательно заряженному дуанту и по инерции проскакивают внутрь него.

Рис. 7б. Схема циклотрона:

1–2 — дуанты; 3 — источник электронов; 4 — отклоняющая ионы пластинка; 5 — место выхода ионов, мишень

Рис. 7в. Вид разобранной камеры циклотрона:

1–2 — дуанты; 3 — источник электронов

Внутри дуантов нет электрического поля, но на летящие ионы действует магнитное поле электромагнита и заставляет их двигаться по окружности, т. е. искривляет путь движения ионов. Это движение продолжается до тех пор, пока ионы не выйдут в пространство между дуантами.

К этому времени дуанты меняют знаки своих зарядов, и ионы снова получают дополнительный толчок, направленный к отрицательному дуанту. Далее они попадают внутрь второго дуанта, но теперь движутся с большей, чем раньше, скоростью и описывают окружность большего радиуса. Затем ионы снова проскакивают в первый дуант и т. д.

Внутри дуантов ионы двигаются по так называемой развертке. Когда ускоренные таким образом ионы достигают наибольшей возможной при данных размерах дуантов скорости, они с помощью отрицательно заряженной пластины меняют свое направление и выводятся из дуантов через окошечко (см. рис. 7б) на облучаемое вещество.

Если в камеру циклотрона впускают газообразный гелий, то получаются гелионы — альфа-частицы, если водород, то протоны, если тяжелый водород (изотоп водорода с массой 2), то дейтроны.

В последнее время в камеры ускоряющих установок стали вводить газы со сравнительно тяжелыми атомами, например азот. Благодаря этому из урана, например, можно получить сразу элемент с порядковым номером 99.

В настоящее время построены сверхмощные ускоряющие установки — синхрофазотроны (рис. 8), которые несколько отличаются по принципу действия от циклотрона и дают возможность сообщать частицам громадную энергию — до 10 миллиардов электрон-вольт. Энергия этих частиц во много раз превышает энергию частиц, получаемых в циклотроне, и в сотни раз энергию частиц природных радиоактивных элементов. При попадании таких частиц в ядро атома последнее претерпевает большие изменения и от него откалываются протоны и нейтроны в большом количестве или «осколки», представляющие собою ядра атомов легких элементов.

Рис. 8. Внешний вид синхрофазотрона

На описанных установках можно получать не только быстрые заряженные частицы, но и нейтроны, направляя дейтроны на бериллиевую пластинку. В этом случае происходит следующая реакция:

Большой циклотрон может дать несколько тысяч миллиардов нейтронов в секунду.

С помощью циклотрона и других аппаратов было исследовано большое количество ядерных превращений и получены радиоактивные изотопы всех элементов периодической системы Менделеева.

Большое значение для получения искусственно радиоактивных элементов сыграл урановый ядерный реактор, о котором мы будем говорить позднее.

В настоящее время удалось также получить элементы, которые не найдены в природе и имеют порядковые номера 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астатин) и 87 (франций); а также так называемые трансурановые (стоящие после урана в периодической системе) элементы с порядковыми номерами от 93 до 102.

Излучение искусственно радиоактивных изотопов более разнообразно, чем природных. Большое число их обладает позитронным излучением, распад многих искусственно радиоактивных изотопов сопровождается рентгеновским излучением, которое от гамма-лучей отличается большей длиной волны, а следовательно, и меньшей проникающей способностью.

Большое практическое значение имеют те радиоактивные элементы, период полураспада которых не слишком мал и которые легко могут быть получены. Ниже приведены некоторые искусственные радиоактивные изотопы, используемые при различных исследованиях.

Таблица некоторых искусственных радиоактивных изотопов, использующихся в практике

Название элемента

Символ изотопа

Период полураспада

Водород

1H^3 (T)

12,41 года

Углерод

6C^14

5570 лет

Натрий

11Na^24

14,97 часа

Фосфор

15Р^32

14,295 дня

Сера

16S^35

87,1 дня

Калий

19K^42

12,44 часа

Кальций

20Ca^45

163 дня

Железо

26Fe^59

47,1 дня

Кобальт

27Co^60

5,3 года

Медь

29Cu^64

12,88 часа

Цинк

30Zn^65

250 дней

Мышьяк

33As^76

1,115 дня

Бром

35Br^82

1,495 дня

Серебро

47Ag^110

270 дней

Иод

53J^131

8,14 дня

Барий

56Ва^140

13,4 дня

Вольфрам

74W^185

73,2 дня

Золото

79Au^198

2,697 дня

Ⅲ. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

1. Материя и энергия

Как известно, ядра всех атомов, за исключением легкого водорода, состоят из нейтронов и протонов. Нейтроны и протоны в ядре прочно связаны друг с другом, поэтому разрушить ядро очень трудно. Тем не менее удается осуществить ядерные реакции, то есть такие реакции, при которых ядра атомов одних химических элементов превращаются в ядра атомов других химических элементов или изотопные ядра. Ядерные реакции осуществляются под действием протонов, нейтронов, дейтронов, альфа-частиц и т. д. В большинстве случаев необходимо, чтобы перечисленные выше частицы имели очень высокую энергию.

Чтобы расщепить ядро атома на протоны и нейтроны, необходимо затратить большую энергию. Наоборот, в случае соединения протонов и нейтронов с образованием ядра атома будет происходить выделение энергии. Закон сохранения энергии говорит, что энергия не может исчезнуть и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую. Согласно этому закону энергия, которую необходимо затратить на то, чтобы разложить ядро атома на протоны и нейтроны, равна энергии, выделяющейся при образовании этого ядра из протонов и нейтронов. Такая энергия называется полной энергией связи ядра атома. Если ее разделить на число протонов и нейтронов в ядре, то получится средняя энергия связи нуклона (протона или нейтрона) в ядре, приходящаяся на один нуклон.

Для того чтобы подсчитать энергию связи ядра, можно воспользоваться уравнением Эйнштейна, определяющим взаимосвязь массы и энергии:

E=mc^2

(энергия=масса×скорость света×скорость света).

Гению великого русского ученого М. В. Ломоносова принадлежит открытие одного из основных законов природы — закона сохранения веса веществ. По определению Ломоносова вес веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу веществ, получающихся в результате реакции. Однако в процессах, происходящих с веществом, масса может изменяться, но при этом изменяется и запас энергии вещества.

Если мы нагреем тело или, толкнув, заставим его двигаться, то, придавая телу движение, мы увеличим его массу. Наоборот, если тело передает энергию другому телу, то оно само потеряет некоторую массу и эту массу приобретет другое тело. С помощью уравнения взаимосвязи можно подсчитать величину изменения массы вещества при изменении его энергии и, наоборот, величину передаваемой телом внешней среде энергии при изменении массы вещества. Так, если 1 тонну воды нагреть от 0° до 100°, то масса воды вырастет на величину, эквивалентную 100 миллионам калорий, то есть на 0,004 миллиграмма. Изменение массы так мало, что определить его на опыте очень трудно.

Относительное изменение массы при ядерных реакциях велико, поэтому оно может быть определено на опыте. Так, при бомбардировке лития протонами происходит превращение его в гелий по уравнению:

Сумма масс ядра атома лития и протона составляет 8,02634, а масса двух ядер атомов гелия — 8,0078 атомных единиц массы; следовательно, масса продуктов реакции на 0,01854 атомных единиц массы, или 3,07∙10-26 грамма массы, меньше массы исходных ядер атомов лития и водорода. Такая масса эквивалентна 27 миллионным долям эрга[5]. Этой энергией должны обладать ядра атомов гелия. Измерения показывают, что энергия каждого ядра гелия равна 13,6 миллионным долям эрга, а обоих ядер приблизительно 27 миллионным долям эрга, то есть равна энергии, вычисленной по уравнению взаимосвязи массы и энергии.

Смысл современного материалистического понимания закона сохранения материи состоит в том, что материя не может бесследно исчезнуть или возникнуть из ничего. Материя вечна. В различного рода процессах она меняет свою форму — из одного вида материи получается другой. Изменение массы материи связано с изменением запаса ее энергии.

Попытки буржуазных ученых использовать взаимосвязь массы и энергии для опровержения основ диалектического материализма — вечности материи — не состоятельны. Они лишь извращают смысл взаимосвязи массы и энергии. Энергия немыслима без материи и материя — без энергии.

Мы видели, что при образовании из ядра атома лития и протона двух ядер атомов гелия выделяется ядерная энергия, равная приблизительно 27 миллионным долям эрга.

Эта кинетическая энергия ядер атомов гелия при их торможении превращается в тепло. Так как 1 грамм лития содержит приблизительно 10^23 атомов лития, то при его превращении в гелий под действием протонов выделяется 27∙10^17 эргов, или 64 миллиарда калорий тепла.

Однако чтобы произошло образование из атома лития и протона двух атомов гелия, необходимо выстрелить в литий 10 миллионами протонов с энергией протона, равной 6 десятимиллионным долям эрга. Только один из 10 миллионов протонов попадет в цель — ядро атома лития — и вызовет ядерную реакцию, то есть придется затратить энергию в 220 тысяч раз бóльшую, чем та, которая выделяется при реакции. Аналогичные явления происходят и при многих других ядерных реакциях.

2. Энергия связи

Представим себе, что происходит образование ядра атома гелия из двух протонов и двух нейтронов. Физики с большой точностью измерили массы протона и нейтрона: первая равна 1,0076, а вторая— 1,0089 атомных единиц массы. Масса ядра атома гелия, определенная как сумма масс двух протонов и двух нейтронов, должна быть равна 4,0330 атомных единиц массы. Однако на самом деле она равна 4,0023 атомных единиц массы, то есть ядро атома гелия на 0,0302 атомных единиц массы легче массы двух протонов и двух нейтронов, составляющих это ядро. Отсюда следует, что при образовании атома гелия из протонов и нейтронов произошло изменение массы и выделилась энергия. Для того чтобы атом гелия вновь превратить в два протона и два нейтрона, необходимо затратить энергию, которая эквивалентна 0,0302 атомной единице массы. Величину этой энергии — энергии связи, можно найти, воспользовавшись уравнением взаимосвязи массы и энергии. Она равна 4,5 стотысячной доли эрга. Легко подсчитать, что при образовании грамма гелия из протонов и нейтронов выделится энергия, эквивалентная 1,62∙10^11 калориям тепла, или 190 000 киловатт-часов электроэнергии.

Подобная картина получается и при сравнении масс ядер атомов других элементов с суммой масс входящих в их состав протонов и нейтронов. Эта разность позволяет легко рассчитать энергию связи ядра.

В качестве единицы энергии в атомной физике принят электрон-вольт (эв) — кинетическая энергия, приобретенная электроном при прохождении им электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Используются также более крупные единицы: 1 килоэлектрон-вольт (Кэв), равный 1000 эв, и 1 мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный 1 000 000 эв[6]. В лабораторных условиях большая энергия заряженных частиц, необходимая для осуществления ядерных реакций, может быть получена в специальных установках, называемых ускорителями.

Оказывается, что полная энергия связи ядра тем больше, чем больше нуклонов в ядре. Энергия же связи, приходящаяся на один нуклон, изменяется неравномерно, что видно из приводимой ниже таблицы. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше всего у элементов, расположенных в середине периодической системы элементов Менделеева, таких, например, как криптон. У более тяжелых элементов она становится меньше. Она велика у гелия и мала у лития и дейтерия.

Изотоп

Масса изотопа

Сумма масс нейтронов и протонов[7]

Разность масс

Полная энергия связи в миллионах электрон-вольт

Число нуклонов в ядре

Масса, приходящаяся на 1 нуклон

Средняя энергия связи нуклона в миллионах электрон-вольт

1

2

3

4

5

6

7

8

1H^2

2,01470

2,01705

0,00235

2,18

2

1,00735

1,09

1H^3

3,01700

3,02598

0,00898

8,33

3

1,00567

2,78

2Не^4

4,00390

4,03419

0,03029

28,20

4

1,00098

7,05

3Li^6

6,01697

6,05131

0,3431

31,92

6

1,00283

5,32

5В^10

10,01618

10,08539

0,06921

64,4

10

1,00162

6,44

8O^16

16,0000

16,1361

0,13661

128,16

16

1,00000

8,01

10Ne^20

19,99877

20,17043

0,17186

154,4

20

0,99991

7,72

30Kr^82

81,939

82,695

0,756

712,58

82

0,9993

8,69

78Pt^196

196,039

197,690

1,651

1536,64

196

1,0002

7,84

93Bi^209

209,057

210,232

1,175

1623,93

209

1,0003

7,77

92U^235

235,109

237,024

1,915

1645,00

235

1,0004

7,00

В то же время различна и масса, приходящаяся на нуклон в ядрах различных атомов. Она больше всего у дейтерия, велика у лития, значительна у урана и других тяжелых элементов. Меньше всего значение массы, приходящейся на 1 нуклон, у элементов середины периодической системы элементов Менделеева (атомные веса от 40 до 100).

Если будет происходить процесс перехода ядер атомов элементов с большей массой, приходящейся на 1 нуклон, в ядра с меньшей массой на один нуклон, то в силу взаимосвязи массы и энергии будет происходить выделение атомной энергии. Эта энергия представляет собой разницу в энергиях связи конечных и исходных ядер, участвующих в ядерной реакции.

3. Как получить атомную энергию

Из сказанного выше следует, что для получения атомной энергии можно идти двумя путями: во-первых, превращением легких элементов с большей массой, приходящейся на один нуклон, в элементы с меньшей массой, приходящейся на один нуклон, путем их соединения (синтеза). Примерами таких процессов являются превращение водорода или дейтерия в гелий, соединение ядер лития и протонов с переходом их в ядра гелия и т. п. Второй путь заключается в превращении ядер тяжелых элементов, например урана, в ядра со средней массой, например, в ядра таких элементов, как криптон и барий, или другие пары ядер атомов, сумма зарядов которых равна заряду ядра атома урана 92. Ядро атома урана обладает большей массой на один нуклон, чем ядра атомов элементов середины периодической системы, в частности такие, как криптон и барий.

В этом заключается принципиальная возможность получения атомной энергии. Такого рода процессы были открыты физиками в тридцатых годах двадцатого века. Один из них — превращение лития под действием протонов в гелий — мы уже описывали. В 1939 году был открыт другой — деление ядер атомов урана под действием нейтронов на два «осколка» с близкими массами. Сумма масс «осколков» была приблизительно равна массе делящегося ядра атома урана.

Однако для получения атомной энергии необходимо, чтобы процесс синтеза или распада ядер протекал самопроизвольно, так же как он происходит, например, при горении каменного угля. В угле, подожженном в одном месте, горение распространяется самопроизвольно, переходя от атома к атому.

Кроме условия самопроизвольного распространения ядерных процессов, идущих с выделением энергии, необходимо знать условия возникновения ядерных превращений. Эти условия в результате упорной работы ученых были найдены. В настоящее время процессы синтеза ядер и их распада используются для получения атомной энергии.

4. Синтез гелия в природе

В состав звезд и Солнца входит большое количество водорода и гелия. Подсчеты показывают, что Солнце давно потеряло бы свой жар, если бы в нем не существовали процессы, поддерживающие его температуру. Эти процессы могут быть только реакциями синтеза и распада элементов.

Ученые предполагают, что одним из процессов, происходящих на Солнце и звездах, является реакция образования гелия из водорода. Водород, гелий, углерод и азот являются основными элементами, входящими в состав Солнца. Около 50% его состава приходится на водород.

Реакция образования гелия из водорода на Солнце может протекать по следующей схеме. Атом углерода соединяется с протоном и превращается в атом радиоактивного азота:

Атом радиоактивного азота распадается:

Образовавшийся атом углерода с массой 13 вновь соединяется с протоном и превращается в атом азота:

Последний присоединяет к себе еще один протон и дает атом радиоактивного кислорода:

Радиоактивный кислород распадается с образованием атома азота:

Получившийся атом азота с массой 15 снова взаимодействует с протоном с образованием углерода и гелия:

В итоге атом углерода 12 остается без изменений, а из четырех атомов водорода образуются атом гелия и два положительных электрона (позитрона).

Все остальные атомы в результате последовательно идущих реакций исчезают, а энергия, эквивалентная разности масс четырех атомов водорода и атома гелия, выделяется. Этот процесс на звездах развивается самопроизвольно, так как для его прохождения необходимо наличие атомов водорода и углерода, температура порядка нескольких миллионов градусов и большое давление. Все эти условия имеются на Солнце и ряде звезд.

Мы привели только один пример ядерного синтеза, при котором выделяется энергия. Очевидно, в природе осуществляется при высоких температурах на звездах ряд подобных процессов, о которых мы можем догадываться и которые можем попытаться осуществить на Земле.

5. Деление урана

Мы уже рассказывали о том, что при действии нейтронов на различные элементы был получен ряд радиоактивных изотопов. При этом оказалось, что в большинстве случаев из атомов элемента, который подвергается действию нейтронов, получается его изотоп с массой на единицу большей. Например, при бомбардировке иода получается радиоактивный иод:

Иод 128 излучает электроны; период его полураспада равен 25 минутам. Испуская электрон, радиоактивный иод превращается в элемент, следующий в периодической системе за иодом, — ксенон:

Подобные реакции происходят и с другими элементами.

Можно было предположить, что если взять самый тяжелый природный элемент — уран, то из него при действии нейтронов также может образоваться радиоактивный изотоп урана, который, испуская электрон, превратится в следующий за ураном не найденный в природе элемент с зарядом ядра, равным 93. Этот элемент займет 93-ю клетку периодической системы.

Уже первые исследования показали, что из урана получается несколько радиоактивных элементов.

Вначале ученые предполагали, что все эти элементы были более тяжелыми, чем уран. Но это предположение не оправдалось, Оказалось, что один из полученных элементов является изотопом лантана, другой — изотопом бария. Затем среди радиоактивных элементов, полученных при облучении урана нейтронами, были найдены: иод, ксенон, криптон, бром и т. д.

При облучении урана нейтронами получаются изотопы элементов с зарядами ядра в полтора — три раза меньшими, чем заряд ядра урана. Как могут такие элементы получиться из урана при облучении его нейтронами?

Ядра атомов урана под действием нейтронов делятся на два «осколка», представляющих собой, например, ядра с зарядами 56 (барий) и 36 (криптон), 57 (лантан) и 35 (бром) и т. д., то есть на ядра элементов середины периодической системы элементов, сумма зарядов которых равна заряду урана 92.

Из предыдущего ясно, что в результате такого деления высвобождается огромная энергия, в миллионы раз превосходящая энергию горения самого лучшего топлива. Если все ядра атома, находящиеся в одном грамме урана, претерпят деление, то выделится энергия, равная 8 миллиардам килограммометров, или 20 миллиардам калорий. С помощью этой энергии можно 8000 тонн груза поднять на высоту 1000 метров или 200 тонн воды нагреть от 0° до 100°. Эта энергия достаточна для того, чтобы 15 000 электролампочек по 60 ватт горели в течение суток.

6. Цепная реакция деления ядер урана

Ядро атома урана содержит больше нейтронов, чем ядра двух образовавшихся из него «осколков». Избыток нейтронов выделяется в свободном состоянии при делении ядра. Установлено опытным путем, что каждое деление ядра атома урана сопровождается испусканием двух — трех нейтронов. Естественно предположить, что эти нейтроны будут взаимодействовать с новыми ядрами атома урана и вызывать их деление. На рис. 9 показана схема деления урана 235. В свою очередь при каждом новом делении образуется по два — три новых нейтрона, которые также могут вызвать деление последующих ядер атомов урана.

Рис. 9. Схема деления ядра урана 235. При делении образуются два «осколка» (в данном примере криптон и барий)

Число нейтронов, а следовательно, и число актов деления, в этом случае будет возрастать, как лавина, охватывая все новые и новые атомы урана. Таким образом может идти так называемый цепной процесс деления (рис. 10). Однако для того чтобы этот процесс осуществлялся на практике, необходимо, чтобы выделяющиеся при делении нейтроны вызывали новые деления; а не какие-либо посторонние процессы. Такими посторонними процессами являются: уход нейтронов за пределы куска урана; взаимодействие ядер урана 238 с нейтронами с образованием урана 239, который затем испускает электроны и переходит в плутоний 239; взаимодействие нейтронов с примесями, находящимися в уране.

Рис. 10. Схема цепной реакции деления урана 235:

Сверху — без замедлителя в чистом уране 235; снизу — с замедлителем в смеси изотопов урана

Несмотря на то, что плутоний 239 подобно урану 235 способен к делению с размножением нейтронов и сам по себе является ценным изотопом, получение которого важно для атомной энергетики, в процессе развития реакции деления урана 235 его образование может вести к затуханию цепной реакции деления.

Количество атомов плутония, получающихся в процессе деления, как правило, меньше количества атомов разделившегося урана 235.

Если устранить по возможности посторонние процессы, то раз начавшийся процесс деления урана будет происходить самопроизвольно, при этом будет выделяться большое количество энергии.

Цепная реакция деления ядер природного урана благодаря наличию в нем урана 238 может осуществляться только на так называемых медленных нейтронах. Медленные, или тепловые, нейтроны имеют скорость порядка 2000 м/сек. В состав природного урана входят три изотопа:

U^238 (99,28%), U^235 (0,714%) и U^234 (0,006%)

Изучение процесса деления урана показало, что делению подвергаются главным образом ядра урана 235. Его деление происходит легче под действием медленных нейтронов. Ядра атомов урана 238 делятся только под действием быстрых нейтронов. Уран 238 не делится под действием медленных нейтронов. Уран 234 в смеси находится в таком небольшом количестве, что он практически не влияет на процесс деления.

Деление урана начинается самопроизвольно благодаря внутренней неустойчивости его ядра[8] или под действием случайных нейтронов, которые образуются под влиянием космических лучей на ядра атомов азота и кислорода воздуха. Нейтроны, выделившиеся при первом делении, легко могут вылететь за пределы куска урана (если объем его мал) или поглотиться в каком-либо постороннем акте в случае наличия в уране ядер атомов других элементов. Процесс деления в этом случае не будет развиваться, он прекратится; поэтому необходимо, чтобы масса урана была велика — больше определенной величины (критической), когда практически большая часть нейтронов успевает вступить во взаимодействие с ураном. В куске урана с массой меньше критической процесс деления не будет развиваться, ибо нейтроны, выделяющиеся при делении, будут уходить за пределы этого куска и процесс прекратится. В куске урана с массой больше критической раз начавшийся процесс деления вследствие действия выделяющихся нейтронов на новые ядра атома урана будет развиваться со все возрастающей скоростью. Чем больше содержание урана 235 в уране, тем меньше критические размеры, поэтому цепную реакцию деления лучше проводить на уране, обогащенном ураном 235. Обогащение достигается при разделении изотопов урана. Одним из способов разделения изотопов урана служит газовая диффузия. Из урана получают жидкость — шестифтористый уран, ее испаряют и пропускают через ряд пористых перегородок. Скорость прохождения изотопных молекул через перегородки неодинакова. Более легкие молекулы, содержащие уран 235, проходят быстрее. В связи с этим при прохождении каскада перегородок происходит частичное разделение (обогащение) или полное разделение изотопов урана.

Для того чтобы лучше (с бóльшим выходом) происходила реакция деления ядер атомов урана 235, нейтроны необходимо замедлить. Замедлителем нейтронов служат атомы легких элементов таких, как углерод, водород, бериллий и т. п. Нейтроны при столкновении с атомами углерода или водорода теряют свою энергию — замедляются (см. рис. 10), не вступая с ними в реакцию. Замедление необходимо проводить так, чтобы нейтроны теряли энергию от большой к маленькой, не соприкасаясь с ураном 238. Иначе нейтроны, замедленные до скоростей промежуточных между выделившимися и замедленными (с энергией около 1 миллиона электрон-вольт), будут реагировать с ураном 238 с образованием урана 239. Следовательно, нейтроны не будут идти на деление новых ядер атомов урана 235, и цепной процесс деления прекратится. Такое замедление достигается путем размещения урана в замедлителе, например построением решетки из урана и графита.

Нейтроны, попавшие в графитовую прослойку, претерпевают в ней несколько десятков столкновений с атомами углерода и теряют часть энергии. После этого нейтроны, выходя из графита, попадают в уран 235 и вызывают новые акты деления. Однако уран и графит должны быть достаточно чистыми, иначе примеси могут поглотить такое количество нейтронов, что развитие процесса деления — цепная реакция — не будет происходить.

7. Ядерный реактор

Ученым удалось сконструировать ряд установок для получения атомной энергии, выделяющейся при делении ядер атомов урана и подобных ему элементов. Эти установки получили название ядерных реакторов (атомных котлов). Первый ядерный реактор был пущен в ход уже через 4 года после открытия процесса деления ядер урана, то есть в 1942 г.

Ядерный реактор представляет собою установку для осуществления цепной реакции деления ядер. Деление ядер может осуществляться под действием медленных и быстрых нейтронов. Быстрые нейтроны образуются непосредственно при делении ядер.

В результате их замедления получаются медленные нейтроны. В процессе замедления также образуются нейтроны, имеющие скорости промежуточные между быстрыми и медленными. В связи с этим различают три типа ядерных реакторов. Реакторы на медленных, на быстрых и на промежуточных нейтронах.

Ядерный реактор на медленных нейтронах состоит из следующих основных частей: активной зоны, отражателя нейтронов и защитного экрана. Сквозь активную зону проходит теплоноситель, который охлаждает активную зону и переносит тепло во вне реактора. Активная зона реактора представляет собою ту или иную конструкцию, в которой размещены замедлитель и тепловыделяющие элементы, содержащие делящийся материал.

В качестве делящегося материала (ядерного горючего) могут быть использованы уран 235, плутоний 239 и уран 233.

Для замедления нейтронов могут применяться обыкновенная и тяжелая вода (вода, содержащая вместо обычного водорода его изотоп дейтерий), графит и окись бериллия.

Для отражателя нейтронов обычно применяют те же материалы, которые употребляют для замедления.

В качестве теплоносителя, охлаждающего активную зону реактора, используют наряду с обычной водой тяжелую воду, расплавленные металлы (натрий и калий) и газы (гелий). Материалы, употребляемые для замедления и отражения нейтронов, а также в качестве теплоносителя должны поглощать как можно меньше нейтронов. В этом отношении тяжелая вода имеет большие преимущества, однако она очень дорога в производстве.

Защитный экран обычно делается из бетона и воды, которые в больших слоях достаточно хорошо поглощают нейтроны и гамма-лучи.

На рис. 11 схематически изображено устройство ядерного реактора на медленных нейтронах (поперечный разрез через активную зону реактора).

Рис. 11. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах:

1 — урановые стержни; 2 — замедлитель; 3 — металлический бак; 4 — графитовый отражатель; 5 — стальной корпус; 6 — система охлаждения; 7 — система регулирования скорости цепной реакции; 8 — защитный экран; 9 — канал для облучения

Опишем в качестве примера ядерный реактор, установленный на первой атомной электростанции в СССР.

Реактор состоит из герметического цилиндрического стального кожуха, заполненного графитовой кладкой. Внутри кожуха в промежутках находится газ — гелий, который препятствует выгоранию графита во время работы реактора. Центральная часть графитовой кладки имеет 128 рабочих каналов, каждый из которых представляет собою длинный графитовый цилиндр, пронизанный тонкостенными стальными трубками, по оси которого в центре расположены урановые стержни, заключенные в стальной кожух. По стальным трубкам пропускается вода, отбирающая тепло, которое выделяется при делении урана. Урановые стержни образуют активную зону реактора размером 1,5×1,7 метра, окруженную со всех сторон графитом. Всего в реакторе находится 550 килограммов чистого металлического урана, в котором содержание урана 235 обогащением доведено до 5%.

Стальной кожух реактора стоит на бетонном основании и для защиты персонала станции от излучения окружен слоем воды толщиной в 1 метр и бетонной стеной толщиной, равной 3 метрам.

В реакторе ежесекундно происходит деление 9∙10^18 атомов урана 235, т. е. в сутки расходуется приблизительно 30 граммов урана 235. Деление каждого ядра атома урана сопровождается выделением 200 миллионов электрон-вольт энергии. Эта энергия внутри ядерного реактора в результате торможения «осколков» превращается в тепло. В итоге ежесекундно в реакторе выделяется 7 миллионов калорий тепла.

Вода, двигающаяся по трубкам вдоль урановых стержней, нагревается за счет этого тепла и уносит выделяющееся тепло из реактора, охлаждая тем самым его активную зону. Охлаждающая реактор вода находится под давлением 100 атмосфер. Благодаря этому она может нагреваться до высокой температуры. В реакторе атомной электростанции она нагревается до 270°. Вода, охлаждающая активную зону реактора вследствие взаимодействия водорода с нейтронами, становится радиоактивной, и поэтому ее заставляют двигаться по замкнутому кольцу. По выходе из реактора ее направляют в теплообменник, где она отдает свое тепло воде вторичного контура (кольца), превращая ее в пар и охлаждаясь до 190°. Далее она с помощью насосов снова направляется в реактор. Вода вторичного контура не радиоактивна. Пар, образующийся в парогенераторе, приводит в движение паровую турбину электростанции. На рис. 12 приведена принципиальная схема атомной электростанции. Полезная мощность первой атомной электростанции в СССР составляет 5000 киловатт, а тепловая — 30 000 квт. Следовательно, 16,5% тепла, выделяющегося при делении урана, превращается в энергию электрического тока; коэффициент полезного действия станции равен 16,5%.

Рис. 12. Принципиальная схема первой атомной электростанции в СССР:

1 — ядерный реактор; 2 — теплообменник (парогенератор); 3 — турбогенератор; 4 — циркуляционные насосы; 5 — питательный насос; 6 — конденсатор

Если не производить охлаждение реактора, то произойдет разрушение тепловыделяющих элементов.

Цепная реакция деления происходит с размножением нейтронов, число которых по мере развития реакции деления возрастает. Возрастает, следовательно, и число актов ежесекундного деления, и поэтому ядерный реактор может разрушиться от чрезмерного перегрева, если часть нейтронов не поглотить посторонними веществами.

В качестве такого поглотителя медленных нейтронов — регулятора скорости реакции — служат стержни из бористой стали. Бор легко вступает во взаимодействие с медленными нейтронами. Если стержни вдвинуты внутрь реактора, то реакция прекращается, так как практически значительная часть нейтронов, получающихся при делении, поглощается бором. Если стержни начать выдвигать, то реакция постепенно ускоряется. Можно подобрать такое положение стержней, при котором ядерный реактор работает с постоянной мощностью, и поддерживать его положение автоматически с помощью прибора, который вдвигает стержни внутрь реактора, как только скорость выделения нейтронов или температура охлаждающей воды превышает определенную норму. Здесь мы имеем дело с регулируемым процессом освобождения атомной энергии. Мы не будем подробнее останавливаться на различного рода конструкциях и типах реакторов на медленных нейтронах, так как это нас уведет далеко от основной темы книги.

8. Ядерный реактор — источник радиоактивных изотопов

Ядра атомов большинства химических элементов взаимодействуют с медленными нейтронами с образованием радиоактивных изотопов, масса которых на единицу больше массы исходного ядра. Эти изотопы являются бета-излучателями с самыми разнообразными периодами полураспада.

Наиболее мощным современным источником медленных нейтронов является ядерный реактор на медленных нейтронах. Он в настоящее время широко используется для облучения различных веществ медленными нейтронами, для получения таким путем радиоактивных изотопов. Вещество для облучения вводится в специальный канал ядерного реактора, который проходит сквозь защиту в слой замедлителя активной зоны реактора (см. рис. 11).

При облучении часть ядер атомов исходного вещества претерпевает превращение под действием нейтронов с образованием ядер атомов радиоактивных изотопов облучаемого элемента. По прошествии времени, достаточного для образования необходимого числа атомов радиоактивного изотопа, облучаемое вещество извлекается из ядерного реактора. Далее оно подвергается химической переработке, при которой производится очистка от образовавшихся примесей других радиоактивных изотопов и в ряде случаев отделение нужного радиоактивного изотопа от облученного вещества. Например, при облучении нейтронами бромбензола (C_6H_5Br) образуется радиоактивный изотоп брома, который легко отделяется от бромбензола путем взбалтывания бромбензола с водой, содержащей в качестве восстановителя сернистокислый натрий. Вода и бензол не смешиваются между собой и после взбалтывания разделяются на два слоя. При этом больше половины радиоактивного брома переходит в водный слой. Это происходит потому, что при образовании радиоактивного брома часть его атомов порывает связь с молекулой бромбензола и остается в виде атомов свободного брома. Эти атомы реагируют с сернистокислым натрием и образуют бромистый натрий, содержаший радиоактивный бром. При взбалтывании с водой бромистый натрий растворяется в воде и оказывается при разделении в водном слое. Таким образом, удается отделить основную массу атомов радиоактивного брома от нерадиоактивных атомов.

В качестве второго примера получения радиоактивных изотопов в ядерном реакторе приведем получение хлористого натрия, содержащего радиоактивный изотоп натрия. При облучении хлористого натрия нейтронами в ядерном реакторе из натрия образуется его радиоактивный изотоп Na^24, из хлора — радиоактивные изотопы хлора Cl^36 и Cl^38 и радиоактивные изотопы фосфора P^32 и серы S^35 по реакциям:

Таким образом, для получения радиоактивного изотопа натрия, не содержащего других радиоактивных изотопов, после облучения необходимо разделить химическим путем радиоактивные изотопы натрия, хлора, фосфора и серы. Количество атомов хлора 36, получающихся при ядерной реакции при небольшом времени облучения (несколько часов), практически очень мало и с этим изотопом можно не считаться. Хлор 38 имеет период полураспада, равный 37 минутам, и поэтому через 5–6 часов после конца облучения он практически полностью распадается. Для отделения радиоактивного фосфора и серы облученный хлористый натрий растворяют в воде и через раствор пропускают струю хлористого водорода. При этом хлористый натрий осаждается из раствора, а радиоактивные фосфор и сера остаются в растворе.

Третий пример — облучение в ядерном реакторе чистого металлического золота. При этом в массе атомов нерадиоактивного золота образуется единственный радиоактивный изотоп — золото 198. Полученный радиоактивный материал используется без химической обработки.

Описанный способ получения радиоактивных изотопов является наиболее употребительным для научно-исследовательских целей, так как этим путем могут быть получены радиоактивные изотопы почти всех химических элементов без примесей других радиоактивных изотопов. Чистота полученных изотопов зависит от чистоты материалов, употребляемых для облучения, и от способа их очистки после облучения.

Вторым источником радиоактивных изотопов в ядерном реакторе является процесс деления урана или другого делящегося материала в ядерном реакторе. При делении образуются бета-излучающие радиоактивные изотопы 34 химических элементов, начиная в периодической системе от № 30 — цинка и до № 63 — европия включительно. Среди этих изотопов есть много изотопов с маленькими периодами полураспада, но ряд изотопов обладает периодами полураспада, удобными для их использования в различных областях науки, техники и военном деле. В таблице на стр. 59–60 приведены наиболее важные долгоживущие изотопы, получающиеся при делении урана.

Наиболее важные долгоживущие изотопы, получающиеся при делении урана

Название элемента

Символ изотопа

Период полураспада

Цинк

Zn^72

2,04 дня

Мышьяк

As^76

1,11 дня

Бром

Br^82

1,5 дня

Рубидий

Rb^86

19,5 дня

Стронций

Sr^89

54,5 дня

Sr^90

28 лет

Иттрий

Y^91

61 день

Цирконий

Zr^95

65 дней

Ниобий

Nb^95

38,7 дня

Молибден

Mo^99

2,8 дня

Технеций

Tc^99

2,12∙10^5 лет

Рутений

Ru^103

38,9 дня

Ru^106

290 дней

Кадмий

Cd^113

1,54 дня

Cd^115

5,1 года

Олово

Sn^123

43 дня

Сурьма

Sb^125

2,75 лет

Теллур

Te^127

90 дней

Te^129

35,5 дня

Иод

I^131

8,14 дня

Цезий

Cs^137

33 года

Барий

Вa^140

13,4 дня

Лантан

La^140

1,65 дня

Церий

Ce^141

33,11 дня

Ce^144

282 дня

Празеодим

Pr^143

13,5 дня

Неодим

Nd^147

11,9 дня

Прометий

Pm^147

2,26 года

Самарий

Sm^151

73 года

Европий

Eu^154

16 лет

Eu^155

1,7 года

Eu^156

15,4 дня

Кроме того, в ядерном реакторе из урана 238 под действием нейтронов образуется плутоний 239.

Продукты деления мешают дальнейшему протеканию цепной реакции деления в ядерном реакторе. Они поглощают нейтроны и прекращают процесс деления. Ядерный реактор зашлаковывается, поэтому урановые стержни приходится заменять новыми. В условиях атомной электростанции СССР допускается выгорание (деление) 20% первоначального количества урана 235.

Урановый стержень, в котором накопились продукты деления и плутоний, вынимают из ядерного реактора и подвергают растворению в кислоте. Из раствора отделяют продукты деления и плутоний, тем самым добывая делящийся материал — плутоний — и очищая уран от «осколков» деления. Этот процесс отделения сложен и дорог, так как в большом количестве урана содержится ничтожное количество плутония. Отделение проводится на полностью автоматизированном заводе, так как процесс выделения опасен для здоровья людей. Чтобы получить в день 1 килограмм плутония, необходимо построить большой ядерный реактор, по американским данным, тепловой мощностью в 2 000 000 киловатт. Такой реактор содержит много тонн урана. Плутоний и радиоактивные изотопы, получающиеся в результате работы ядерного реактора, являются ценными продуктами. Плутоний может служить вместо урана 235 ядерным горючим, так как он, подобно урану 235, делится под действием нейтронов с выделением нескольких нейтронов и большого количества энергии.

При очистке и регенерировании (отделении) урана из урановых тепловыделяющих элементов после выгорания в них урана 235 и отделения образовавшегося плутония от урана в атомном производстве разделение продуктов деления урана на изотопы отдельных химических элементов не обязательно. Эта задача представляет собою сложную и дорогостоящую химическую операцию, которую не всегда целесообразно выполнять. Однако в ряде случаев для получения ценных радиоактивных изотопов разделение может производиться.

Ядерный реактор служит также источником нейтронов и гамма-лучей для облучения различных материалов с целью изменения их свойств. Этот вопрос более подробно будет рассмотрен в главе об использовании излучения радиоактивных изотопов.

9. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах

Мы знаем, что деление ядер урана происходит не только под действием медленных, но и под действием быстрых нейтронов. Но чтобы быстрый нейтрон вызвал деление ядра урана, необходимо, чтобы он прошел мимо большего, чем медленный, числа ядер атомов урана 235. Для этой цели можно взять вместо естественной смеси изотопов урана чистый уран 235 или естественную смесь изотопов урана, обогащенную ураном 235.

В отличие от реакторов на медленных нейтронах, которые громоздки, реакторы, работающие на обогащенном уране и быстрых нейтронах, могут быть созданы небольших размеров. Такой реактор содержит лишь несколько килограммов обогащенного урана. Такого рода реакторы могут быть использованы для двигателей на транспорте. Реактор на быстрых нейтронах может иметь некоторые конструктивные элементы реактора на медленных нейтронах, но его активная зона не содержит замедлителя.

Большой практический интерес представляет собою так называемый размножающий ядерный реактор. Он работает на быстрых нейтронах и обогащенном ураном 235 естественном уране. В этом реакторе потери нейтронов сводят до минимума. В центре реактора помещается уран 235 или обогащенный ураном 235 естественный уран. Он окружается оболочкой из естественного урана, а затем ставится защитная стенка.

Часть нейтронов, выделяющихся при делении урана 235, расходуется на развитие процесса деления, а избыток нейтронов реагирует с ураном 238, находящимся в оболочке из естественного урана. Эта реакция приводит к образованию из урана 238 плутония. Так как каждое ядро атома урана 235 при делении выделяет 2–3 нейтрона, на продолжение реакции расходуется один нейтрон, а потери нейтронов невелики, то один или более нейтронов, соединяясь с ядрами урана 238, образуют плутоний. Таким образом, в таком реакторе исчезает уран 235 и появляется в большем количестве, чем расходуется уран 235, плутоний 239. В ядерном реакторе, работающем на естественном уране, также получается плутоний 239, но в меньшем количестве, чем расходуется уран 235. Плутоний может быть извлечен и применен вместо урана 235 в качестве ядерного горючего. Этим путем теоретически весь запас урана 238 может быть превращен в плутоний — в ядерное горючее, и, следовательно, количество ядерного горючего фактически может не уменьшаться, а накопляться в процессе его сжигания. Расходоваться будет уран 238, а его в природе имеются такие количества, которые надолго обеспечат человечество атомной энергией.

Кроме урана 238, можно использовать еще более распространенный в природе элемент — торий, который, захватывая нейтрон, претерпевает ряд превращений и образует уран 233.

Уран 233 подобно ядру урана 235 делится с выделением нейтронов и может служить ядерным горючим. Таким образом, в качестве ядерного горючего могут употребляться уран 235, уран 233 и плутоний 239, а в качестве материалов для получения плутония 239 и урана 233 уран 238 и торий 232. Все эти элементы радиоактивны. Они хотя и медленно, но распадаются, испуская альфа-частицы. Однако наименее устойчивый из них — плутоний 239 — имеет период полураспада 24 000 лет, и в течение столетий его убыль в результате распада не будет заметна. Уран 233 имеет период полураспада 1,63∙10^5 лет, а уран 235 — 7,13∙10^8 лет. Обращение с этими элементами должно быть осторожным, так как они радиоактивны, являются альфа-излучателями.

10. Атомная энергия на службе человека

Ядерные процессы таят в себе неисчислимые богатства, в них заложено счастливое будущее человечества.

Атомная электростанция, включающая в себя ядерный реактор, может быть построена в любом месте земного шара: на высоких горах, глубоко под землей, в пустынях юга. Она требует для своей работы перевозки лишь урановых стержней. Это количество атомного горючего очень мало по сравнению с тем, которое необходимо для получения равного количества энергии на электростанции, работающей на угле или другом топливе.

Запасы ядерного горючего урана и тория в земной коре велики и превышают по теплотворной способности запасы каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев примерно в 20 раз.

Размеры ядерного реактора зависят от его мощности и употребляемого в нем ядерного горючего. Установки большой мощности на естественном уране громоздки. Они весят много тонн. В то же время могут быть сконструированы реакторы небольших размеров, которые можно устанавливать, например, на больших судах, самолетах и т. п. На судовых атомных силовых установках такие реакторы расходуют свое тепло на парообразование. Пар приводит в движение турбину, которая передает это движение, например, гребному винту судна. Установка ядерного реактора на подводной лодке дает возможность ей находиться длительное время под водой без всплывания, так как для сжигания ядерного горючего не нужен воздух. Такие подводные лодки могут длительное время плавать в морях северного и южного полюсов, пересекая их подо льдом.

Будущее трансконтинентальных и межпланетных перелетов связано с ядерным горючим. Можно представить себе примерные конструкции двигателей для самолетов и ракет, которые работают, потребляя самое концентрированное топливо — атомное топливо.

Межпланетный корабль должен развить огромную скорость, чтобы вырваться из сферы притяжения Земли. Такую скорость можно получить в ракете, которая использует ядерное горючее. Ракета двигается под действием силы отдачи, такой же силы, которая появляется при выстреле орудия или винтовки. Газы в ракете создаются при горении. Для этого ракета снаряжается порохом или горючей жидкостью и жидким кислородом. Жидкость, сгорая, превращается в газ, который с большой силой вырывается из сопла (дюзов) ракеты и заставляет ее двигаться. Деление урана 235 или плутония может заменить в ракете процесс горения. В этом случае достаточно небольшого количества делящегося материала по сравнению с горючим материалом и жидким кислородом, чтобы ракета приобрела большую скорость. Трудность конструирования такого рода ракеты заключается в том, что камера сгорания и выходные отверстия должны выдерживать очень высокую температуру. Ракета на атомном (ядерном) горючем может работать и иначе, например на принципе испарения жидкости. В качестве такой жидкости может быть взят сильно охлажденный и сжатый большим давлением газ водород, которой при таких условиях представляет собой жидкость. Жидкий водород из специального резервуара под давлением устремляется в ядерный реактор, где он превращается в пар, сильно нагревается и устремляется к выходному отверстию ракеты, двигая ее вперед с огромной скоростью. Ядерный реактор может быть использован и в реактивном двигателе самолета.

Использование атомной энергии может идти и другим путем.

Атомная энергия, высвобождающаяся при радиоактивном распаде в виде излучения, дает возможность широко использовать радиоактивные изотопы в различных областях науки, техники и в военном деле. Этим вопросам и будут посвящены последующие главы книги.

Ⅳ. МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

1. Как можно узнать о присутствии радиоактивных изотопов

При радиоактивном распаде происходит излучение альфа- или бета- (электроны, позитроны) и гамма-лучей. Из опытов Беккереля мы знаем, что эти лучи действуют на фотографическую пластинку так же, как действует на нее свет. Обнаружение радиоактивных излучений с помощью фотопластинок начало развиваться на заре исследований радиоактивности.

Уже в 1904 году русский врач Лондон применял фотопластинки для регистрации наведенной радиоактивности тела животных, помещенных в сосуды с газом радоном. Эта активность на теле животных получалась за счет осаждения радиоактивных изотопов — продуктов распада радона.

Теперь ученые широко используют фотографический способ для обнаружения радиоактивных изотопов. Этот метод получил название радиографии, а снимок — радиоавтографа. Для получения радиоавтографа предмет, содержащий радиоактивный изотоп, прикладывается в темноте к фотопластинке и выдерживается некоторое время. Далее пластинка проявляется. В местах, на которые действовало радиоактивное излучение, появляется потемнение. С полученного таким образом негатива печатается снимок. На снимке светлые места соответствуют участкам, где скапливается радиоактивный элемент. На рис. 13 показан негатив и позитив коренных зубов собаки, концентрировавших радиоактивный натрий, а на рис. 14 — радиоавтограф минерала, содержащего уран.

Рис. 13. Радиоавтограф коренных зубов собаки, концентрировавших радиоактивный натрий:

а — снимок (негатив); б — отпечаток (позитив)

Рис. 14. Радиоавтограф минерала, содержащего уран. Позитив. Светлые места показывают расположение радиоактивного элемента

Радиоактивное излучение может быть обнаружено еще следующим путем. Представим себе, что в цилиндр с поршнем введен чистый водяной пар. С помощью поршня быстро увеличим объем, занимаемый паром, настолько, чтобы пар переохладился. Если в цилиндре нет заряженных частиц, пар останется паром. Если же в цилиндре есть какие-нибудь заряженные частицы, например ионы, то начнется образование тумана — ионы служат центрами, вокруг которых образуются мельчайшие водяные капельки. Так как альфа- и бета-лучи ионизируют воздух, то на пути каждой альфа-частицы или электрона, попадающего в такой цилиндр, т. е. в пространство с переохлажденным паром, возникнет полоска тумана. Полоски можно наблюдать глазом или сфотографировать и по ним считать отдельные частицы, выбрасываемые из ядер атомов. На этом принципе построен специальный прибор — камера Вильсона.

Радиоактивное излучение ионизирует воздух, делает его проводником электрического тока. Поместим радиоактивное вещество в металлическую камеру, в центре которой укреплен металлический стержень, не соприкасающийся с ее стенками. Такая камера называется ионизационной. Присоединим к камере и стержню электрическую батарею. Благодаря присутствию радиоактивного вещества воздух ионизируется и между стержнем и стенкой цилиндра будет протекать электрический ток. Ток этот тем больше, чем интенсивнее излучение. Силу тока можно измерить электрометром. Электрометр — это прибор, в котором тончайшая металлическая нить, соединенная со стержнем металлической камеры, находится между двумя пластинками противоположного знака. Если нить соединена с землей, то электрический ток течет в землю. Если же нить отъединить от земли, то на стержне и на нити будет накопляться электрический заряд, и нить будет перемещаться к пластинке, заряженной электричеством противоположного знака. Перемещение нити идет тем быстрее, чем больше радиоактивного вещества находится в камере. Движение нити наблюдают в микроскоп. Скорость движения нити является мерой интенсивности излучения. На рис. 15 показана схема ионизационной камеры с электрометром.

Рис. 15. Схема ионизационной камеры с электрометром

В настоящее время наиболее распространенным прибором для регистрации радиоактивного излучения является счетчик Гейгера-Мюллера. При различного рода исследованиях применяют счетчики различных конструкций. Одна из них представляет собой тонкостенный стеклянный баллон диаметром, равным 1–2 сантиметрам, и длиной в 10–20 сантиметров. Стенки баллона изнутри покрыты слоем металла, концы баллона запаяны, и по оси его натянута металлическая нить, изолированная от покрытия стенок. Баллон наполнен смесью аргона и паров спирта при давлении, равном приблизительно 10 сантиметрам ртутного столба. Покрытие стенок присоединяется к источнику высокого напряжения в 1000–2000 вольт, а нить через высокое сопротивление заземлена (рис. 16).

Рис. 16. Упрощенная схема счетчика Гейгера-Мюллера и его включения:

1 — стеклянный баллон; 2 — внутреннее металлическое покрытие; 3 — нить; 4 — источник высокого напряжения; 5 — сопротивление

Если в такой счетчик проникает электрон, то он ионизирует некоторое количество молекул газа, находящегося внутри счетчика. Образовавшиеся при этом электроны вследствие высокой разности потенциалов между электродами счетчика с большей скоростью устремляются к нити, производя при этом ионизацию новых молекул газа. Таким образом, число электронов растет подобно снежной лавине, начинающейся с падения небольшого комка снега. В итоге происходит разряд. В момент разряда по сопротивлению к земле будет течь ток. Вследствие этого на сопротивлении возникнет импульс напряжения, который усиливается специальным прибором и регистрируется с помощью электросчетчика. Электросчетчик отвечает на каждую проникшую в газовый счетчик частицу перемещением стрелки на одно деление. При помощи счетчика Гейгера-Мюллера можно определить интенсивность излучения или количество распадающихся атомов радиоактивного элемента по числу зарегистрированных в единицу времени импульсов тока.

Если в счетчик проникают гамма-фотоны, то они выбивают из стенок счетчика электроны, которые в итоге и вызывают в счетчике разряд. Счетчик фотонов может быть толстостенным. Для регистрации альфа-частиц и электронов малой энергии, которые не могут проникнуть внутрь счетчика через его стенку, применяют счетчики специальной конструкции с окошками, закрытыми тонкой слюдой, или применяют счетчики, конструкция которых позволяет вводить препарат внутрь счетчика. На рис. 17 показан общий вид одной из отечественных установок для регистрации излучения радиоактивных элементов с помощью счетчика Гейгера-Мюллера.

Рис. 17. Внешний вид одной из установок для регистрации радиоактивного излучения с помощью счетчика Гейгера-Мюллера:

1 — счетчик в специальной защите; 2 — источник высокого напряжения; 3 — преобразователь импульсов; 4 — регистратор импульсов

Альфа-частицы могут быть обнаружены и сосчитаны и по сцинтилляциям — световым вспышкам, которые получаются при попадании альфа-частиц на экран из сернистого цинка. Сцинтилляции можно наблюдать в темноте с помощью микроскопа.

Сцинтилляционный метод широко применяется в настоящее время и для регистрации электронного и гамма-излучения. Однако электроны вызывают настолько слабые вспышки света на сцинтиллирующем экране, что регистрация их возможна лишь с помощью специального прибора. Таким прибором является фотоумножитель, перед стеклянным окошком которого ставится сцинтиллирующий экран.

Фотоумножитель представляет собой откаченный до глубокого вакуума небольшой цилиндрический стеклянный баллон, в котором размещены катод, эмиттеры и анод (коллектор). На рис. 18 приведена схема устройства и включения электронного умножителя. На эмиттеры подается со специального прибора (делителя напряжения) возрастающее от первого к последующим эмиттерам напряжение. Анод является фактически последним в ряду эмиттеров и к нему так же подается напряжение, большее, чем у последнего эмиттера. На катод подается отрицательное напряжение порядка 1000–1500 вольт. Излучение радиоактивных изотопов попадает на сцинтиллирующий экран или специальный кристалл — фосфóр, который ставится перед окном фотоумножителя. Под действием световых фотонов с поверхности катода вырываются электроны, которые фокусируются и ускоряются в электрическом поле между катодом и первым эмиттером. Обычно используют сурмяно-цезиевые катоды, из которых электроны легко выбить. Попадая на первый эмиттер, электроны вырывают из его поверхности новые электроны в большем числе. Последние под действием электрического поля движутся, все ускоряясь, ко второму эмиттеру и вырывают из его поверхности еще большее число электронов, которые устремляются к следующему эмиттеру, и так до тех пор, пока все электроны не попадут на анод. Число электронов, попадающих на анод, в сто тысяч — миллион раз больше числа электронов, срывающихся с катода. Число последних обычно не превышает тысячи. Таким образом, на появление в кристалле фосфóра одной ионизирующей частицы радиоактивного излучения фотоэлектронный умножитель отвечает кратковременным электрическим сигналом, сила которого достаточна для регистрации его с помощью радиолампового усилителя и электромеханического счетчика. Каждому электрону или фотону, попадающему на катод фотоумножителя, электромеханический счетчик отвечает перемещением стрелки на одно деление.

Рис. 18. Схема регистрации излучения сцинтилляционным методом с помощью электронного умножителя:

K — катод; А — анод; Э — эммитеры

В качестве фосфóров можно использовать кристаллы иодистого натрия с таллием, антрацена, нафталина, вольфрамата кальция, некоторые жидкости и растворы, например раствор терфенила в ксилоле.

Сцинтилляционные счетчики отличаются большой эффективностью регистрации всех видов радиоактивного излучения.

Мы описали лишь наиболее распространенные методы регистрации радиоактивных излучений.

2. Что такое метод меченых атомов

В основе большинства явлений природы и искусственных процессов, проводимых в лабораториях и промышленности, лежит движение атомов и молекул. С движением атомов и молекул связаны: течение рек, движение воздуха, рост растений, разложение их при гниении, усвоение пищи животным и человеком, горение ракеты, взрыв динамита и т. д. Атомы во многих из этих процессов не только перемещаются, но и меняют партнеров, с которыми они были соединены, образуют новые химические соединения, новые вещества. Изучение природных и лабораторных процессов, следовательно, связано с наблюдением за перемещением атомов. Наука нашла много тончайших методов исследования, однако один из этих методов отличается такими возможностями, которые не таят в себе другие. Он позволяет наблюдать движение в самых сложных и скрытых химических и физических процессах и называется методом «меченых атомов».

Ученые давно мечтали о том, чтобы пометить атомы, как метят птиц и других животных, за которыми хотят провести наблюдение. Кольцо на ноге птицы или какая-либо другая отметка на теле животного дает возможность определить, далеко ли животное уходит от места метки, куда и какими путями улетают на зиму птицы, как долго живут рыбы и т. д. С помощью таких меток удалось, например, установить, сколько лет живут щуки, что угри из рек Европы и Америки уходят метать икру в Саргассово море, где умирают и откуда через несколько лет молодое поколение угрей приплывает в реки Западной Европы и Америки.

Метод меток распространен довольно широко. Так, в поисках подземного пути рек в горных местностях гидрологи примешивают к воде рек краски, которые позволяют доказать по выходу окрашенной воды из-под земли в нескольких километрах ниже по течению от места, где была влита краска, связь двух рек между собою. Так с помощью флуоресцена — краски, которая даже при очень сильном разбавлении легко заметна, удалось доказать подземную связь Дуная с рекой, текущей от нее в нескольких километрах.

Недавно способ метки был применен пчеловодами. В улье находится до сорока тысяч пчел, и наблюдение за отдельными группами пчел невозможно без их метки. Пчеловоды делают улей с прозрачной крышей, а пчел, вылетающих на сбор корма, метят краской у поставленных на разных расстояниях и в разных направлениях от улья кормушках. За поведением отмеченных краской пчел легко проследить в улье с прозрачной крышей. Пчеловодам удалось таким путем узнать многие тайны жизни пчел.

Но не можем же мы превратиться в микроскопических гномов, уменьшиться в миллиард раз, чтобы атомы стали для нас подобны пчелам и мы смогли бы их видеть и пометить. Что же делать? Как можно пометить атомы? Только ли глазом можно следить за движением тел? Вспомните прогулку в лесу за грибами. Вы потеряли своего товарища, но вот слышите повторяющийся возглас «ау!» и по этому возгласу легко определяете его местоположение. Значит, по звуку можно следить за движением так же, как с помощью зрения. Теперь представьте себе самолет, который в тумане или ночью идет на посадку. Посадочный аэродром непрерывно посылает в эфир радиосигнал, а летчик принимает этот сигнал с помощью специального приемника и ведет самолет к месту посадки так же точно, как если бы он его видел. Представьте себе корабль, получивший повреждение; его радиостанция непрерывно посылает сигналы бедствия. Эти сигналы позволяют установить местопребывание судна. Представьте себе, наконец, радиолокационную станцию, которая на огромном расстоянии может проследить за движением самолета, корабля, подводной лодки, воспринимая отражение посылаемой ею волны от отыскиваемых целей.

Читателю уже известно, что радиоактивные атомы способны посылать сигнал в виде излучения и что этот сигнал с помощью приборов, описанных в предыдущем разделе, может быть принят — зарегистрирован.

Впервые, как уже было рассказано выше, этот сигнал атомов — радиоактивное излучение — был принят и зарегистрирован Анри Беккерелем при исследовании соединений элемента урана. Этим же воспользовались и Мария и Пьер Кюри при поисках радия и полония. Излучение радия и полония являлось, следовательно, природной меткой, по которой супруги Кюри обнаружили и выделили эти элементы.

Описанные примеры показывают, что радиоактивное излучение может служить для атомов меткой, с помощью которой можно проследить их местонахождение. Но надо иметь в виду, что радиоактивное излучение — это результат радиоактивного распада, и, следовательно, мы можем зарегистрировать только гибель атома, его превращение в другой атом. Вспомним, что радиоактивному распаду подвергаются не все радиоактивные атомы одновременно, распад происходит постепенно, в течение времени, которое зависит от свойств данного радиоактивного элемента, от его периода полураспада. Например, количество атомов радиоактивного фосфора 32 убавится наполовину за 14,3 дня, радиоактивного золота 198 за 2,7 дня, радиоактивной меди 64 за 12,9 часа и т. д.

В процессах, за которыми производят наблюдение с помощью метода меченых атомов, участвует такое большое количество атомов, что превращение даже десятков и сотен тысяч их практически не меняет общего числа атомов, общего количества вещества, убыль его остается незаметной для наблюдателя.

Как уже было сказано, в природных и лабораторных процессах обычно участвуют огромные количества атомов. При этом поведение одинаковых атомов — атомов одного и того же элемента — в одном и том же процессе одинаково. Например, атомы элемента кальция и фосфора, попадающие с пищей в организм человека, идут на построение костных тканей, атомы иода скапливаются в щитовидной железе и т. д. Неотличимо ведут себя и изотопы одного и того же элемента. Если приготовить смесь радиоактивных и нерадиоактивных атомов одного и того же элемента — смесь изотопов, то отделить атомы радиоактивного изотопа от атомов нерадиоактивного изотопа очень трудно. В большинстве природных и лабораторных процессов радиоактивные изотопы ведут себя совершенно так же, как и нерадиоактивные. Например, при сжигании серы, содержащей смесь атомов радиоактивного и нерадиоактивного изотопа, с кислородом соединяются и радиоактивные и нерадиоактивные атомы. При попадании смеси радиоактивных и нерадиоактивных атомов какого-либо элемента внутрь организма человека или животных оба вида атомов ведут себя химически и физически неотличимо.

Однако каждый атом радиоактивного изотопа рано или поздно распадается и дает сигнал в форме излучения. Если же в смеси атомов имеется достаточно большое количество радиоактивных атомов, то они распадаются непрерывно один за другим, все время сигнализируя о местопребывании и движении всей массы атомов данного элемента.

Мы теперь видим, что достаточно к веществу, за которым хотят провести наблюдение, подмешать молекулы этого же вещества, содержащие в своем составе атомы радиоактивного изотопа, чтобы в течение всего процесса знать местопребывание всей массы данного вида атомов по испускаемому атомами изотопа излучению. Метод меченых атомов, следовательно, — это способ наблюдать за поведением данного вида атомов в каком-либо процессе с помощью его радиоактивного изотопа.

Для проведения опыта с использованием метода меченых атомов получают радиоактивные изотопы, а из них — вещества, необходимые для исследования, часть молекул которых содержит радиоактивные атомы. По излучению, исходящему от радиоактивных молекул, следят за поведением и движением таких же молекул, но не содержащих радиоактивных атомов, — следят за всей массой вещества.

Не только радиоактивные изотопы могут быть использованы для метки атомов. У ряда химических элементов таких важных, например, как кислород и азот, нет радиоактивных изотопов с достаточно большой продолжительностью жизни. В этом случае используют нерадиоактивные изотопы элемента, за которым хотят вести наблюдение, с массой, отличающейся от средней массы атомов природного элемента.

Примешивая, например, к обыкновенной воде воду, содержащую кислород с массовым числом 18 (обычный кислород имеет массовое число 16), можно наблюдать за поведением всей массы кислорода по его изотопу с массой 18. Для наблюдения за движением атомов в этом случае используют масспектрометр — прибор, в котором можно определить массу отдельных групп атомов.

3. Что можно исследовать методом меченых атомов

Метод меченых атомов в настоящее время широко применяется в различных областях науки; в ряде случаев он облегчает наблюдение за происходящими процессами, а часто без применения этого метода наблюдение невозможно.

Метод меченых атомов позволяет исследовать распределение любого вещества в той или иной среде, решить, где находится то или иное вещество, например найти распределение фосфора между шлаком и сталью, установить распределение иода или другого элемента в животном или растительном организме, изучить распределение легирующих металлов в стали при ее выплавке и т. д.

Метод меченых атомов дает возможность изучить направление движения того или иного вещества; найти, откуда пришли в данную систему те или иные атомы и куда они направятся дальше, например проследить движение невидимого газа, не обладающего запахом, в вентиляционной системе; изучить перемещение различных элементов в живом организме, в частности вытеснение одних атомов в ней другими; исследовать процессы изнашивания деталей машин и пр.

Далее этот метод позволяет проследить превращение одних веществ в другие в химических лабораторных, производственных и биологических процессах.

Метод меченых атомов также помогает решать задачи, связанные с определением малых количеств вещества, например при процессах растворения малорастворимых веществ, испарения малолетучих веществ, в химическом анализе состава или при определении количественного содержания того или иного вещества и т. д.

Рассмотрим ряд примеров, характеризующих метод меченых атомов.

4. Меченые атомы в химии

Химия — наука о превращении веществ. Превращение же веществ это — перемещение атомов. В связи с этим метод меченых атомов находит самое широкое применение в химии; он позволяет сделать тончайшие анализы состава вещества и содержания в нем тех или иных элементов, установить наличие едва заметных примесей, исследовать механизм течения химических реакций, определить строение молекул, найти растворимость вещества и решить многие другие задачи химии.

Рассмотрим примеры применения меченых атомов в химии.

Поведение атомов в растворах. Всыплем в стакан с водой ложку поваренной соли и размешаем. Соль растворится в воде; ее частицы равномерно распределятся между молекулами воды, образуя однородную жидкость.

Если мы прибавим к полученному раствору еще немного соли, то и она растворится. В 100 граммах воды при температуре 20° можно растворить 35,77 грамма поваренной соли. Но если к такому раствору прибавить еще соли, она уже не будет растворяться, как бы долго мы ее ни перемешивали. Раствор, который уже не может растворять новые порции вещества, называют насыщенным, а количество граммов вещества, которое содержится в 100 граммах насыщенного раствора, — растворимостью.

Одни вещества растворяются лучше, другие хуже. Сахар растворяется в воде очень хорошо, столовая соль хуже, а мел совсем плохо.

Происходят ли какие-нибудь изменения с кристаллами соли, если их бросить в насыщенный раствор? Представим себе, что к насыщенному раствору обычной столовой соли прибавлены кристаллы соли, содержащей в своем составе радиоактивный натрий. Через несколько минут мы обнаружим, что в растворе появились радиоактивные атомы натрия, которые можно легко обнаружить, отделив раствор и измерив его активность. Через несколько десятков минут радиоактивность раствора достигает наибольшего значения. Это явление можно объяснить только следующим образом. Молекулы хлористого натрия отрываются от поверхности кристалла и переходят в насыщенный раствор, на их место сейчас же становятся молекулы из раствора. Значит, в насыщенном растворе все время идет обновление кристаллов.

Если вещество растворяется в воде более или менее хорошо, то определить его растворимость нетрудно. Для этого получают насыщенный раствор, взвешивают небольшое его количество, а затем выпаривают из него воду и взвешивают сухие кристаллы. После этого рассчитывают, сколько вещества содержится в 100 граммах раствора.

А как быть, если вещество растворяется в воде очень плохо? На современных точных аналитических весах можно взвесить 100–200 граммов вещества с точностью до 0,0002 грамма, на микровесах несколько граммов с точностью до 0,000002 грамма, на специальных весах, представляющих собой кварцевую пружинку, можно взвешивать с точностью до 0,000000001 грамма, но не более 0,000000025 грамма, а для определения растворимости надо взвесить и вещество и сосуд, а сосуд всегда весит несколько граммов. Поэтому с помощью весов определить растворимость малорастворимых веществ нельзя. Здесь снова на помощь приходят меченые атомы.

Предположим, что нам нужно определить растворимость какого-либо вещества. Как известно, мел в воде практически не растворяется. Мел — это углекислый кальций; молекулы мела состоят из кальция, углерода и кислорода. Для опыта возьмем мел, в котором часть атомов кальция радиоактивна. Определим с помощью счетчика радиоактивность одного миллиграмма мела. Затем приготовим обычным путем насыщенный раствор, выпарим определенное количество его и найдем с помощью счетчика активность остатка после выпаривания.

Дальше, разделив активность остатка на активность миллиграмма мела, найдем количество мела в остатке после выпаривания и, наконец, рассчитаем содержание его в 100 граммах раствора.

Таким путем была определена растворимость многих веществ, которые считаются практически нерастворимыми.

Устойчивы ли молекулы? На столе лежит белый порошок. Это бариевая соль угольной кислоты — углекислый барий (BaCO_3). В его состав введен радиоактивный углерод.

Измерим величину его радиоактивности с помощью счетчика и оставим углекислый барий на столе. Мы заметим, что активность соли будет постепенно уменьшаться. Но уменьшение происходит не за счет распада радиоактивного углерода, так как период его полураспада велик.

Что же происходит с углекислым барием?

Находящийся в воздухе углекислый газ (СО_2) переходит в молекулы соли, а радиоактивный углерод постепенно уходит в воздух:

ВаС*О_3+СО_2→ВаСО_3+С*О_2

(звездочками помечены атомы радиоактивного углерода).

Молекулы углекислого бария, оказывается, неустойчивы; они все время обновляются, так же как обновляется кристалл в насыщенном растворе.

Рассмотрим, еще один пример. Иодистый этил (C_2H_5J) — это жидкость, кипящая при 72°. Иодистый этил можно испарить, а затем снова перевести в жидкость; молекулы его при этом не изменятся. Растворим иодистый этил, содержащий в своем составе радиоактивный иод, в спирте и добавим к нему иодистый натрий (NaJ). Покипятив некоторое время смесь и поместив ее в фарфоровую чашку, выпарим иодистый этил и спирт. В чашке останется только иодистый натрий. Соберем оставшийся иодистый натрий и с помощью счетчика измерим его активность. При этом мы обнаружим, что соль стала радиоактивной. Это означает, что радиоактивный иод из йодистого этила перешел в иодистый натрий. Произошла реакция обмена:

C_2H_5J* + NaJ↔C_2H_5J + NaJ*

Внешне ничего в смеси не изменяется, но атомы меняются местами. Таким образом могут обмениваться атомы во многих соединениях, которые обычно считаются вполне устойчивыми.

Все ли атомы в молекулах ведут себя подобным образом? Нет. Многие атомы в молекулах прочно сохраняют свое место. Например, атомы серы в молекулах серной кислоты не меняются местами с атомами серы в других соединениях; углерод органических молекул также не обменивается с углеродом, находящимся в молекулах других веществ.

С помощью меченых атомов, таким образом, можно определить способность атомов к обмену. От этой способности зависят многие природные, лабораторные и производственные процессы, например распределение фосфора в организме. Это распределение связано с обменом.

Испаряются ли твердые вещества? С помощью обоняния можно обнаружить присутствие в воздухе крайне малых количеств пахучих веществ. Но обонянием невозможно определить количество вещества. Если же вещество не обладает запахом, то трудно обнаружить и его присутствие.

Запахом обладают не только газы, но и жидкости и твердые тела, например бензин, нафталин и т. п. Несомненно, что ощущение запаха связано с попаданием молекул пахучего вещества в нос, а из этого следует, что не только жидкие, но и твердые тела способны испаряться.

Испарение твердых тел идет весьма медленно, и в воздух попадает ничтожное количество молекул твердого вещества. Способность твердых тел к испарению оценивается по давлению образуемых ими паров.

Для измерения давления воздуха пользуются барометрами, для определения давления газа в закрытых сосудах — манометрами. С помощью этих приборов давление пара твердых тел измерять нельзя — оно очень мало. Как же можно определить малые давления пара?

На помощь приходят радиоактивные атомы.

Обычно малые давления пара измеряют методом испарения в вакуум с открытой поверхности или по истечению пара в вакуум сквозь маленькое отверстие. В первом случае количество вещества, испаряющегося в секунду, тем больше, чем больше поверхность, с которой идет испарение. Во втором случае оно зависит от величины отверстия сосуда, в котором помещено вещество. В обоих случаях количество испарившегося вещества растет с увеличением температуры, при которой выдерживается твердое вещество, и пропорционально времени испарения. Определив вес испарившегося вещества за некоторый промежуток времени с одного квадратного сантиметра поверхности или через отверстие известной площади, можно рассчитать давление пара.

Масса испарившегося вещества так мала, что непосредственно его взвесить невозможно. Однако можно собрать все испарившееся вещество на холодной поверхности. Пары твердого вещества на такой поверхности будут осаждаться так же, как осаждаются пары воды на холодной ложке, поднесенной к горячему чаю. Если твердое вещество содержало радиоактивные атомы, то при помощи счетчика можно обнаружить их присутствие на охлаждаемой поверхности. По числу отсчетов счетчика в минуту можно рассчитать число радиоактивных атомов и при его помощи вес испарившегося вещества, так как заранее известна доля радиоактивных атомов в данном веществе.

Если, например, известно, что 1 миллиграмм исходного вещества дает на счетчике 100 тысяч отсчетов в минуту, а при измерении излучения от испарившегося металла получается 100 отсчетов, то испарилось 0,001 миллиграмма вещества. Таким путем удалось измерить давление пара многих твердых веществ.

Метод меченых атомов позволил советским исследователям создать новый метод измерения малых давлений пара. При этом методе два одинаковых образца вещества, например металлических диска, один из которых содержит радиоактивный изотоп, помещаются в вакууме напротив друг друга и нагреваются до постоянной температуры. При этом атомы металла, испаряющиеся с поверхности каждого из образцов, сталкиваются с противоположной поверхностью и оседают на ней. Таким образом, между поверхностями обоих образцов идет непрерывный обмен атомами. Атомы, осевшие на поверхности металла, вследствие диффузии проникают в глубь образца. В результате этих процессов радиоактивный изотоп постепенно переходит в неактивный образец. Скорость перехода зависит от температуры образцов, их первоначальной активности, давления насыщенного пара и скорости диффузии. Если измерить со временем нарастание активности первоначально неактивного образца, то по этим опытным данным можно вычислить давление насыщенного пара и скорость диффузии одновременно. На рис. 19 приведена принципиальная схема прибора для измерения малых давлений пара тремя описанными методами. Отдельно нарисованы камера с малым отверстием, тигель с металлом для испарения с открытой поверхности и камера для проведения обмена между двумя образцами.

Рис. 19. Упрощенная схема прибора для определения малых давлений пара методом меченых атомов:

1 — металлическая печь; а и б — тигель с металлом; в — обменная камера с образцами; 2 — стеклянный сосуд; 3 — подставка; 4 — спираль высокочастотного нагревателя; 5 — трубка, ведущая к вакуум-насосу; 6 — термопара

Атомы-контролеры. Химики умеют определять состав вещества, узнают, какие элементы и в каком количестве содержатся в исследуемом веществе. Определение качественного и количественного состава веществ при их промышленном производстве весьма важно. Не зная, насколько химически чист полученный продукт, нельзя говорить о его пригодности для тех или иных целей.

В промышленности часто приходится вести анализ сплава, содержащего золото, платину и иридий. Однако разделить эти три металла друг от друга очень сложно.

Для проверки одного из способов разделения металлов приготовляли смесь, содержащую заранее известные количества золота, платины и иридия, а затем производили их разделение. Вес выделенного золота был выше взятого, а вес иридия и платины ниже. Казалось, что при разделении золото загрязняется иридием и платиной, а иридий и платина выделяются чистые.

Так ли это? Нет, — показывают меченые атомы. Если к смеси трех металлов прибавить атомы радиоактивного золота, а затем их разделить, то в иридии и платине оказывается радиоактивное золото. Это легко определить счетчиком.

С помощью меченых атомов химики проверили многие способы химического анализа и методы промышленного разделения веществ. Важные исследования в этой области проведены академиком В. Г. Хлопиным и его сотрудниками.

Изотопный анализ. Чтобы найти содержание того или иного элемента или вещества в смеси, необходимо провести химическое отделение этого вещества или элемента в виде какого-либо известного соединения в чистом виде. Эта задача в ряде случаев является невыполнимой или очень трудно выполнимой.

Если из сложной смеси удается выделить все интересующие исследователя вещества, то оно выделяется загрязненным другим веществом, сходным с ним по свойствам. Если выделяют чистое вещество, то не удается его выделить без потерь. Благодаря этому определение количества вещества оказывается затрудненным. Меченые атомы помогают решить эту задачу.

Представим себе, что необходимо провести определение содержания металла рубидия в его руде. Полное выделение рубидия из руды практически невозможно. Однако несложно выделить из руды небольшую часть рубидия в виде чистой соли. Для анализа изотопным методом возьмем определенное весовое количество руды, растворим ее в кислоте, добавим к раствору определенное весовое количество соли рубидия, содержащее известное количество радиоактивного изотопа рубидия. Добавленный рубидий смешается с тем, который был в растворе. При этом доля радиоактивных атомов рубидия в растворе уменьшится во столько раз, во сколько раз рубидия в растворе стало больше, чем было добавлено. Далее химическим путем выделим из раствора небольшое количество чистой рубидиевой соли и определим вес выделенного рубидия и относительное содержание радиоактивного изотопа. Для этого определим с помощью счетчика, какое количество отсчетов дает миллиграмм выделенной рубидиевой соли. Разделив эту величину на число отсчетов, которое давал миллиграмм рубидиевой соли, добавленной к раствору, и умножив на количество добавленной соли, получим содержание рубидиевой соли в растворе после добавления. Отсюда, вычтя количество добавленной соли, нетрудно найти содержание рубидия во взятом растворе и, следовательно, в руде.

Активационный анализ. Перед вами несколько брусков стали, среди которых имеются образцы марганцовой стали. Можно ли отличить эти образцы, не прибегая к химическому анализу?

Да, можно, используя радиоактивные атомы.

Если образцы облучить нейтронами, то атомы элементов, входящих в состав стали, будут поглощать нейтроны, образуя радиоактивные элементы. Но не все атомы одинаково легко вступают в подобную реакцию. Атомы марганца, например, вступают в эту реакцию гораздо легче, чем атомы железа.

Хотя железа в стали больше, чем марганца, нейтроны будут взаимодействовать главным образом с атомами марганца.

Ядро атома марганца захватывает нейтрон и превращается в радиоактивное ядро с массой на единицу большей. Из марганца с массой 55 образуется его изотоп с массой 56, который распадается с испусканием электронов и гамма-лучей. Период полураспада радиоактивного марганца равен 2,6 часа.

Обнаружить радиоактивный марганец легко: нужно поднести к облученной нейтронами поверхности бруска счетчик. Количество электронов, попадающих в счетчик, будет тем больше, чем больше образовалось в стали радиоактивного марганца, а радиоактивного марганца образуется при одинаковых условиях облучения тем больше, чем больше марганца в стали. Следовательно, можно не только ответить на вопрос о том, какой образец стали является марганцовой сталью, но и определить количество марганца в стали. Прием этот прост, и с его помощью можно легко и быстро определить состав сплава, не разрушая детали.

Мы привели только один пример распознавания состава сплава с помощью облучения его нейтронами. Таким же способом можно установить содержание различных элементов в самых сложных комбинациях. Можно определить, например, содержание серы и фосфора в бумаге, углерода в поверхностных слоях стали и т. д. Этот способ получил название активационного анализа (материал активируется нейтронами или другими ядерными частицами).

Активационный анализ применяется тогда, когда нужно определить малые количества примесей в чистых металлах или быстро установить состав сложной смеси.

Особенно легко активационным анализом определить содержание редкоземельных элементов, так как они обладают очень большой способностью к поглощению нейтронов. Например, европий и гольмий могут быть определены в количествах до 10-11 грамма на грамм вещества. Определение же редкоземельных элементов в таких материалах, как графит, висмут, свинец и т. п., употребляемых в современной атомной промышленности, очень важно, так как редкоземельные элементы нарушают правильное течение процессов в ядерном реакторе.

Редкоземельными элементами называют 15 родственных по своим химическим свойствам металлов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. В периодической системе Д. И. Менделеева эти химические элементы имеют порядковые номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций). Иногда к редкоземельным элементам относят также иттрий и (реже) скандий.

Название редкоземельные элементы, или элементы редких земель, устарело. В действительности многие из редкоземельных элементов, такие как церий, лантан, неодим, по своей распространенности в природе превосходят хорошо известные элементы, играющие большую роль в технике. Долгое время редкоземельные элементы находили применение лишь в виде смеси. В последнее время произошли коренные сдвиги в использовании этих элементов. В настоящее время установлены новые области их использования в промышленности. Четко наметилось индивидуальное применение отдельных металлов этой группы.

В свободном состоянии редкоземельные элементы — это металлы, быстро тускнеющие на воздухе. Воду они разлагают на холоде медленно, а при нагревании — быстрее. Они очень активны и способны непосредственно взаимодействовать с кислородом, водородом, азотом и другими неметаллами. Редкоземельные элементы легко сплавляются с большинством металлов. Многие из сплавов редкоземельных элементов при трении дают раскаленные искры, что находит практическое применение. Окислы редкоземельных элементов применяются для обесцвечивания, окрашивания и изготовления оптических и других стекол и для окрашивания фарфора. Их окислы применяются также как абразивы для полировки оптических стекол.

Добавление редкоземельных элементов улучшает пластичность, структуру, ударную вязкость и другие свойства сталей, увеличивает жаропрочность нихрома, улучшает свойства алюминия и магния. Стекла с церием не темнеют под действием излучения радиоактивных элементов. Вот почему в ядерных реакторах цериевые стекла употребляются для защиты обслуживающего персонала от вредного действия радиации.

Гадолиний, самарий, прометий, европий и диспрозий активно поглощают медленные нейтроны. Этим элементам, особенно гадолинию, предсказывается большое будущее в ядерных реакторах на самолетах и подводных лодках, где важное значение имеет экономия объема и веса.

В настоящее время использование редкоземельных элементов открывает новые возможности для техники, медицины, геологии и многих других областей.

Изучение катализаторов. Каждому знакома серная кислота, но, может быть, не все помнят, что ее получают соединением сернистого газа с кислородом воздуха с последующим растворением полученного таким образом серного ангидрида в воде. Но сернистый газ очень медленно соединяется с кислородом в обычных условиях. Этот процесс очень сильно ускоряется присутствием платины. Платина необходима в процессе образования кислоты, но она остается химически неизменной. Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами остаются химически неизменными, называются катализаторами.

Процессов, происходящих с участием катализаторов, известно чрезвычайно много. Бóльшая часть химической промышленности работает, используя катализаторы. Реакции получения аммиака, азотной кислоты и многих других веществ протекают в присутствии катализаторов.

При помощи меченых атомов в ряде случаев удается установить, принимает ли участие катализатор в процессе перехода атомов от одной молекулы к другой.

При взаимодействии окиси углерода с водородом в присутствии железа в качестве катализатора образуется метан и другие углеводороды. Ученые считали, что окись углерода с железом образует карбид, то есть соединение железа с углеродом, а карбид железа взаимодействует с водородом, образуя углеводороды. Эта точка зрения до последнего времени излагалась в учебниках.

При помощи меченых атомов удалось доказать, что эти взгляды неправильны. К катализатору подмешивали карбид железа, содержащий радиоактивный углерод. После этого над катализатором пропускали смесь водорода и окиси углерода с нерадиоактивным углеродом.

Получающийся метан вводился в счетчик, и измерялась его активность. Оказалось, что радиоактивный углерод остается в катализаторе, а углеводороды получаются слаборадиоактивными. Следовательно, карбид железа не участвует в переносе углерода от окиси углерода к углеводородам. Процесс в этом случае идет на поверхности катализатора, так же как он идет при образовании серной кислоты на платине.

Изотопы в хроматографии. Разделение многих смесей веществ в настоящее время производится с помощью адсорбционной колонки. Адсорбционная колонка представляет собою трубу, заполненную веществом, способным поглощать (адсорбировать) из раствора различные химические соединения. При фильтровании через такую колонку все растворенное вещество поглощается в ее верхней части. Затем колонка промывается растворителем, при этом адсорбированные вещества перемещаются вдоль колонки сверху вниз с различной скоростью. По мере перемещения вдоль колонки происходит разделение смеси на отдельные вещества. Из колонки последовательно вытекают растворы чистых веществ. Этот метод разделения был разработан в 1903 г. русским ученым Цветом на примере растительных пигментов и был назван хроматографическим. В качестве наполнителя колонки Цвет употребил белую окись алюминия, а за ходом разделения следил глазами, так как разделяемые им вещества образовывали окрашенные кольца. Колонка Цвета была сделана из стекла.

Проконтролировать степень разделения неокрашенных веществ, особенно установить контроль разделения в самой колонке, трудно без меченых атомов. Если в состав разделяемой смеси добавить вещества, содержащие радиоактивные элементы, то за их разделением можно легко проследить по излучению, передвигая счетчик вдоль колонки или контролируя радиоактивность вытекающей жидкости. Таким путем ученые установили, в частности, условия разделения близких по своим свойствам редкоземельных элементов.

Как протекает химическая реакция. Течение химической реакции или, как говорят химики, механизм химической реакции совершенно необходимо знать для управления ею и для построения технологии получения тех или иных химических продуктов.

Механизм химических реакций можно изучать при помощи меченых атомов. Простейшим примером является окисление ряда органических кислот, при котором образуется углекислота, но этот процесс идет в различных условиях по-разному. Если получить пропионовую кислоту, в состав которой введен радиоактивный углерод, то в кислой среде при окислении выделяется радиоактивный углекислый газ, а в щелочной среде — нерадиоактивный.

В первом случае углекислый газ получается за счет углеродного атома Ⅲ (см. схему), а во втором случае — за счет окисления углеродного атома I.

В этих формулах черточки, соединяющие символы атомов, обозначают химические связи между атомами.

Вторым примером исследований механизма химических процессов методом меченых атомов может послужить окисление этилена на катализаторе, в качестве которого взято серебро.

Продуктами этой практически важной реакции являются окись этилена и углекислый газ. Не было ясно: образуется ли углекислый газ непосредственно из этилена или в результате окисления окиси этилена? Для проверки этого к смеси этилена и окиси этилена был добавлен этилен, содержащий радиоактивный углерод. Проводилось наблюдение за ростом радиоактивности окиси этилена и углекислого газа, пробы которых отбирались от смеси, разделялись и просчитывались на счетчике. Если бы реакция получения углекислого газа шла через образование окиси этилена, то активность единицы веса окиси этилена возрастала бы быстрее, чем активность единицы веса углекислого газа. Однако на самом деле активность углекислого газа возрастает быстрее, чем активность окиси этилена, что ясно показывает образование углекислого газа непосредственно из этилена.

Мы привели лишь простейшие примеры изучения механизма химических реакций методом меченых атомов. Таких работ можно найти сотни, и значение их трудно переоценить.

5. Меченые атомы в археологии

Метод меченых атомов проникает во все новые и новые области науки. Даже в такой науке, как археология, меченые атомы помогают определять возраст раскопок.

Природа метит атомы. Из межпланетного пространства к Земле идут лучи, получившие название космических. На своем пути в атмосфере эти лучи разбивают атомы азота и других газов, находящихся в воздухе. В результате такого процесса образуются протоны, нейтроны, электроны, позитроны и мезоны. Мезоны — частицы с массой, в сотни раз большей, чем масса электрона, и зарядом, равным заряду электрона. Таким образом, в составе космических лучей оказываются все перечисленные виды частиц. Эти частицы летят с огромной скоростью и вновь взаимодействуют с встречающимися на их пути атомами. Взаимодействие мезонов с веществом заключается в полном разрушении отдельных атомов и образовании нейтронов, протонов, электронов и позитронов. Нейтроны и протоны несут большую энергию. Взаимодействие их с атомами ведет к образованию радиоактивных элементов. В результате столкновения нейтронов с атомами азота получается радиоактивный углерод с массовым числом 14 и периодом полураспада, равным приблизительно 5570 годам. Этот процесс происходит в земной атмосфере в огромных масштабах.

Космические лучи идут из мирового пространства и днем, и ночью, и зимой, и летом. Интенсивность космических лучей заметно не меняется с веками. Это привело к тому, что в нашей атмосфере в течение длительного времени с одинаковой скоростью образуется из азота радиоактивный углерод, а из него — радиоактивный углекислый газ.

Углекислый газ, находящийся в атмосфере, поглощается растениями, и из него, воды и других веществ получаются углеводы, жиры и белки. Из растений углеводы, содержащие радиоактивный углерод, вместе с пищей попадают в организмы животных. Сама природа метит вещества так, как их метят исследователи в лабораториях. Количество радиоактивного углекислого газа в атмосфере неизменно, так как постоянны и скорость его образования в результате воздействия космических лучей и скорость его радиоактивного распада. Поэтому и доля радиоактивного углерода в живых организмах совершенно определенна. В одном грамме углерода недавно полученной клетчатки, взятого из любого растения, содержится одно и то же количество атомов радиоактивного углерода, а именно, около 75 миллиардов атомов вне зависимости от того, что это за растение и где оно произрастает.

Из 75 миллиардов атомов радиоактивного углерода за две минуты распадается только 17 атомов (распад сопровождается излучением бета-частиц). Такую небольшую активность обнаружить чрезвычайно трудно, но можно. Поэтому ученым пришлось применять специальные методы измерения радиоактивности природных веществ, содержащих радиоактивный углерод.

В живых растениях на место распадающихся атомов радиоактивного углерода приходят новые из углекислого газа атмосферы. В животных организмах пополнение углерода идет за счет питания растениями.

А если растение или животное погибнет? В этом случае на место распадающихся атомов радиоактивного углерода не будут поступать новые атомы из атмосферы. Число атомов радиоактивного углерода в умершем организме будет уменьшаться в соответствии с законом радиоактивного распада: через 6000 лет количество радиоактивного углерода убавится вдвое, через 12 000 лет — вчетверо, через 18 000 лет — в 8 раз и т. д. Поэтому содержание радиоактивного углерода в древних остатках животных и растений может служить своего рода часами, по которым можно определить время смерти животного или растения.

Ученые воспользовались этими часами для определения возраста раскопанных древних поселений и археологических находок.

Представим себе, что в раскопках древнего поселения найден кусок дерева. С помощью счетчика мы можем определить количество атомов радиоактивного углерода, приходящееся на один грамм чистого углерода в дереве, а затем рассчитать, когда это дерево было срублено, и таким образом узнать, к какому времени относится древнее поселение. Например, в образцах деревьев, свалившихся при каких-либо обстоятельствах 11440 и 5720 тысяч лет назад, на один грамм углерода приходится такое количество радиоактивного углерода, которое дает 170 и 340 распадов за 40 минут, а грамм углерода из образца свежесрезанного дерева дает 680 распадов за тот же промежуток времени. Таким путем был определен возраст целого ряда образцов дерева, найденных при проведении раскопок.

Описанным методом можно определить возраст пород, заключающих в себе соединения углерода, которые образовались в результате отмирания растений или животных, если их возраст не превышает нескольких десятков тысяч лет. Это ограничение связано с тем, что через 60 тысяч лет, то есть через время, равное 10 периодам полураспада, от имевшегося в образце количества атомов радиоактивного углерода остается лишь тысячная доля и обнаружить ее будет практически невозможно.

6. Меченые атомы в геологии

Исследование истории образования земли и горных пород, залежей и минералов, изучение богатств недр нашей планеты — вот те необъятные задачи, которые входят в предмет изучения геологии.

Меченые атомы нашли большое применение в исследованиях геологов. В этом разделе будет рассказано о применении радиоактивных изотопов в геологии.

Геологические часы. Радиоактивные атомы могут быть использованы для определения возраста горных пород. «Геологическими часами» является соотношение урана и свинца в урановых рудах. Природный уран состоит из трех изотопов с массовыми числами 234, 235 и 238. Уран с массовым числом 234 называется ураном вторым. Он получается из урана первого, массовое число которого 238, в результате ряда превращений, показанных на рис. 5. Дальнейший распад приводит к образованию устойчивого изотопа свинца. Другой изотоп урана — уран 235 (актиноуран) не связан с рядом урана 238, но также в результате ряда превращений переходит в свинец.

Соотношение количества изотопов в природном уране, а следовательно, и в урановой руде соответствует 99,28% урана 238, 0,714% урана 235 и 0,006% урана 234. Но это соотношение миллиард лет назад было иным, так как скорости распада урана 235 и урана 238 различны. Образование свинца из урана происходит чрезвычайно медленно, так как периоды полураспада урана 238 и урана 235 очень велики. За 900 миллионов лет количество атомов урана 235 уменьшилось в два раза, а от имевшегося количества урана 238 осталось 86%. За 2 миллиарда лет количество урана 235 уменьшилось в 4,65 раза, а количество урана 238 — в 1,36 раза. Следовательно, природная смесь урана, находящаяся в настоящее время в земной коре, получилась из урана 238 и урана 235.

Накопление свинца в урановой руде подчиняется закону радиоактивного распада. Расчет показывает, что за один миллион лет из 1 грамма природной смеси изотопов урана образуется 0,000137 грамма свинца, а за 10 миллионов лет — 0,00136 грамма свинца. Если учесть изменение соотношения изотопов в смеси с течением времени, то можно рассчитать количество свинца, которое могло образоваться из урана и за более продолжительное время. Можно решить и обратную задачу: определить количество урана и свинца в урановой руде и по соотношению этих количеств рассчитать время, прошедшее с момента образования руды. В этих рассуждениях предполагается, что весь свинец, который находится в урановой руде, образовался из урана.

Эта интересная задача решается следующим образом.

Кусочек урановой руды растворяется в смеси кислот. Из полученного раствора свинец осаждается химическим путем. Но весь свинец выделить очень трудно. Как же узнать, какое количество свинца было в руде? Для этого приходится использовать меченые атомы. Перед осаждением свинца к раствору урановой руды добавляется ничтожное по весу количество радиоактивного изотопа свинца — радия D. Радий D — продукт распада радия. Он имеет период полураспада, равный 22 годам. Химические свойства радия D и свинца одинаковы. И если из раствора выделяется, допустим, одна двадцатая часть всего прибавленного радия D, то и свинца выделяется такая же часть. Определить относительное количество радия D в растворе и в осадке легко по радиоактивности. Зная соотношение между растворенным и выделенным радием D и определив количество выделенного свинца, рассчитывают его общее количество, а затем вычисляют время образования уранового минерала. Если этот минерал образовался вместе со всей массой земной коры, то тем самым определяется возраст земной коры. По таким подсчетам возраст земной коры равен приблизительно 4 миллиардам лет.

Определение геологического возраста можно производить не только по свинцу. При переходе урана в свинец в цепи превращений выделяется 8 альфа-частиц (8 атомов гелия). За один год из одного грамма урана образуется 1,1∙10-7 кубических сантиметров гелия. Гелий скапливается в урановой руде и может быть из нее извлечен. Определив количество гелия в руде, можно рассчитать время, прошедшее с момента образования урановой руды. Однако такой расчет менее точен, чем по свинцу, так как газообразный гелий частично теряется минералами.

Поиски полезных ископаемых. Как определить наличие того или иного вещества в земной коре? Для этого необходимо исследовать пробы, взятые с различных глубин земли, например из буровой скважины. Но анализ проб — сложная и трудоемкая работа. На помощь геологам могут прийти радиоактивные атомы.

Если в буровую скважину опустить ионизационную камеру, соединенную с прибором, записывающим активность, то можно обнаружить залегание минералов, содержащих радиоактивные элементы уран, торий, калий и др. (рис. 20).

Рис. 20. Схема прибора для поисков радиоактивных минералов:

а — разрез скважины; 1 — счетчик; 2 — регистрирующий прибор; б — график изменения активности по мере спускания счетчика в скважину

Исследования показали, что глины, сланцы и фосфорные известняки обладают высокой радиоактивностью, а каменный уголь, песчаные образования и известняки, в которых может быть нефть, и газы — низкой. Таким образом, с помощью ионизационной камеры можно обнаружить залегание нефти.

Ценные результаты дает измерение излучения, которое появляется при спускании в скважину нейтронного источника из смеси полония и бериллия. Альфа-лучи полония взаимодействуют с бериллием с образованием нейтронов. Источник нейтронов подвешивается снизу счетчика гамма-лучей и изолируется от его излучения. Счетчик регистрирует гамма-лучи, получающиеся при взаимодействии нейтронов с элементами породы. При взаимодействии нейтронов с большинством химических элементов происходит их захват с испусканием гамма-лучей, происходят так называемые n, γ-реакции. Эти реакции сопровождаются образованием радиоактивных изотопов. Последние при распаде также испускают гамма-лучи. Ядерные реакции захвата нейтронов зависят от состава породы, через которую проходит источник нейтронов. В пористых породах, содержащих нефть, наведенная гамма-радиоактивность будет низкой, в плотных рудных породах — высокой. Нейтронным гамма-корротажем можно, следовательно, искать нефть, руды многих элементов, особенно таких как бор, марганец, вольфрам, ртуть, редкоземельные и другие элементы, сильно взаимодействующие с нейтронами. Радиоактивные изотопы нашли широкое применение в нефтяной промышленности при бурении скважин.

Для определения местоположения в скважине пористых пород, в которых можно ожидать скопления нефти и газа, при бурении употребляют раствор, содержащий некоторое количество радиоактивного изотопа натрия. Раствор накачивается в скважину и проникает в пористые легкопроницаемые породы. В этом случае при опускании в скважину счетчика повышение радиоактивности будет соответствовать пористым, легкопроницаемым породам.

Радиоактивные изотопы позволили обнаружить нефтяные пласты в толще пермских отложений, найти продуктивные горизонты среди толщи известняков и доломитов ряда нефтяных месторождений. При помощи радиоактивных изотопов удалось ввести в действие много заброшенных скважин Апшеронского полуострова и улучшить буровую разведку нефти и другого ценного сырья.

7. Меченые атомы в металловедении и металлургии

За последние годы меченые атомы нашли большое применение в металлургии и металловедении. Исследование процессов выплавки металлов и изучение свойств сплавов металлов широко проводится с применением радиоактивных изотопов. Это легко понять из описанных ниже примеров.

Движение атомов в газах. Вы сидите в комнате, а в соседней комнате пролили духи. Через очень небольшой промежуток времени вы почувствуете их запах. Как он передается?

Душистое вещество испаряется, его молекулы смешиваются с непрерывно движущимися молекулами воздуха, рассеиваются в нем и постепенно проникают во все уголки помещения.

Процесс распространения одного вещества по объему, занятому другим веществом, носит название диффузии. Если вещество имеет запах или окрашено, то за его диффузией легко проследить по запаху или окраске. Но за бесцветным газом, не имеющим запаха, проследить трудно. В этом случае можно использовать меченые атомы. С помощью счетчика легко определяется скорость движения газа.

Используя газы, в молекулах которых есть радиоактивные атомы, удалось проследить за движением вредных газов в вентиляционных системах на промышленных предприятиях.

С помощью радиоактивного газа радона было исследовано движение газов в доменной печи.

Для этой цели ампула с радиоактивным газом радоном вводилась в фурму доменной печи. В определенный момент ампула взрывалась и радон вместе с воздухом поступал в домну. Пробы газа, начиная с момента введения радона в печь, отбирались в колошнике доменной печи на различных расстояниях от стенок. Радиоактивность проб газа измерялась с помощью счетчика. Таким образом устанавливалось время, а следовательно, и скорость прохождения газов в доменной печи в разных ее сечениях. Этим путем было установлено, что скорость движения газов у стенок печи больше, чем в ее центре.

Как ведут себя атомы в твердых телах. Атомы в твердых телах, так же как в жидкостях и газах, находятся в непрерывном движении. Принято считать, что они прочно связаны со своими соседями и совершают только колебательное движение около определенных точек. Но это не совсем верно. Одними колебаниями движение атомов в твердом теле не ограничивается.

Если привести в соприкосновение гладкие поверхности двух кусков какого-либо металла, например золота, и нагреть их так, чтобы они не расплавились, то оказывается, что атомы золота из одного куска перемещаются в другой.

Но как об этом можно узнать? Для этого ученые бомбардировали один из кусков золота нейтронами. При такой бомбардировке идет процесс образования радиоактивных атомов золота:

Золото 198 радиоактивно, оно распадается, испуская электроны. Период полураспада золота 198 равен 56 часам.

Атомы радиоактивного золота постепенно проникают из одного куска золота во второй и тем глубже, чем дольше они соприкасаются и чем сильнее нагреты. За этим легко проследить, счищая с куска золота небольшие слои и измеряя радиоактивность полученных опилок счетчиком.

Следовательно, атомы в металлах также способны к диффузии или, как принято называть этот процесс, к самодиффузии. Но диффузия в твердых телах происходит гораздо медленнее, чем в жидкостях и газах.

Металлургам очень важно знать скорость диффузии различных атомов в сплавах, так как сплав меняет свои свойства, если составляющие его атомы изменяют взаимное расположение.

Советскими учеными за последние годы разработан ряд методов измерения скорости диффузии металлов в твердом состоянии. Эти методы основаны на использовании радиоактивных изотопов. Один из методов заключается в следующем. На исследуемый металл путем электролиза наносится тонкий слой металла, содержащего радиоактивный изотоп. Металл подвергается в печи отжигу при определенной температуре заданное время. В результате диффузии атомы радиоактивного изотопа проникают внутрь металла. Чем глубже мы будем удаляться от поверхности металла, тем меньше должно быть там радиоактивного изотопа. Для определения содержания радиоактивного изотопа на разных глубинах в металле, с его поверхности электролитическим методом снимают тонкие слои металла, сначала один, затем второй такой же слой, третий и т. д. Для этой цели пластинку металла присоединяют к положительному электроду источника постоянного тока и опускают в раствор кислоты. При пропускании тока определенной силы в течение определенного времени происходит растворение пластинки и снятие с нее слоя определенной толщины. Далее определяют радиоактивность каждого снятого слоя, выделяя растворенный металл химическим путем и измеряя радиоактивность на счетчике. На основании полученных данных вычисляют скорость диффузии.

Другой метод заключается в том, что по мере отжига пластинки металла с нанесенным на нее слоем радиоактивного металла радиоактивность, измеренная сначала со стороны, на которую был нанесен слой радиоактивного металла, а затем с противоположной, будет меняться. Радиоактивность стороны, на которую был нанесен слой радиоактивного металла, будет уменьшаться, а противоположной стороны — увеличиваться вследствие того, что радиоактивные атомы будут проникать вглубь, и излучение, идущее с лицевой стороны, будет поглощаться в слое металла. Излучение же, идущее с противоположной стороны пластинки, будет расти, так как слой металла, препятствующий прохождению бета-лучей, по мере проникновения изотопа внутрь пластинки будет уменьшаться. Данные измерения радиоактивности обеих сторон пластинки со временем при постоянной температуре дают возможность вычислить скорость диффузии.

В помощь металловедам. С диффузией в твердом состоянии связаны многие свойства сплавов металлов.

Что такое обыкновенная сталь? Это сплав железа с углеродом. Небольшая примесь углерода делает железо твердым. Атомы железа и углерода в стали располагаются в определенном порядке.

Если приготовить закаленную сталь, содержащую радиоактивный углерод, и гладкую поверхность куска стали приложить к фотопластинке, завернутой в черную бумагу, то на пластинке получится изображение куска. Излучение радиоактивного углерода засвечивает фотопластинку, и поэтому места вкрапления радиоактивного углерода будут отмечены более темными пятнами.

Теперь нагреем сталь, а затем медленно охладим. От этого она станет более мягкой. Повторим радиографирование. Новый снимок покажет уже иное расположение атомов радиоактивного углерода в куске.

С течением времени атомы углерода в куске стали перемещаются. Сталь, как говорят, стареет, ее прочность изменяется.

За перемещением атомов в сплавах можно легко проследить с помощью меченых атомов. Эти исследования очень важны для всех отраслей промышленности, использующих сплавы.

Сплавы — тела кристаллические. От величины отдельных кристаллов и их расположения зависят многие свойства сплавов. Как же выявить строение сплава? Как определить величину кристаллов? Для этого применяют различные способы. Один из них заключается в следующем. Гладко отшлифованную поверхность сплава подвергают действию кислоты, травят. Кислота по-разному действует на различные части сплава. После травления поверхность сплава рассматривают в микроскоп и устанавливают размеры отдельных кристаллов.

Меченые атомы также позволяют определить структуру сплава. Кроме того, они позволяют установить, какие кристаллы выделяются из расплавленной массы первыми. Опыт производится таким образом. Кусок стали помещается в закрытом сосуде над радиоактивным элементом радиоторием. Радиоторий после ряда превращений образует атомы тория В с периодом полураспада 10,6 часа. Атомы тория В осаждаются на поверхности стали.

Подготовленный таким образом кусок стали расплавляют, а затем металлу дают остыть. В жидком расплаве начинается образование кристаллов. Торий В выделяется из расплава только к концу затвердевания слитка и располагается по границам кристаллов или в примесях. Поверхность металла шлифуют и прикладывают к фотопластинке, которая засвечивается в тех местах, где расположен торий В.

Точно так же можно исследовать строение самых разнообразных сплавов, выявив расположение и величину отдельных кристаллов при радиографировании. На рис. 21 дан радиоавтограф стали, содержащей большое количество радиоактивного фосфора (белые пятна).

Рис. 21. Радиоавтограф стали, богатой фосфором (позитив увеличен в 60 раз). Фосфор радиоактивен

Изучение металлургических процессов. Для изготовления качественной стали, то есть стали, обладающей какими-либо особенно ценными свойствами, например нержавеющей или подшипниковой, при плавке добавляют те или иные металлы. Процесс плавки стали связан с выгоранием и отшлаковыванием вредных примесей, таких, как сера и фосфор.

Все эти процессы легко контролировать с помощью меченых атомов. Степень и скорость удаления серы и фосфора из стали, например, можно определить путем введения в плавку определенного количества радиоактивного фосфора и серы. Используя радиоактивный кальций, можно также найти степень загрязнения стали шлаком и материалами футеровки печи. Количество радиоактивного кальция в выплавленном металле показывает степень загрязнения металла шлаком и материалами печи. Так, советские ученые установили, что 12% примесей, имеющихся в подшипниковых сплавах, попадает в них из шлака и до 20% из футеровки печи.

Методом меченых атомов можно решать и многие другие вопросы металлургии и металловедения, например распределение легирующих металлов в сплавах, изменение структуры сплавов при термической и механической обработке и т. п.

8. Меченые атомы в технике

Радиоактивные изотопы в технике находят все большее и большее применение. Это применение развивается главным образом по линии использования излучения радиоактивных изотопов, поэтому основные примеры будут описаны в главе «Применение радиоактивных изотопов как излучателей». Однако несколько примеров целесообразно дать в главе «Меченые атомы».

Изучение износа деталей машин от трения. Движущиеся части машины при работе изнашиваются из-за трения. При смазывании трущихся частей маслом трение и износ уменьшаются.

Вспомните поездку по железной дороге. Узловая станция. Вдоль поезда проходит смазчик и заливает масло в каждое гнездо у колес вагонов, в подшипники. Многие из вас видели дым, идущий от горящих подшипников. Это бывает при плохой смазке: трение возрастает, металл сильно нагревается и масло загорается. Без смазки металл быстро изнашивается и деталь теряет прочность.

Как найти металлы, которые менее всего изнашиваются? Как найти смазки, лучше всего предохраняющие металл от износа? Метод меченых атомов дает в руки исследователей этих вопросов необходимое оружие.

Для испытания износа того или другого металла приготовляют из него платформу и ползун (брусок). В ползун вводят радиоактивный изотоп металла, а затем заставляют его двигаться по платформе. При движении атомы металлов вследствие трения переходят с одной поверхности на другую. Вместе с нерадиоактивными атомами перемещаются и радиоактивные, и это перемещение можно проследить, исследуя поверхность платформы с помощью специального счетчика или радиографии. В последнем случае после проведения опыта по трению на платформу накладывают фотопластинку и, выдержав определенное время, проявляют ее. Чем больше металла перенесено на платформу, тем сильнее почернеет фотопластинка. Испытания проводятся в отсутствии смазки, с различными сортами смазывающих материалов и при различных нагрузках на ползун.

Эти испытания дают важный материал для выбора металлов и смазок. Испытания трудно провести без помощи меченых атомов, так как при трении в условиях испытания переносятся столь ничтожные количества вещества, что они не могут быть обнаружены никакими другими методами.

С помощью меченых атомов можно испытывать качество не только куска металла или сплава, но и готовых деталей машин.

Например, для испытания автомобильного двигателя на его поршень надевают кольцо, облученное нейтронами, в котором образовалось радиоактивное железо. Двигатель пускают в ход. При этом частички металла, отрывающиеся от кольца, попадают в масло, которым смазывается машина. Масло приходит в соприкосновение со счетчиком, с помощью которого легко определить количество радиоактивного железа, по последнему судят об износе поршневых колец (рис. 22). Здесь же можно установить, как влияет качество топлива на износ поршневых колец. Если топливо содержит в своем составе большое количество серы, то износ деталей резко увеличивается.

Рис. 22. Схема установки для изучения износа поршневых колец двигателя:

1 — поршень с радиоактивным поршневым кольцом; 2 — механизм подачи масла; 3 — маслопровод; 4 — счетчик

Путем облучения режущих инструментов нейтронами можно получить в них ряд радиоактивных изотопов. Употребление таких режущих инструментов позволяет определить их износ по радиоактивности стружек, на которые радиоактивные элементы попадают в результате износа во время работы. Точность такого метода испытания в несколько раз выше стандартной, а время испытания в 25 раз меньше.

Описанный способ прост, быстр и, безусловно, имеет большие перспективы при испытании материалов и машин.

Двигатель внутреннего сгорания обслуживает электростанцию, его поршни ведут непрерывную работу, передавая движение на маховик. Но как узнать, не останавливая машины, не пора ли менять поршень или поршневые кольца, не пришли ли они в негодность в результате износа? Для этой цели можно использовать радиоактивные элементы. Они смогут вовремя дать сигнал о необходимости замены изношенных деталей. В трущейся поверхности машины высверливают маленькое отверстие, в него помещают радиоактивный элемент так, чтобы наружный край его был на такой глубине, дальше которой износ деталей опасен.

На рис. 23 дана схема расположения радиоактивного элемента в трущейся детали машины. Когда износ превышает допустимую глубину, то в смазочное масло машины попадает радиоактивный изотоп, который легко может быть обнаружен в масле с помощью счетчика, вмонтированного в масляную систему.

Рис. 23. Схема установки для контроля износа детали с помощью радиоактивного элемента:

1 — подвижная деталь; 2 — неподвижная деталь; 3 — радиоактивный элемент; 4 — масло

Таким путем можно контролировать износ ответственных деталей машин, которые не поддаются непосредственному наблюдению.

Автоматизация перекачки нефтяных продуктов. Представим себе трубопровод, по которому перекачиваются на большое расстояние различные сорта минеральных масел. Как сделать так, чтобы одно масло не могло смешаться с другим в приемнике, если процесс перекачки ведется непрерывно? Радиоактивные изотопы помогают решить и эту задачу. Между двумя сортами масла вливают жидкость, содержащую радиоактивное вещество. Выход из трубы соединяют с клапаном, связанным со счетчиком прибора, который переключает направление движения текущей жидкости в новый приемник, как только прибор начинает реагировать на протекание мимо него радиоактивной жидкости.

Контроль работы фильтров. Многие производства перед спуском отработанных жидкостей в канализационную сеть производят их обезвреживание фильтрованием. Специальные фильтры поглощают ядовитые вещества. Фильтры с течением времени насыщаются и перестают поглощать отравляющие вещества. В таком случае их нужно менять, временно пропуская канализационные воды через запасные фильтры.

Контролировать работу фильтра можно с помощью радиоактивных атомов. Для этого в сточные воды примешивается небольшое количество поглощаемого ядовитого вещества, имеющего в своем составе радиоактивные атомы. Когда отработанную жидкость спускают в канализацию, за фильтром ставят счетчик, который присоединен к прибору, переключающему ток жидкости из одного трубопровода в другой. Если через фильтр начинает проникать ядовитое вещество, счетчик отмечает присутствие радиоактивных атомов в сточной воде и включает прибор автоматического переключения.

О шелковых нитях. Всем знаком искусственный шелк. Многие знают, как его делают, но мало кто знает, что качество шелка во многом зависит от тончайшего покрытия, которое наносится на нить при ее получении; от этого тончайшего покрытия зависит равномерность окраски нити и качество вязки. Если нить покрыта неровным слоем вещества, то краска ложится неровно, и нить при дальнейшей обработке путается. Вещество это называется олеатом натрия и является натриевой солью олеиновой кислоты.

Равномерность покрытия нити олеатом натрия можно контролировать с помощью радиоактивного натрия, который вводится в состав соли. Нить проходит вблизи специально сконструированного счетчика Гейгера-Мюллера. Если слой олеата натрия слишком тонок, радиоактивность будет меньше контрольной величины; если же слой толстый, то и радиоактивность будет больше. Все это регистрирует счетчик. Он соединен с особым автоматическим устройством, которое тотчас же изменяет в нужную сторону толщину наносимого слоя.

9. Меченые атомы в биологии

Изучение процессов, происходящих в животном и растительном организмах, процессов их роста и питания, обмена веществ и т. п. является предметом биологических наук. Особенно важными являются исследования, проводимые на неповрежденном организме. К этому стремился в своих исследованиях великий русский физиолог И. П. Павлов. Метод меченых атомов позволил осуществить стремления Павлова. Этот метод широко проник во все уголки биологической науки, он позволяет изучить распределение различных веществ в живых объектах, превращение и обмен веществ в организме, роль отдельных элементов в питании животных и растений и многие другие вопросы. Познакомимся на ряде примеров с возможностями и достижениями метода меченых атомов в биологии.

От корней к тканям растения. Одной из самых больших тайн природы, в которую удалось проникнуть с помощью метода меченых атомов, является поведение химических элементов в живом организме.

Фосфор является одним из важнейших элементов, необходимых для жизни растений и животных. Он входит в состав многих тканей, в больших количествах содержится в костях животных, в плодах и семенах растений.

В организм животных фосфор попадает с пищей, а растения всасывают его корнями из почвы в виде солей фосфорной кислоты. Если почву у корней растения полить раствором соли фосфорной кислоты, в состав которой введены атомы радиоактивного фосфора, то легко проследить, как фосфор проникает в корни растения, затем поднимается по его стеблю и распространяется в листьях по их жилкам. Наблюдение за движением фосфора осуществляют следующим образом. Для опыта используют несколько растений, подкормленных радиоактивным фосфором. Одно из них срезают через час, другое через два часа, третье через пять часов после начала опыта и т. д. Затем от различных частей срезанных растений отделяют по грамму ткани; ткань высушивают и сжигают. В оставшейся золе содержится фосфор, который был в отделенной части растения. Теперь с помощью счетчика можно легко подсчитать, в каких тканях растения находится больше радиоактивного фосфора, как влияет время на изменение количества радиоактивного фосфора в листьях, плодах или других частях растения. Вместо описанного способа можно растения, впитавшие в себя радиоактивный фосфор, срезать и приложить в темноте к фотографической пластинке. Контуры тех частей растения, в которых находится радиоактивный фосфор, будут зафиксированы почернением на фотографической пластинке. Почернение оказывается неравномерным, оно тем больше, чем больше радиоактивного фосфора содержится в той или иной части растения. Таким способом легко можно изучить направление движения атомов фосфора и других элементов в растении.

Можно показать, что фосфор в плодах томата скапливается в семенах (рис. 24), а в табаке, зараженном вирусной мозаикой, фосфор особенно интенсивно поглощается больными листьями (рис. 25).

Рис. 24. Радиоавтограф (позитив) плодов томата, подкормленного радиоактивным фосфором (разрез)

Рис. 25. Радиоавтограф (позитив) табака, подкормленного радиоактивным фосфором. Верхние листья поражены вирусной мозаикой

Фотосинтез. Углерод, идущий на построение клеток тканей, растения получают главным образом из воздуха в виде углекислого газа, который в листьях на свету претерпевает ряд сложнейших превращений. Процесс этот носит название фотосинтеза.

Фотосинтез сложен и многообразен. Исследования А. К. Тимирязева и его учеников заложили основу учения о фотосинтезе, но только с помощью метода меченых атомов удалось показать, как углекислый газ и вода превращаются в углеводы. Оказалось, что кислород, выделяющийся при синтезе углеводов, образуется из воды, что листья растений способны запасать солнечную энергию, то есть процесс фотосинтеза продолжается некоторое время и в темноте. В этих исследованиях растения выдерживались в различных условиях в атмосфере углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод, затем с помощью счетчика определялось количество радиоактивного углерода в тканях листьев. Более сложные опыты заключались в том, что исследовалось не просто содержание радиоактивного углерода, а определялось, в какие химические соединения и при каких условиях он входит. После выдерживания в атмосфере радиоактивного углекислого газа растения убивались спиртом. При этом образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические соединения переходили в раствор.

Для анализа состава раствора к нему добавляли нерадиоактивные вещества, наличие которых в нем предполагали. Эти вещества выделяли из смеси известными химическими приемами. Если вещество оказывалось радиоактивным, то тем самым доказывалось его образование в процессе опыта по фотосинтезу из углекислого газа, так как вместе с нерадиоактивным добавленным веществом извлекалось и то радиоактивное, которое было образовано в процессе фотосинтеза. Если же отделенное вещество было нерадиоактивно, то, следовательно, его образование не связано с поглощением углекислого газа из воздуха.

Интересными являются опыты с применением бумажной хромотографии. В этом случае спиртовой экстракт из растений, выдержанных в атмосфере радиоактивного углекислого газа, наносился на угол вертикально висящего листа фильтровальной бумаги.

Верхний край бумаги опускался в ванночку с органическим веществом — фенолом. Фенол впитывался бумагой и проникал в нее, перемещаясь все ниже и ниже. По мере смачивания бумаги фенолом вещества, нанесенные на ее угол, также передвигались сверху вниз. Скорость передвижения различных веществ при таком способе промывания бумаги различная, поэтому, если выдержать край бумаги в феноле определенное время, вещество переместится на какое-то определенное расстояние от края. Затем лист бумаги поворачивался на 90° и ее край опускался в ванну с раствором пропионовой кислоты в спирте. Снова происходило движение жидкости по бумаге сверху вниз, а вместе с ней и находящихся на бумаге веществ. Благодаря такому приему каждому веществу при стандартных условиях промывания соответствовал определенный участок бумаги. Предварительно те же операции проводили со смесью веществ, которые ожидали найти в растении, содержащих в своем составе радиоактивные атомы. Таким образом, находили места расположения отдельных веществ на бумаге при стандартном промывании. После промывания исследуемого раствора с помощью счетчика или фотографическим методом определяли, на каких частях бумаги находятся соединения, содержащие радиоактивный углерод, и, следовательно, какие вещества образовались из радиоактивного углекислого газа в условиях опыта (рис. 26).

Рис. 26. Радиоавтографы (негативы) результатов разделения на бумаге продуктов фотосинтеза с углекислым газом, содержащим углерод 14:

а — сетка, полученная при промывании смеси, содержащей 10 веществ; б — растение выдержано в атмосфере углекислого газа 5 секунд; в — растение выдержано в атмосфере углекислого газа 90 секунд; 1 — аланин; 2 — серин; 3 — аспаргин; 4 — яблочная кислота; 5, 6, 7 — глицерофосфорная кислота; 8 — глюкозо-фосфат; 9 — фруктозо-фосфат; 10 — сахороза

Рисунок 26 показывает, что второе вещество — серин образуется из первого — алонина, так как при 5-секундной экспозиции растения в атмосфере радиоактивного углекислого газа его обнаружить не удается, а при 90-секундной выдержке растения в атмосфере радиоактивного углекислого газа он появляется. Подобные анализы радиоактивности отдельных составляющих смеси, полученной при различном времени выдерживания растений в атмосфере радиоактивного углекислого газа, позволяет найти последовательный ход превращения одних веществ в другие.

Русским исследователям удалось также обнаружить, что источником углерода для растений является не только углекислый газ воздуха. Подкормка растений солями угольной кислоты, содержащими радиоактивный углерод, показала проникновение радиоактивного углерода через корни в ткани растений, тем самым удалось установить новое назначение корневой системы для построения углеродистого скелета растений.

Советскими учеными были найдены сложнейшие пути образования углеродистых веществ в растениях и роль углерода, поступающего из воздуха в листья и из земли через корни. Углекислый газ воздуха в листьях превращается в сахар, который спускается в корни растения, где он переходит в пировиноградную кислоту. Последняя с углекислотой, извлекаемой корнями из земли, дает щавелево-уксусную и затем яблочную кислоту. Яблочная кислота идет вверх: в листья, плоды и т. д. и превращается в них в белок и углеводы.

В то же время углекислота почвы, превращаясь в органические кислоты, проникает во все уголки растения и под влиянием хлорофилла разлагается и выделяет кислород. Таким образом осуществляется кислородное питание растений.

Питание растений азотом и фосфором также осуществляется за счет углекислоты, извлекаемой корнями растения из почвы. Это происходит следующим путем: углекислота превращается в щавелево-уксусную кислоту, которая соединяется с почвенным аммиаком, содержащим азот, и превращается в аспаргиновую кислоту. Образование щавелево-уксусной кислоты идет только в присутствии фосфора, поэтому при недостатке фосфора питание растений азотом не осуществляется.

Советские ученые установили также, что свет с различной длиной волны вызывает различное действие. Так, красный свет вызывает образование углеводов, а синий — белков.

Движение поваренной соли в организме. Путь различных веществ в организме животных еще более сложен, чем путь их в растениях. С пищей различные элементы попадают в желудок и кишечник животного, а из него в кровь. Кровь поставляет их во все уголки тела. Проследить за движением веществ, путь которых интересует исследователя, невозможно без радиоактивных элементов. Метод меченых атомов дает возможность отличить вновь пришедшие в организм атомы от тех, которые в нем были ранее.

Вы выпили стакан воды, в которой растворена столовая соль, то есть хлористый натрий (соединение натрия и хлора). Куда же попадают молекулы хлористого натрия из желудка? Ответ может дать радиоактивный натрий, который легко ввести в состав молекул соли.

Если вы выпьете раствор такой соли и зажмете в руке счетчик, то уже через несколько минут он покажет, что в руке появились атомы радиоактивного натрия, которые распадаются с испусканием электронов и гамма-лучей. Радиоактивный натрий принесла в вашу руку кровь, что легко доказать, взяв пробу крови и проверив в ней присутствие радиоактивного натрия с помощью того же счетчика.

В течение часа бóльшая часть попавшего в желудок хлористого натрия проникает в кровь. Затем хлористый натрий разносится кровью по всему телу и из нее попадает в так называемую межклеточную жидкость, далее постепенно уходит в почки и выделяется из организма. В моче с помощью счетчика можно обнаружить небольшие количества радиоактивного натрия уже через 10 минут после того, как он попал в желудок. Хлористый натрий всегда находится в живом организме; вновь поступающий хлористый натрий заменяет собой тот, который был в организме раньше.

Куда идет фосфор. Попробуем теперь проследить с помощью меченых атомов за движением фосфора в организме животного и установить его роль в питании. Для этого необходимо соединение фосфора — соль фосфорной кислоты, содержащую радиоактивный фосфор, — ввести в желудок. Можно ввести соль фосфорной кислоты и путем подкожного впрыскивания. Она быстро всасывается в кровь и распределяется по всему организму. Для опыта используют животных, например мышей или крыс. Через некоторое время после подкожного впрыскивания крысу умерщвляют.

От различных частей ее тела отделяют по одному грамму ткани и сжигают. Затем с помощью счетчика определяют величину радиоактивности золы, полученной после сжигания каждого вида ткани. Радиоактивность, или, как мы будем говорить в дальнейшем, активность выражают числом импульсов, отмеченных счетчиком в единицу времени. Зная вес и активность 1 грамма ткани, вычисляют активность всей ткани. Полученные активности складывают и, приняв их за 100%, рассчитывают процент активности в каждом виде ткани. Результаты одного из таких опытов приведены в таблице.

Распределение меченого фосфора в различных органах крысы через 4 часа после подкожного введения

Ткань

Вес ткани в граммах

Вес фосфора в ткани в миллиграммах

Активность в %

Отношение активности к весу фосфора

Относительная активность на миллиграмм фосфора

Кость

21,6

931

18,6

0,020

1

Мышцы

75,2

118

15,4

0,131

6,6

Печень

7,5

29,5

14,0

0,475

23,8

Кожа

29,7

45,8

8,8

0,192

9,6

Легкие

9,1

15,8

5,0

0,317

15,9

Кровь

9,0

3,58

2,0

0,558

27,9

Почки

1,9

5,05

1,84

0,370

18,5

Общая активность оказывается наибольшей у костей, но активность на миллиграмм фосфора гораздо бóльшая у мышц и других мягких тканей, где, очевидно, идет наиболее сильный обмен фосфора.

Повторяя подобные опыты с другими крысами, умерщвляя их через различное время, можно проследить изменение этого соотношения со временем. Фосфор постепенно уносится из организма с мочой и калом. Убывание его из мягких тканей идет быстро, а в костях он медленно накопляется. Это изменение можно характеризовать следующей таблицей, построенной на основании одного из опытов.

Ткань

Время после введения радиофосфора

часы

Дни

0,5

4

10

20

30

50

98

Мышцы

18,3

19,4

25,8

28,8

25,2

12,1

3,6

Скелет

19,1

23,4

43,1

49,1

51,8

76,5

92,0

Значительная часть введенного под кожу крысы радиоактивного фосфора уже через полчаса оказывается в костях; далее процесс накопления фосфора в костях замедляется, но идет непрерывно. В мышцах содержание радиоактивного фосфора доходит до максимума через 20 дней, а затем начинает падать.

Со временем в костях происходит биологическая перекристаллизация. Кровь приносит фосфор, который образует кристаллы фосфата кальция, а старые кристаллы растворяются и уносятся кровью, кости обновляются. 97,8% фосфора, введенного в кровь, как показывают меченые атомы, уже через два часа уходит из нее.

Радиоактивный фосфор в теле животного легко также обнаружить путем радиографии, если приложить его разрез к фотографической пластинке и выдержать некоторое время. Излучение радиоактивного фосфора вызовет засвечивание фотографической пластинки. На рис. 27 показан отпечаток радиоавтографа разреза мыши, под кожу которой был введен радиоактивный фосфор.

Рис. 27. Радиоавтограф мыши, в костях которой скопился радиоактивный фосфор.

Стронций, попавший в организм животного, так же как и фосфор, накапливается в костях.

В организме происходит непрерывный обмен одних атомов на другие и не только в костях, но и в любых других тканях тела животного.

Обмен атомов фосфора происходит во всех частях тела, особенно интенсивно обмен происходит в мозгу. Используя меченый фосфор, удалось показать, что в различных частях мозга обмен усиливается при различного рода раздражениях (световых, звуковых и т. п.). Например, при звуковом раздражении наблюдается усиление обмена фосфором в корковой части слухового анализатора мозга.

Любопытным является тот факт, что фосфор, внесенный в воду в виде солей, проникает в тело рыб через их поверхность, что дает возможность производить подкормку рыб фосфором.

Можно ли было проследить за движением фосфора или других атомов в живых тканях без метода меченых атомов? Конечно, нет.

Откуда берется кальций. В состав скорлупы яиц входит кальций. Предполагали, что кальций непосредственно из пищи поступает в кровь, а из крови в скорлупу яиц. Однако опыты с применением радиоактивного кальция показали, что из пищи весь кальций поступает в скелет, не попадая непосредственно в скорлупу яиц. Из скелета он расходуется, в частности, и на построение скорлупы яиц. Его расходование тем самым регулируется. Оно идет у кур, например, в соответствии с их продуктивностью. У кур, которые за 2 месяца снесли 25 яиц, происходит обновление костяка на 95%, в то время как у ненесущихся кур за то же время костяк обновляется лишь на 25%.

Роль железа. Без элемента железа не могут обходиться живые существа. Железо входит в состав гемоглобина, а гемоглобин является основным веществом, составляющим красные кровяные тельца — эритроциты. Эритроциты переносят кислород от легких во все уголки сложного организма человека и животного. Перенос этот совершается с помощью атомов железа, которые в легких присоединяют кислород, а в тканях тела отдают его.

Как проследить за движением и распределением железа в живом организме? Где накапливаются запасы железа? Меченые атомы помогают ответить на поставленные вопросы.

Для проведения опытов используются радиоактивные изотопы железа, которые вводятся с пищей в желудок животного в виде солей железа. Затем с помощью счетчика измеряется количество радиоактивного железа в крови и различных органах.

В результате многочисленных исследований было установлено следующее.

Железо, поступающее с пищей в организм, всасывается слизистой оболочкой двенадцатиперстной и тонких кишок. Далее оно входит в состав белкового вещества ферритина. Ферритин накапливается главным образом в печени и селезенке.

Если организм здоровый, то кровь, мышцы, печень и другие органы содержат определенное количество железа. В печени и селезенке содержится запас ферритина. Новые порции железа, введенного в желудок, почти целиком выбрасываются организмом. Но стоит взять из вены животного некоторое количество крови, как начинается интенсивное всасывание железа.

Железо ферритина в костном мозгу превращается в гемоглобин, который включается в состав образующихся там же эритроцитов. У малокровных людей идет интенсивное усвоение железа.

Интересен также следующий опыт. Если в вену человека ввести определенный объем крови, эритроциты которой содержат в своем составе радиоактивное железо, то можно определить общий объем крови. Для этого через 24 часа после введения крови у подопытного животного берут кровь в количестве, равном введенному, и измеряют ее активность. Вследствие того что кровь, содержащая радиоактивное железо, смешивается со всей массой крови, полученная активность так относится к введенной, как количество введенной крови к ее общему количеству.

Метод меченых атомов оказался чрезвычайно плодотворным для изучения различных биологических процессов, и тысячи ученых в настоящее время применяют его.

10. Меченые атомы в сельском хозяйстве

Процессы питания и роста растений, обмена веществ в них и ряд других вопросов, важных для сельского хозяйства, мы уже описали в разделе применения меченых атомов в биологии. В этом разделе мы остановимся на исследовании процессов, непосредственно связанных с выращиванием сельскохозяйственных культур, на изучении возможности повышения их урожайности, на исследовании методов внесения удобрений в почву и т. п.

В полеводстве. Как вносить удобрения в почву, в какие сроки, в каком виде и в каких дозах? Все эти вопросы можно решить, изучая из года в год действие удобрений на опытных участках. Меченые атомы позволяют значительно быстрее и точнее ответить на все приведенные выше вопросы.

Попробуем внести фосфорное удобрение, содержащее радиоактивный фосфор, поверх почвы или с зарыванием в канавку близ корней. В последнем случае растение становится радиоактивным быстрее и в большей степени. Это легко установить с помощью счетчика. Следовательно, при зарывании в канавку удобрение используется быстрее и полнее.

Можно проследить также, как сказывается различное расположение удобрения по отношению к корням. Так, листья, корневая система которых находится в непосредственной близости от удобрения, содержащего радиоактивные элементы, становятся радиоактивными уже через 20 минут. Если удобрения расположены на 3–4 сантиметра от корней, то содержащиеся в них элементы оказываются в листьях через 3 дня, а при расстоянии от корней до удобрения, равном 5–6 сантиметрам, — только через 3–4 недели.

Очевидно, используя радиоактивные вещества, внесенные в почву на различные расстояния от растения, можно проследить за ростом корневой системы, не вынимая растение из земли, а измеряя радиоактивность листьев.

Почва содержит ряд нужных растениям химических элементов, их недостаток необходимо восполнять удобрениями. Внося удобрения, содержащие, например, радиоактивный фосфор, легко показать, что питание растений идет не только за счет фосфора удобрения, но и приблизительно на ⅓ за счет почвенного фосфора. Для этого исследования растение, выросшее на почве, удобренной радиоактивным фосфором, срезают, сжигают и определяют химическим анализом в золе общее содержание фосфора и с помощью счетчика содержание радиоактивного фосфора; тем самым устанавливают долю фосфора, взятого растением из удобрений и из почвы. Таким же способом определяют степень использования фосфора органических удобрений, например навоза. Чтобы получить навоз, содержащий радиоактивный фосфор, овец кормят травой, смоченной раствором соли, фосфорной кислоты, содержащей радиоактивный фосфор.

Большую роль в жизни растений играют микроэлементы, которые присутствуют в растениях в ничтожно малых количествах. Применяя радиоактивные изотопы, например, таких элементов, как кобальт, цинк и другие, можно установить роль этих элементов в жизни растений, необходимость тех или иных элементов для лучшего развития культур.

Ряд опытов, проведенных с мечеными удобрениями, показал, что листья наряду с корнями являются для растений источником не только углекислого газа — углерода, но что они способны всасывать минеральные соли, тем самым помогая корням в питании растений азотом, фосфором и другими необходимыми растениям элементами. Это открытие позволило поставить на научные основы внекорневую подкормку сельскохозяйственных культур. Внекорневая подкормка значительно повышает урожайность ряда культур, например урожайность хлопка на полях наших южных республик таким путем повышается на 10–20%, урожайность картофеля — на 7%, ячменя — на 18%, фасоли — на 17% и т. д. Меченые атомы позволяют установить также, в какой период растение плохо усваивает удобрения из почвы и хорошо листьями, т. е. наиболее рациональные сроки внекорневой подкормки.

В садоводстве. Куда лучше вносить удобрения под деревья? И этот вопрос помогают решить меченые атомы. Внесем удобрение вблизи одного из корней дерева, например яблони. В этом случае спустя некоторое время радиоактивным становится не все дерево, а лишь определенные ветки, плоды и листья, растущие на этой ветке, что легко можно проверить, поднося счетчик к различным частям дерева. Следовательно, питание разных частей дерева осуществляется за счет разных корней, и только при круговом внесении удобрения под все корни можно достигнуть положительного эффекта.

Какова связь между дичком и привитой к нему веткой яблони?

В решении этой задачи меченые атомы являются незаменимыми. Они показывают, что не только из корневой системы дичка питательные вещества направляются к привитой ветке, но привитая ветка начинает полностью функционировать и посылает вырабатываемые в ней вещества в тело и корни дичка.

11. Меченые атомы в медицине

Врачи давно используют радиоактивные элементы для лечебных целей. Излучение, например, радия или радона, а в настоящее, время и ряда искусственных радиоактивных элементов с успехом применяется для лечения рака, белокровия и других болезней.

Метод меченых атомов также начинает проникать во врачебную практику и практику исследований болезней и их лечения. Последние очень близко примыкают к исследованиям в области физиологии.

В поисках средств борьбы с болезнями. Радиоактивные элементы начинают в настоящее время использоваться при поисках средств для лечения болезней, например гипертонии — повышенного давления крови.

Скорость кровообращения может характеризовать состояние организма. При помощи радиоактивных элементов легко определить скорость кровотока (рис. 28). Если в вену вблизи кисти руки ввести раствор поваренной соли, содержащей в своем составе атомы радиоактивного натрия, то можно по гамма-лучам, испускаемым радиоактивным натрием, при помощи счетчика определить время, необходимое для переноса крови от кисти руки до ступни ноги (или другого места). У здоровых людей это время составляет приблизительно 43 секунды. У лиц, страдающих артериосклерозом, это время увеличивается и может дойти до 105 секунд, а у лиц с расширением вен уменьшается даже до 30 секунд.

Рис. 28. Определение скорости кровотока с помощью радиоактивного изотопа натрия

Тяжелое заболевание, гипертония, связана с повышением давления крови. Лекарства, помогающие больным гипертонией, должны расширять кровеносные сосуды, создавая таким образом более свободное и быстрое движение крови. Чтобы определить влияние того или другого лекарства, применяемого для лечения гипертонии, раньше необходимо было в течение длительного промежутка времени испытывать его действие.

При помощи меченых атомов задача подбора лекарств решается просто и быстро. Перед испытанием лекарства у больного определяют скорость движения крови с помощью радиоактивного натрия. Повторяют те же измерения после принятия больным лекарства. Если лекарство расширяет кровеносные сосуды, то скорость движения крови увеличивается и время прохождения натрия с кровью от кисти руки до локтей, колен и ступней уменьшается.

При определении болезней. Где и как найти в огромном мире атомов нашего тела атомы иода, которые мы поглощаем вместе с пищей и водой или в виде лекарства?

Эту задачу удается решить, используя меченые атомы. Человеку дают выпить раствор нескольких миллионных долей грамма иодистого калия, в состав которого входит радиоактивный иод. Радиоактивный иод испускает гамма-лучи. Если после введения иодистого калия подставить счетчик к горлу человека, где находится щитовидная железа, то уже через несколько минут счетчик обнаруживает, что атомы радиоактивного иода проникли в щитовидную железу (рис. 29). Иод постепенно в ней накапливается. Его количество сначала нарастает, а затем убывает. Накопление иода в щитовидной железе здоровых и больных людей происходит неодинаково. У здоровых людей наибольшее накопление радиоактивного иода в щитовидной железе происходит через сутки после приема иода. У людей, заболевших базедовой болезнью и при других заболеваниях, усиливающих работу щитовидной железы, иод скапливается в ней быстрее. Его максимальное количество можно обнаружить уже через несколько часов после введения. При угнетении деятельности щитовидной железы максимальное накопление иода происходит через несколько суток. Нарушение работы щитовидной железы происходит и при ряде других заболеваний, например при гипертонической болезни, заболевании сердца, туберкулезе легких. В этих случаях работа щитовидной железы замедляется. При заболевании кожи, наоборот, работа щитовидной железы убыстряется. При выздоровлении работа щитовидной железы становится нормальной и нормально происходит накопление в ней иода. Таким образом, радиоактивный иод помогает определить болезнь и в ходе ее лечения контролировать выздоровление.

Рис. 29. Регистрация накопления радиоактивного изотопа иода в щитовидной железе

При определении болезней крови большую помощь может оказать радиоактивный фосфор. Если взять кровь и прибавить раствор соли фосфорной кислоты, содержащей радиоактивный фосфор, то уже через час он в значительных количествах скапливается в эритроцитах крови. Отделив эритроциты от жидкой части крови, можно с помощью счетчика определить в них количество радиоактивного фосфора. У здоровых людей количество фосфора, включающееся в эритроциты, равно 18–20%, а у больных оно изменяется. При сердечных заболеваниях оно становится не более 10%, при туберкулезе легких около 13% и т. д.

Наряду с радиоактивным иодом и фосфором для установления заболеваний применяют радиоактивный изотоп натрия. Он употребляется для распознавания болезней, при которых изменяется скорость кровообращения, например при заболеваниях сердца, гипертонии, при ревматизме. В этих случаях радиоактивный натрий вводится в кровь и, как это описано выше, определяется скорость движения крови с помощью счетчика.

Но с помощью радиоактивного натрия не только можно определить скорость движения крови, но и отсутствие этого движения в кровеносных сосудах, обслуживающих те или иные органы или части органов тела. При отсутствии проходимости сосудов радиоактивный натрий не проникает в исследуемый участок тканей тела и счетчик регистрирует отсутствие радиоактивности в крови, взятой из этого участка ткани.

Известно, что при ряде заболеваний нарушается скорость обмена натрием между кровью и тканью. При подкожном впрыскивании радиоактивного натрия скорость его перехода в кровяное русло легко найти, отбирая пробы крови и измеряя ее радиоактивность счетчиком. Используя этот метод по замедленному переходу радиоактивного натрия в кровяное русло, можно определить порок сердца, который нарушает процесс обмена натрия в организме.

Установление диагнозов с использованием радиоактивных изотопов, очевидно, будет расширяться все больше и больше по мере исследования влияния болезней на нарушение процессов обмена веществ в организме.

В помощь хирургам. Скопление иода в щитовидной железе дает возможность использовать это явление при хирургическом удалении больной щитовидной железы. Перед операцией больной выпивает раствор йодистого натрия, содержащего радиоактивный иод. Радиоактивный иод накапливается в щитовидной железе. Во время операции легко с помощью счетчика проверить, полностью ли удалена щитовидная железа.

Известно, что некоторые элементы преимущественно скопляются в опухолях. Этим можно воспользоваться для установления местоположения опухоли с помощью радиоактивных изотопов.

В организм вводят вещества, легко накапливающиеся в опухоли, которые содержат в своем составе радиоактивные атомы, обладающие гамма-излучением.

Спустя некоторое время с помощью счетчика можно легко определить местоположение опухоли по гамма-излучению радиоактивного изотопа, накопившегося в опухоли. Особенно важно точно определить положение опухоли в головном мозгу перед операцией, так как в этом случае при операции необходимо вскрывать череп.

В лаборатории. С помощью меченых атомов легко изучить проникновение в различные органы не только питательных веществ, но и лекарственных, что очень важно знать врачам. Особый интерес представляет изучение проникновения лекарственных веществ в те органы, в которые оно затруднено, например в спинномозговую жидкость.

Меченые атомы помогают разобраться и в причинах некоторых болезней. С их помощью установлено, например, что обмен атомов в организме при шоковом состоянии резко замедляется.

Меченые атомы помогли разобраться в природе заболеваний, связанных с недостатком витаминов. Было показано с помощью радиоактивного изотопа серы, что обновление белков в тканях и органах животных, страдающих недостатком витамина С и Д, замедлено; особенно замедлено обновление белков сердечной мышцы, почек и скелетных мышц.

В этом разделе не описано лечебное действие радиоактивных изотопов, основанное на применении их излучения, а этот вид использования радиоактивных изотопов в настоящее время играет важнейшую роль в медицине.

12. Техника работы с радиоактивными изотопами

Излучение радиоактивных изотопов поглощается веществами, сквозь которые оно проходит. При поглощении излучения происходит ионизация атомов и молекул. Поэтому альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское и другие виды излучения называют ионизирующими.

Количество излучения, поглощающегося в единице массы вещества, или точнее энергия излучения, поглощающаяся в единице массы вещества, называется дозой ионизирующего излучения. Дозы выражают в единицах, которые называют рентгенами. Рентген — это такая доза рентгеновских или гамма-лучей, которая, проходя сквозь слой воздуха при температуре 0° и давлении 760 миллиметров ртутного столба, создает в 1 куб. сантиметре воздуха 2 миллиарда пар ионов (1 электростатическую единицу положительных и столько же отрицательных ионов). На образование одной пары ионов затрачивается 33 электронвольта энергии, следовательно, поглощение энергии в 1 куб. сантиметре воздуха равно 0,11 эрга.

Для характеристики количества энергии, поглощаемой тканями тела человека, употребляют так называемый масс-рентген, т. е. количество энергии, поглощаемой 1 граммом ткани. Это количество энергии равно тому, которое поглощается 1 граммом воздуха, так как воздух имеет средний атомный вес такой же, как и ткани тела человека. Плотность тканей тела человека приблизительно в 770 раз больше плотности воздуха при 0° и 760-миллиметрах давления ртутного столба. Поэтому при поглощении в теле потока излучения, соответствующего в воздухе 1 рентгену, выделяется энергия, равная 83,8 эрга.

Если происходит поглощение другого вида ионизирующего излучения, например альфа- или бета-лучей, то их доза измеряется в физических эквивалентах рентгена. Физический эквивалент рентгена — это такое количество ионизирующего корпускулярного (состоящего из частиц) излучения, которое соответствует поглощению в 1 грамме воздуха энергии, равной 83,8 эрга.

Доза прямо пропорциональна количеству излучающего вещества и времени действия излучения.

Количество, или активность, радиоактивных изотопов измеряют в единицах, называемых кюри. Кюри — это такое количество радиоактивного изотопа, в котором происходит 37 миллиардов распадов ядер атомов в секунду. Такое количество распадов происходит, например, в одном грамме радия 226, период полураспада которого равен 1590 лет. Единица кюри делится на тысячные доли — милликюри и миллионные доли — микрокюри. 1 миллиграмм радия на расстоянии 1 сантиметра в течение часа создает дозу, равную 8,3 рентгена, 1 милликюри кобальта 60 — дозу 13,3 рентгена. С увеличением расстояния интенсивность излучения, а следовательно, и доза уменьшаются. Если источник излучения точечный, то при увеличении расстояния вдвое доза уменьшается в четыре раза, при увеличении расстояния в три раза — в девять раз, при увеличении в 100 раз — в 10 000 раз, то есть уменьшение дозы происходит пропорционально увеличению квадрата расстояния.

Ионизирующее излучение при систематическом действии или при больших дозах может вредно действовать на живой организм. Вредное действие излучения связано с ионизацией атомов и молекул, входящих в состав клеток живой материи. В результате этого процесса появляются химически активные ионизированные «осколки» молекул — радикалы, которые способны к химическим реакциям, приводящим к гибели клетки живой ткани. Длительное воздействие ионизирующего излучения может вызвать лучевую болезнь.

Облучение может быть внешним, когда нет соприкосновения источника излучения с телом. Облучение может быть и контактным, возникающим при заражении кожи радиоактивными веществами или при попадании их внутрь организма. Внешнее облучение опасно только нейтронами и гамма-лучами, которые глубоко проникают в тело. Альфа-лучи затрагивают лишь верхний слой кожи, а бета-лучи проникают не более чем на несколько миллиметров в глубь тканей. Однако такое действие может вызвать местные поражения кожи. Местные поражения кожи наступают также при ее загрязнении радиоактивными веществами. Эти поражения приводят к воспалению кожи и образованию язв. Особенно подвержены таким поражениям слизистые оболочки глаз, носа и рта.

При попадании радиоактивных изотопов внутрь организма при заглатывании или вдыхании радиоактивные изотопы из желудка или легких проникают в кровь и далее накапливаются в различных органах тела. Радиоактивные изотопы кальция, стронция, бария, фосфора, плутония и ряда других элементов накапливаются в костях, иода — в щитовидной железе, лантана и церия — в печени и т. д. Это также приводит к местным поражениям отдельных органов или всего организма.

Поражения, вызываемые действием ионизирующего излучения, бывают острыми и хроническими. Острые поражения возникают в результате воздействия больших доз в короткие промежутки времени. Хронические поражения наступают в результате многократного воздействия малыми дозами.

При острых поражениях спустя несколько часов после облучения появляются тошнота, рвота, понос и сильная слабость. Затем недомогания исчезают, но по прошествии некоторого промежутка времени (от нескольких часов до трех недель) возобновляется острый период. Во время скрытого периода болезни происходит изменение состава крови. Далее во время последнего острого, или так называемого токсического периода болезни, кроме сильного нарушения пищеварения, происходит выпадение волос, кровотечения, кровоизлияния и еще больше меняется состав крови. Организм перестает сопротивляться инфекционным заболеваниям.

Хронические поражения развиваются в скрытой форме и связаны главным образом с изменением состава крови. Они вызывают болезни крови. При местном систематическом облучении возникают поражения кожи. Лучевая болезнь у различных людей развивается по-разному и зависит не только от особенностей организма, но и от его физической закалки.

Человек может переносить без вреда при однократном облучении значительные дозы ионизирующих излучений, измеряющиеся десятками рентгенов. Безвредными могут быть местные облучения еще бóльшими дозами. Это позволяет использовать излучение радиоактивных изотопов в медицине. При единовременных дозах порядка 100–200 рентгенов наступает лучевая болезнь в легкой форме. Дозы, превышающие 300 рентгенов, вызывают лучевую болезнь в тяжелой форме. Крайне тяжелые заболевания получаются при дозах свыше 500 рентгенов. Систематическое облучение организма даже сравнительно небольшими дозами ионизирующего излучения приводит к заболеваниям, поэтому работы с радиоактивными изотопами должны вестись с соблюдением особых условий и правил. Эти правила предусматривают, что еженедельное общее облучение не должно превышать 0,3 рентгена или ежедневное облучение всего организма должно быть не свыше 0,05 рентгена. Для отдельных частей тела допустимы более высокие дозы, например для рук при систематическом облучении — 1,5 рентгена в неделю.

Особенно опасным является попадание радиоактивных изотопов внутрь организма при вдыхании и заглатывании через легкие и рот. В этом случае, как уже говорилось, происходит накопление радиоактивных изотопов в определенных органах и тканях тела. Оставаясь длительное время в теле человека, радиоактивные изотопы производят систематическое облучение тела, в результате чего может наступить заболевание.

В связи с этим при работе с радиоактивными изотопами необходимо принимать меры против попадания радиоактивных веществ внутрь организма и на поверхность тела работающих, а также против облучения людей излучением радиоактивных изотопов.

Лаборатории для работы с радиоактивными изотопами должны иметь такие полы, стены, потолки и мебель, чтобы их было легко мыть. Пол покрывается линолеумом или метлахской плиткой[9], стены и двери окрашиваются масляной краской. Мебель делается из непористых материалов на ножках, деревянная — окрашивается масляной краской, рабочие поверхности столов и вытяжных шкафов покрываются линолеумом, пластмассой, гетинаксом[10], стеклом и тому подобными материалами. Помещения оборудуются хорошей приточно-вытяжной вентиляцией.

Если работа проводится с малыми количествами радиоактивных изотопов (меньше 0,05 милликюри бета-излучателей на рабочем месте), то основные мероприятия должны быть направлены на предупреждение попадания радиоактивных веществ на поверхность тела и внутрь организма. В защите от внешнего облучения необходимости нет. Если работа ведется с гамма-излучающими изотопами, то количеством, при котором нет необходимости в защите от внешнего облучения, является такое, которое соответствует по создаваемой дозе 0,05 миллиграмма радия. Однако, чтобы предохранить от облучения руки, все операции с радиоактивными веществами совершают с помощью ручных и механических манипуляторов — щипцов специального устройства (рис. 30а и 30б).

Рис. 30а. Ручные манипуляторы для работы с радиоактивными изотопами

Рис. 30б. Действие «механических рук»:

а — разъединение деталей; б — переливание жидкостей

При работе с большими количествами радиоактивных изотопов, помимо мер, направленных на предотвращение попадания радиоактивных веществ внутрь организма и на поверхность тела, необходима защита работающих от внешнего облучения.

Для защиты от бета-лучей применяют плексигласовые, а для защиты от гамма-лучей свинцовые экраны.

Чтобы предотвратить загрязнение поверхности тела радиоактивными веществами, пользуются специальной одеждой и всю работу проводят в резиновых перчатках. В случае наличия в атмосфере радиоактивных газов, паров, аэрозолей или пыли применяют при работе противогазы или защитные маски. На рис. 31 справа показан работник лаборатории в комбинезоне и плексигласовом изолирующем шлеме.

Рис. 31. Слева — комбинезон с трубой из пластмассы, пользуясь которой человек надевает комбинезон, через трубу поступает незараженный воздух; справа работник лаборатории в комбинезоне и защитном плексигласовом шлеме. В руках переносный батарейный радиометр

Если работы не связаны с попаданием радиоактивных веществ в атмосферу лаборатории, то они производятся на обычных столах для химических работ, но для предотвращения разливания растворов сосуды с растворами ставятся в эмалированные кюветы, кюветы из плексигласа, пластмассы, нержавеющей стали и т. п.

В случаях проведения работ, при которых возможно поступление радиоактивных изотопов в воздух рабочего помещения в виде газов, паров, аэрозолей или пыли, их производят в специальных вытяжных шкафах или закрытых камерах. Эти шкафы и камеры не только изолируют помещение от поступления радиоактивных веществ в атмосферу лаборатории и тем самым предохраняют работающих от попадания радиоактивных веществ в организм через легкие, но и предохраняют от загрязнения тела и от излучения радиоактивных изотопов. На рис. 32 изображен шкаф (камера) для работы с радиоактивными изотопами, испускающими только бета-лучи, а на рис. 33 — тяжелый свинцовый шкаф для работы с гамма-излучающими изотопами. Работа в этих шкафах осуществляется руками, которые вводятся внутрь шкафа через вмонтированные в специальные отверстия резиновые перчатки или с помощью вмонтированных в стенку механических манипуляторов. Вещества для работы вносятся внутрь шкафа через небольшие боковые камеры-шлюзы. Удаление воздуха из шкафов производится через фильтры, поглощающие радиоактивные вещества. В легком шкафу наблюдение осуществляется через переднюю плексигласовую стенку, а в тяжелом — через специальное свинцовое стекло, хорошо поглощающее гамма-лучи.

Рис. 32. Небольшой герметичный шкаф для работы с бета-излучающими изотопами

Рис. 33. Шкафы перчаточного типа из нержавеющей стали (а) и из свинца (б). Передвижные экраны для защиты от излучений (в) при работе с гамма-излучающими радиоактивными изотопами

Если приходится работать с очень большими количествами радиоактивных изотопов, измеряемыми десятками, сотнями и тысячами кюри, то все без исключения операции проводят в специально построенных для этой цели так называемых «горячих» камерах. Работу в «горячих» камерах совершают с помощью механических или электрических манипуляторов. Такие манипуляторы позволяют производить работу из соседнего помещения. Наблюдение за совершаемыми операциями проводятся с помощью оптической системы — перископа или через толстый слой прозрачного поглощающего материала (свинцовое стекло, растворы в воде солей тяжелых металлов, таких, как свинец).

Кроме использования при работе с радиоактивными изотопами специальной аппаратуры и одежды для безопасной работы, необходимо соблюдать ряд мер предосторожности. В рабочих помещениях необходимо соблюдать большую чистоту, не допускать скопления пыли и ежедневно производить влажную уборку помещений.

Загрязнения тела часто происходят от загрязненной спецодежды и рук. В связи с этим необходимо тщательно следить за чистотой халатов и комбинезонов, еженедельно производя их стирку. Несмотря на то что работа с радиоактивными изотопами ведется в резиновых перчатках, после работы, перед едой и курением необходимо тщательно мыть руки. В случае обнаружения загрязнения тела необходимо принять душ.

Организация работы лабораторий также должна служить к предотвращению случаев внешнего и внутреннего облучения работающих.

Для этой цели хранение радиоактивных изотопов осуществляется в специально отведенных помещениях в сейфах, поглощающих излучение. Переноска изотопов проводится в контейнерах (рис. 34), обеспечивающих не только защиту от излучения, но и предохраняющих изотопы от возможного разливания и рассыпания. Изотопы в контейнерах ставятся в других сосудах. Для предотвращения загрязнения канализационной системы отходы радиоактивных изотопов собираются в специальные сосуды и хранятся до полного распада. В случае долгоживущих изотопов их отходы собираются в специальные могильники.

Рис. 34. Контейнеры для перевозки и хранения радиоактивных изотопов

Контроль за работой с радиоактивными изотопами осуществляется самими работающими и службой контроля и дозиметрии, которая должна организовываться в каждой лаборатории. Контроль заключается в систематическом наблюдении за чистотой рабочих помещений, за отсутствием радиоактивных загрязнений в помещениях для работы, на халатах и теле работающих, в особенности на руках. Кроме того, необходим контроль за правильностью хранения и удаления отходов радиоактивных изотопов.

Контроль осуществляется с помощью дозиметрических приборов. В зависимости от назначения дозиметрические приборы делятся на четыре группы: индикаторы, дозиметры, радиометры, рентгенометры.

Индикаторы радиоактивности предназначаются для обнаружения мест, зараженных радиоактивными изотопами, для сигнализации о недопустимых уровнях радиации в воздухе, на поверхности пола, столов, на местности, на спецодежде и теле.

Дозиметры применяются для измерения суммарной дозы радиации. На рис. 35 показана схема карманного дозиметра, выполненного в виде авторучки. Этот дозиметр употребляется для определения дозы излучения, которую получает человек, носящий дозиметр, за все время пребывания в зоне излучения. Такой дозиметр носится в кармане. Он состоит из миниатюрной ионизационной камеры, электроскопа и микроскопа. На внутренний электрод электроскопа подается от специального зарядного устройства постоянное напряжение. При этом подвижной лепесток электроскопа, прикрепленный к электроду, отходит от последнего. Заряд, находящийся на электроде и лепестке, постепенно переносится ионизированным воздухом на корпус дозиметра. Сила отталкивания кварцевого, покрытого платиной лепестка от электрода уменьшается, и благодаря упругой силе лепесток приближается к электроду. Местоположение лепестка определяется через микроскоп глазом по шкале, находящейся внутри микроскопа. Шкала отградуирована так, что дозиметр непосредственно показывает количество миллирентгенов. Прибор позволяет измерять дозы рентгеновых и гамма-лучей от 0 до 200 миллирентгенов.

Рис. 35. Принципиальная схема карманного дозиметра:

1 — окуляр; 2 — объектив; 3 — зарядная мембрана; 4 — внутренний электрод; 5 — корпус; 6 — шкала; 7 — электроскоп; 8 — изолятор

Рентгенометры предназначаются для определения мощности дозы. Мощность дозы — это доза в единицу времени. Поэтому шкала показывающего стрелочного прибора рентгенометров градуируется в рентгенах в час или микрорентгенах в секунду. Рентгенометр состоит из ионизационной камеры, усилителя ионизационного тока, регистрирующего электроизмерительного прибора и источника питания для усилителя и ионизационной камеры. Действие рентгенометра основано на регистрации с помощью микроамперметра ионизационного тока, возникающего в ионизационной камере под действием излучения, после его усиления. Величина ионизационного тока колеблется в пределах порядка 10-7–10-11 ампера, а обычные микроамперметры позволяют измерять токи не менее 1 микроампера. Рентгенометры бывают полевые — батарейные, в которых питание усилителя и ионизационной камеры осуществляется от батарей, сухих элементов, и лабораторные — сетевые с питанием от электрической сети переменного тока через выпрямитель тока. На рис. 36 приведен внешний вид лабораторного сетевого, а на рис. 37 — полевого батарейного рентгенометра. Последний представляет из себя один блок в металлическом кожухе. На верхней панели прибора размещены регистрирующий прибор и ручки управления. Внутри кожуха на передней панели крепится ионизационная камера и в отдельном отсеке размещаются источники питания — батареи сухих элементов. Усилитель тока и другие элементы радиотехнической схемы радиометра очень чувствительны к влаге и поэтому монтируются в отдельном герметизированном отсеке. Для измерения уровня бета-радиации в дне кожуха имеется отверстие. Гамма-излучение проникает в ионизационную камеру прямо через кожух прибора.

Рис. 36. Лабораторный сетевой рентгенометр

Рис. 37. Общий вид полевого батарейного рентгенометра

Радиометры предназначаются для определения степени зараженности воздуха, воды, поверхностей земли, пола, лабораторной мебели, одежды и тела радиоактивными изотопами.

Радиометр представляет собой прибор, состоящий из приемника излучений, в качестве которого используется газовый счетчик, усилителя импульсов тока, питающего устройства и регистрирующего прибора. В качестве регистрирующих приборов используют электромеханический счетчик импульсов тока или стрелочный прибор, проградуированный в импульсах тока в минуту.

Радиометры, так же как и рентгенометры, бывают сетевые — лабораторные и полевые — батарейные. В первых питание газового счетчика и усилителя тока осуществляется от электрической сети переменного тока, а во вторых — от батареи сухих элементов. Многие радиометры имеют наушники, позволяющие определять на слух интенсивность излучения. На рис. 38 представлен лабораторный сетевой радиометр, а на рис. 39 — полевой радиометр. В последнем счетчик вмонтирован в так называемый зонд. Зонд представляет собою дюралюминиевую трубку диаметром 26 мм, оканчивающуюся поворотной головкой, в которой крепится счетчик. В стволе зонда расположена радиосхема. Зонд радиометра герметичен и допускает его погружение в воду на 200 мм и работу с прибором под дождем.

Рис. 38. Лабораторный сетевой радиометр

Рис. 39. Слева — внешний вид полевого батарейного радиометра. Справа — положение радиометра при измерении

Головка зонда может быть поставлена в два положения — прямо и под углом 120°. Головка зонда имеет оболочку, которая может быть поставлена в три положения: счетчик закрыт алюминиевым кожухом — измеряется только гамма-излучение, бета-лучи поглощаются оболочкой; счетчик открыт — измеряются бета- и гамма-излучения вместе (рис. 39); доступ к счетчику для бета-лучей открыт в виде щели; в этом случае также измеряются бета- и гамма-излучения, но при этом значительная часть бета-лучей поглощается оболочкой. Это положение необходимо в случаях очень интенсивного бета-излучения. Внутри зонда проходит электрошнур, соединяющий газовый счетчик с регистрирующим и питающим устройствами, смонтированными в одной коробке. Внутри коробки расположены питающие батареи и усилительное устройство. Снаружи под крышкой вмонтирован регистрирующий прибор — микроамперметр, шкала которого проградуирована для бета-излучения в распадах в минуту с квадратного сантиметра поверхности, а для гамма-лучей — в миллирентгенах в час. Некоторые образцы приборов позволяют регистрировать от 50 до 90 000 распадов с 1 кв. сантиметра в минуту по бета-лучам, от 0,02 до 30 миллирентгенов в час по гамма-лучам. Ручки управления и регулировки прибора также находятся на передней панели под крышкой. Параллельно с показывающим прибором к усилителю подключены телефонные наушники. На крышке прибора с внутренней стороны указаны правила обращения с прибором и перевод показаний шкалы прибора в импульсы в минуту и миллирентгены в час. Радиометр может работать при колебаниях температуры от -40 до +50°C и при больших колебаниях влажности воздуха.

В СССР охрана здоровья работающих с радиоактивными изотопами является общегосударственным делом. Законодательным порядком установлены нормативы предельно допустимых уровней облучения и предельно допустимых концентраций содержания радиоактивных изотопов в воздухе и воде. Изданы обязательные правила для работ с радиоактивными изотопами. Нормирована продолжительность рабочего времени и отпусков. Организовано медицинское наблюдение за работающими и установлен государственный контроль за выполнением законодательства в данной области. Работа с радиоактивными изотопами при соблюдении правил безопасна.

V. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ КАК ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Излучение радиоактивных элементов в последние годы находит все более и более широкое применение в науке и технике. В этой главе мы рассмотрим применение излучения радиоактивных изотопов для дефектоскопии, в измерительных приборах и приборах контроля и автоматизации производственных процессов, для получения новых веществ в медицине, пищевой промышленности и ряде других важных отраслей науки и техники.

1. Излучение в технике

Гамма-дефектоскопия. Как заглянуть внутрь металлического предмета? Как найти в таком теле пустоты, трещины, пузырьки газа и т. д.?

Для просвечивания непрозрачных тел в технике и медицине до последнего времени применялись только лучи рентгена. Однако промышленные рентгеновские установки громоздки, их нельзя переносить с одного места на другое, они требуют источника электрического тока и они не дают возможности просвечивать металлы, толщина которых превышает 5 сантиметров. Вследствие этого на металлургических и машиностроительных предприятиях стали употреблять для просвечивания металлов радий, гамма-лучи которого проникают на большую глубину. Однако радий очень дорог. Поэтому в последнее время вместо него используют более дешевые искусственные радиоактивные изотопы. Наиболее пригодным оказался радиоактивный изотоп кобальта — кобальт 60. Он достаточно долговечен — за пять лет его количество убывает лишь наполовину, — и его легко получить, облучая металлический кобальт нейтронами в ядерном реакторе. Гамма-лучи кобальта 60 обладают большой проникающей способностью (до 30 сантиметров железа), так как их энергия велика и равна 1,3 Мэв. Мощные препараты радиоактивного кобальта можно получить в виде маленького шарика, палочки, пластинки или в любой другой форме. Просвечиванием можно выявить дефекты в металлах, трещины в деталях машин, раковины, пузырьки и неоднородности в отливах, равномерность и качество сварного шва и разрешить ряд других вопросов, используя радиографию.

При просвечивании гамма-лучами по одну сторону детали ставят источник излучения, а по другую — фотопленку. Гамма-лучи поглощаются материалом детали, но в местах, где находятся пустоты и трещины, они поглощаются меньше и, попадая на фотопленку, засвечивают ее неравномерно. При проявлении пленки в местах против трещин и пустот появляется почернение. На рис. 40 показан внешний вид отечественного аппарата для гамма-дефектоскопии ГУП-Со-50 и гаммаграфия дефектной детали, снятой при просвечивании гамма-лучами Со^60.

Рис. 40. Внешний вид гамма-дефектоскопа ГУП-Со-50. (В кружке показана гаммаграфия дефектной детали.)

Кроме кобальта 60, для просвечивания можно использовать и другие радиоактивные изотопы. Так, для просвечивания тонких деталей (до 10 миллиметров) применяют изотоп радиоактивного тулия — Tu^170, энергия гамма-лучей которого равна всего 0,084 Мэв, а более толстых (от 10 до 40 миллиметров) — радиоактивный изотоп иридия — Ir^192 с энергией гамма-лучей 0,6 Мэв или европия — Eu^155 (энергия гамма-лучей — 0,1 Мэв). Гамма-лучи Со^60 благодаря большой энергии проходят сквозь тонкие изделия, практически мало ослабляясь, в то время как гамма-лучи Ir^192 и Tu^170 заметно поглощаются такими изделиями. Благодаря этому наличие трещин и пустот в тонких изделиях при просвечивании мало сказывается на интенсивности потока гамма-лучей Со^60 и сильно сказывается на интенсивности потока гамма-лучей небольшой энергии. Следовательно, фотографическая эмульсия при действии гамма-лучами Со^60 будет засвечиваться равномерно, а гамма-лучами иридия и тулия неравномерно и против пустот будет более интенсивное засвечивание.

Из описанного ясно, что для различных по толщине и плотности деталей можно использовать различные изотопы, подбирая их по энергии гамма-лучей. Для дефектоскопии стараются использовать изотопы с большой продолжительностью жизни, подбирая их для различных целей по энергии гамма-лучей. Гамма-дефектоскопы не нуждаются в питании электрическим током и могут использоваться в полевых условиях.

Дефекты в деталях могут быть выявлены и с помощью счетчика и препарата, излучающего гамма-лучи, что видно из рис. 41. Интенсивность счета резко увеличивается, если в металле против счетчика находится трещина или пустота.

Рис. 41. Схема контроля изделия с помощью счетчика:

1 — радиоактивный препарат; 2 — счетчик; 3 — изделие; 4 и 5 — свинцовые блоки

Гамма-дефектоскопия становится на заводах нашей страны обязательным способом контроля производства.

В настоящее время в нашей промышленности работает большое количество установок для гамма-дефектоскопии.

Светосоставы постоянного действия. Радиоактивные изотопы также широко используются в промышленности для приготовления светосоставов постоянного действия. Смесь радия с сернистым цинком и некоторыми другими веществами светится в темноте зеленоватым светом. Этот свет знаком всем по свечению стрелок часов. Свечение происходит вследствие действия альфа-частиц, которые испускает радий, на сернистый цинк. Это свечение воспринимается глазом как спокойный ровный свет. Однако под микроскопом можно увидеть мириады отдельных вспышек. Вместо радия можно взять и другие радиоактивные элементы, излучающие альфа-частицы и имеющие достаточную продолжительность жизни. Такие светосоставы употребляются для покрытия указателей приборов, за которыми необходимо вести наблюдение в темноте, например в самолетах. Эти светосоставы могут действовать непрерывно в течение длительного времени.

Контроль выгорания огнеупоров. Контроль выгорания огнеупорной кладки, например, в доменной печи очень сложен. С помощью радиоактивных элементов этот контроль осуществить чрезвычайно просто. Если при постройке или ремонте доменной печи в огнеупорную кладку на разную глубину от внутренней поверхности запрессовать препараты радиоактивного изотопа кобальта, то их наличие в кладке легко проверить извне домны с помощью счетчика. По мере выгорания огнеупорной футеровки печи препараты радиоактивного кобальта постепенно, один за другим, попадают в чугун. При выгорании, следовательно, гамма-излучающие препараты кобальта 60 перестают обнаруживаться счетчиком на местах их запрессовок, что дает возможность определить глубину выгорания огнеупоров.

Снятие электростатических зарядов. В ряде производств благодаря трению одних частей машин о другие на изоляторах происходит накопление электрического заряда. Это явление возникает, например, на текстильных машинах при движении материи или ниток в машине. Накопление заряда может вызвать искру, а от нее может возникнуть пожар. В связи с этим встает необходимость снятия заряда во время работы машины. Это легко достигается применением радиоактивных элементов, излучение которых ионизирует воздух. В особенности сильно ионизируют воздух альфа-частицы, поэтому для целей снятия заряда употребляют альфа-излучающие препараты. Радиоактивный элемент помещается вблизи трущихся частей, и заряд постепенно стекает с машины через воздух, который становится проводником электрического тока. Это особенно важно при производстве фотопленки, на которой при сушке и перемотке возникает заряд и происходит искрение. Это искрение засвечивает пленку, на которой появляются полосы, подобные маленьким молниям. В присутствии альфа-излучающего препарата искрения не получается.

2. Приборы контроля в производстве

Излучение радиоактивных элементов используется в ряде приборов автоматического контроля в производстве.

Радиоактивные уровнемеры. Представьте себе металлический бак, в котором необходимо знать уровень жидкости. Поместим в такой бак поплавок, в котором закреплено небольшое количество радиоактивного элемента. Затем наполним бак до определенного уровня и закрепим над жидкостью счетчик Гейгера-Мюллера. Подсчитаем, сколько отсчетов дает счетчик в минуту при таком уровне воды. Опустим уровень на 10 сантиметров и снова измерим количество отсчетов счетчика в минуту; так как расстояние от поплавка до счетчика стало больше, то количество излучения, попадающего в счетчик, становится меньше, и он дает меньше отсчетов. Далее спустим уровень жидкости еще на 10 сантиметров и снова подсчитаем количество импульсов в минуту и так далее. После такой градуировки легко определить по количеству отсчетов (импульсов) в минуту уровень жидкости в баке. Можно счетчик соединить с прибором, который прямо будет показывать уровень жидкости в баке. Если счетчик соединить с системой автоматического устройства, которое соединяется с клапанами, впускающими жидкость в бак, то при повышении в баке уровня выше нормы счетчик выключает клапан притока жидкости.

Другая конструкция уровнемера использует явление поглощения излучения в слое жидкости. Такой уровнемер устроен следующим образом. На двух противоположных стенках резервуара располагают радиоактивный изотоп, служащий источником излучения, и прибор, регистрирующий излучение, ионизационную камеру или счетчик. Источник излучения и регистрирующий прибор могут одновременно перемещаться по вертикали вдоль стенок резервуара. Если на пути излучения находится жидкость, то излучение сильно поглощается и в регистрирующий прибор почти не попадает. В случае когда излучатель и прибор находятся над уровнем жидкости, излучение поглощается только стенками резервуара и большая часть его попадает в счетчик. Следовательно, передвигая прибор снизу вверх на границе поверхности жидкости, мы будем наблюдать резкое увеличение количества излучения, попадающего в прибор, т. е. легко обнаружим уровень жидкости. Если необходимо поддерживать уровень жидкости на определенной высоте, то радиоактивный препарат и приемник излучения закрепляются на указанном уровне и последний соединяется с автоматическим устройством, увеличивающим или уменьшающим приток и отток жидкости в резервуар при изменении потока излучения, попадающего в регистрирующий прибор. На рис. 42 приведена схема и внешний вид отечественного измерителя уровня жидкого хлора в баллоне.

Рис. 42. Измеритель уровня жидкости в баллоне. (В верхнем углу приведена схема.)

Уровнемеры такого типа, а также уровнемеры, работающие по другим схемам, но основанные на поглощении излучения радиоактивных изотопов, были сконструированы советскими инженерами для ряда производств: для нефтяной промышленности — с целью поддержания уровня нефтепродуктов в закрытых резервуарах, границы раздела, например керосин — вода и т. п., для пищевой промышленности — с целью контроля уровня пива в пивных танках, для металлургической промышленности — с целью определения уровня металла в вагранке, для парфюмерной промышленности — с целью контроля заполнения тюбиков парфюмерными изделиями, наконец для контроля уровня руды или угля в подземных бункерах при их добыче. Схема последнего уровнемера приведена на рис. 43.

Рис. 43. Схема установки уровнемера конструкции «Цветметавтоматика» на рукаве подземного бункера:

1 — источники γ-излучения Со60; 2 — приемники излучения; 3 — шнуры; 4 — измерительный блок; 5 — сигнализация

Радиоактивный плотномер. На принципе поглощения гамма-излучения радиоактивных изотопов основан и сконструированный советскими инженерами прибор для определения плотности жидкостей в трубопроводах. Источниками излучения служат кобальт 60 и цезий 137. Прибор действует по принципу уровнемера. По одну сторону трубопровода ставится регистрирую

щий излучение прибор, а по другую — источник излучения. Поглощение излучения пропорционально плотности жидкости в трубопроводе. Регистрирующий прибор градуируется так, что непосредственно показывает плотность жидкостей в граммах в кубическом сантиметре. Такого рода прибор применяется для непрерывного дистанционного измерения содержания грунта в пульпе землесосных снарядов (рис. 44).

Рис. 44. Внешний вид прибора для измерения содержания грунта в пульпе землесосных снарядов

На принципе изменения степени поглощения бета-лучей советскими инженерами сконструированы также приборы для контроля качества молока по его плотности и для измерения плотности огнеупоров.

Измерение плотности можно вести и с помощью прибора, основанного на рассеянии гамма-лучей.

В этом приборе, так же как и в предыдущем, имеется источник гамма-лучей — препарат радиоактивного изотопа и приемник излучения — ионизационная камера, которые расположены в свинцовой защите и ставятся по одну сторону сосуда, в котором производится измерение плотности жидкости, например в трубопроводе.

Гамма-лучи по узкому каналу из свинцового контейнера попадают внутрь трубы с жидкостью, где они рассеиваются. Рассеянные лучи снова проникают сквозь трубу и попадают в ионизационную камеру. С изменением плотности жидкости в трубе изменяется и степень рассеяния гамма-лучей, тем самым изменяется поток излучения, попадающего в ионизационную камеру. Ионизационная камера соединена с усилителем тока и регистрирующим прибором, проградуированным в единицах плотности.

Радиоактивный толщиномер. Теперь нетрудно представить себе прибор для измерения толщины каких-либо пластин — толщиномер. Схема его показана на рис. 45, 46. Гамма-лучи, проходя сквозь слой материала, частично поглощаются. Поглощение идет тем сильнее, чем толще материал. Количество гамма-лучей, проникших через преграду, регистрируют с помощью счетчика или ионизационной камеры. Прибор предварительно градуируют по тому же самому материалу с известной толщиной. Сначала между счетчиком и источником гамма-лучей ставят преграду в 1 миллиметр, затем в 2 миллиметра, в 4 миллиметра и т. д., отмечая каждый раз показание прибора. После этого ставят пластину с неизвестной толщиной и по показанию прибора находят ее толщину.

Рис. 45. Схема установки для контроля толщины холодного стального проката (а). Прибор для определения толщины оловянных покрытий (б)

Рис. 46. Схема измерителя толщины:

1 — поток излучения; 2 — объект измерения; 3 — ионизационная камера; 4 — прибор, показывающий толщину

Так как бета-лучи поглощаются значительно легче гамма-лучей, то для измерения толщины тонких пластин, фольги, бумаги и т. п. можно употреблять бета-излучатели.

Принцип поглощения излучения может быть использован для непрерывного контроля в производстве толщины изделий. Например, при применении гамма-лучей — проката или в случае использования бета-лучей — бумаги и металлической фольги.

Бесконечная металлическая лента бежит из-под валков машины. Радиоактивный «глаз» внимательно следит за качеством получающейся ленты, за ее толщиной. Этот «глаз» в виде радиоактивного элемента, излучающего бета- или гамма-лучи, помещается в форме полоски по одну сторону, а счетчик — по другую сторону бегущей ленты. Всякое утолщение ленты сказывается на работе счетчика, так как в ленте излучение поглощается тем в большей степени, чем толще лента. Если счетчик отрегулировать на определенную скорость счета при заданной толщине ленты и соединить с автоматом, связанным с валками, то всякое утолщение вызовет понижение скорости счета и заставит автомат уменьшить расстояние между валками. Наоборот, утоньшение ленты против нормы вызовет увеличение скорости счета, а автомат, связанный со счетчиком, раздвинет валки (рис. 47).

Рис. 47. Схема контроля толщины фольги, выходящей из вальцов, с помощью радиоактивного препарата и счетчика

Советскими инженерами сконструировано в настоящее время большое количество приборов контроля толщины, основанных на поглощении излучения радиоактивных изотопов. Такие приборы созданы для контроля толщины проката, фольги, бумаги, кожи, резины, ткани и т. п.

На принципе поглощения бета-излучения церия 144 был сконструирован прибор для контроля качества меха, с помощью которого можно осуществлять непрерывный бесконтактный контроль густоты меха. В этом приборе радиоактивный препарат находится в контейнере с отверстием, из которого идет узкий пучок бета-лучей. На пути бета-лучей проходит шкурка с мехом. Поток излучения попадает в ионизационную камеру и создает в ней ионизационный ток, который усиливается линейным усилителем и регистрируется гальванометром.

Используя принцип поглощения бета-лучей в материалах, советским инженерам удалось также сконструировать прибор автоматической регулировки хлопкотрепальных машин. Прибор состоит из источника излучения (стронций 90) и приемника излучения — ионизационной камеры, которые располагаются по разные стороны хлопкового холста. Толщина нитки, выходящей из машины, зависит от толщины холста, поступающего в машину. Если толщина холста выше или ниже нормы, то излучение стронция 90 начинает поглощаться соответственно сильнее или слабее и ток в ионизационной камере ослабляется или усиливается. Изменение тока в камере передается на барабан, протягивающий хлопковый холст, и изменяет число оборотов так, что скорость поступления хлопка остается все время постоянной.

Дозирующие устройства. Поглощение бета- и гамма-излучения радиоактивных изотопов в веществе может быть использовано для дозировки заполнения различного рода устройств в производстве. Принцип действия такого рода устройств ясен из рис. 48. Как только уровень угля или руды отделяет поток гамма-лучей от приемника (счетчика или ионизационной камеры), срабатывает реле и приводится в действие механизм, отсекающий дальнейшее поступление материала. Подобное устройство может быть использовано для контроля заполнения вагонеток и т. п.

Рис. 48. Схема с применением γ-реле в дозирующем устройстве

Использование рассеяния гамма-лучей. На принципе рассеяния гамма-лучей сконструирован прибор для определения внутренней коррозии труб.

Как же заглянуть внутрь металлической трубы какого-либо трубопровода, не нарушая ее цельности, и узнать ее состояние? Не проржавела ли такая труба и не грозит ли аварией? Для этой цели можно употребить специальный прибор. Он состоит из двух камер, изолированных друг от друга свинцом. В первой камере помещен радиоактивный препарат, излучающий гамма-лучи, а во второй — счетчик. Гамма-лучи от препарата через диафрагмы узким пучком направляются на трубу, проникают в нее и рассеиваются. Часть гамма-лучей отражается и попадает в счетчик. В том месте трубы, где цельность металла не нарушена коррозией, пустотами и трещинами, отражение определяется строго известным числом импульсов счетчика, а в случае разрушения трубы коррозией счет повышается и тем больше, чем больше разрушение, так как излучение проникает внутрь трубы с меньшим поглощением.

Использование рассеяния бета-лучей. Ряд приборов, в которых используется излучение радиоактивных изотопов, построен на принципе рассеяния бета-излучения.

Известно, что если на данное вещество падает поток бета-лучей, то часть их рассеивается так, что вещество становится как бы источником излучения. Рассеивание бета-лучей различными элементами не одинаково. Чем больше атомный вес рассеивающего элемента, тем больше отраженных бета-лучей. Степень отражения также зависит от толщины отражающего материала. Она возрастает с увеличением толщины до тех пор, пока не достигнет максимальной для данного элемента величины. Используя этот принцип, можно производить анализ материала, из которого выполнен отражатель; например, можно определить процентное содержание какого-либо тяжелого металла в сплаве с легким металлом. На этом принципе советскими инженерами сконструирован прибор для определения толщины оловянных покрытий жести (рис. 49). Прибор представляет ионизационную камеру в свинцовой защите, внизу которой расположен бета-излучающий радиоактивный препарат (таллий 204). Препарат находится в свинцовой ампуле, которая направляет поток излучения вне камеры. В камеру излучение попадает, претерпевая обратное рассеяние в слое олова и жести. Железо жести практически производит лишь небольшой эффект рассеяния, а олово рассеивает бета-лучи в соответствии с толщиной покрытия, что и контролируется регистрирующим прибором, соединенным с ионизационной камерой.

Рис. 49. Схема прибора для измерения толщины металлических покрытий, построенного на принципе рассеяния бета-лучей

Радиоактивный измеритель площади. Трудно быстро найти площадь сложной фигуры. Однако, используя радиоактивные элементы, удалось сконструировать прибор для измерения таких площадей. Он позволяет в течение долей минуты измерить площадь самой сложной фигуры. Для измерения нужная фигура вырезается из бумаги и кладется в прибор на сетку, находящуюся между источником излучения альфа-частиц и ионизационной камерой. Ионизационная камера соединена со стрелочным прибором, проградуированным так, что в отсутствие препятствия между альфа-излучателем и ионизационной камерой стрелка стоит на нуле, при полностью закрытой сетке — на делении шкалы, соответствующем площади сетки в квадратных сантиметрах. Если на сетке находится фигура из бумаги, то она препятствует прохождению части альфа-лучей в ионизационную камеру и стрелка показывает то число делений, которое составляет площадь бумаги, положенной на сетку (рис. 50).

Рис. 50. Схема прибора для измерения площадей:

1 — радиоактивный препарат; 2 — измеряемый предмет; 3 — ионизационная камера

Весы с радиоактивным препаратом. Весы — это тончайший инструмент, без которого трудно себе представить современную химическую и физическую лабораторию. От их точности и чувствительности зависит в значительной мере результат многих опытов. Люди сконструировали много различных типов весов. Одним из них являются весы, в которых чувствительность повышается с помощью излучения радиоактивных элементов в 100 раз. На коромысле весов закрепляется радиоактивный препарат, а против него устанавливается счетчик. При равновесии счетчик регистрирует определенное число импульсов. Нарушение равновесия вызывает понижение счета импульсов, что видно по специально устроенному прибору, с помощью которого и можно установить равновесие.

Манометр с альфа-излучающим препаратом. Советскими инженерами сконструирован манометр, с помощью которого можно измерять малые давления газов и паров в области от 1 микрона[11] до 10 миллиметров ртутного столба. Манометр основан на явлении ионизации газов альфа-лучами радиоактивного препарата, в качестве которого могут быть использованы долгоживущие радиоактивные изотопы, испускающие альфа-лучи.

Число ионов, которое образует альфа-частица при движении в газе на сантиметре пути, зависит от давления газа, через который она двигается. Оно тем больше, чем больше давление газа. Одной из основных частей манометра является небольшой стеклянный баллон, содержащий альфа-излучатель. Баллон присоединен к прибору, в котором производится измерение давления. Газ, находящийся в приборе, заполняет баллон. Ионы, образуемые в баллоне альфа-излучателем, создают ионный ток, который усиливается специальным радиотехническим прибором и регистрируется стрелочным прибором (миллиамперметром), проградуированным в единицах давления — миллиметрах ртутного столба.

Тахометр, использующий радиоактивное излучение. Радиоактивные изотопы позволяют сконструировать безинерционный счетчик оборотов — тахометр. На вращающийся объект (колесо, ось, вал) в определенном месте наносится радиоактивный изотоп, обладающий гамма-излучением.

На некотором расстоянии от него устанавливается счетчик, который закрыт от излучателя на всем пути его движения, кроме определенного положения, соответствующего каждому обороту объекта вращения. При прохождении излучателем положения, в котором излучение может действовать на счетчик, последний регистрирует группу импульсов тока. Таким образом, каждому обороту объекта вращения соответствует группа импульсов, которая передается на специальный счетчик оборотов (рис. 51).

Рис. 51. Схема прибора для счета числа оборотов:

1 — вращающаяся деталь; 2 — радиоактивный препарат; 3 — счетчик; 4 — регистрирующий прибор; 5 — защитная стенка

Этот принцип советскими инженерами был положен в основу целого ряда приборов, употребляемых для безинерционного счета предметов в производстве, например для счета бутылок на конвейере, мясных туш на транспортере и т. п.

Интересным вариантом подобного рода устройства является прибор для определения расхода газов и жидкостей. В трубопроводе ставится вертушка, число оборотов которой определяет расход газа или жидкости. На одной из лопастей вертушки крепится радиоактивный препарат. Каждый оборот вертушки заставляет срабатывать счетчик, который при этом попадает в зону действия излучения радиоактивного изотопа.

Электрические атомные батареи. С помощью действия излучения радиоактивных изотопов можно построить маломощные источники электрического тока. Электрическая батарея включает в себя, например, радиоактивный изотоп (прометий 147), излучение которого действует на фосфоресцирующее вещество. Световые кванты, получающиеся в фосфоресцирующем веществе, воспринимаются фотоэлементами, которые превращают световую энергию в электрическую. Батареи, построенные на этом принципе, могут быть размером с таблетку от кашля и могут обеспечить, например, бесперебойный и точный ход электрических часов без завода в течение 5 лет.

Радиодетали с радиоактивными изотопами. Радиолампы являются составной частью каждой радиосхемы. Большое значение в настоящее время приобрела радиолокация. Радиолокационная станция имеет большое количество радиоламп. Для таких станций, в частности, необходимы газоразрядные лампы с очень малым временем зажигания. Для уменьшения времени зажигания внутрь ламп вводят небольшие количества радиоактивного кобальта, который ионизирующим действием излучения резко уменьшает время зажигания лампы.

Радиотехника нуждается также в устойчивых больших сопротивлениях, которые могут быть изготовлены с помощью радиоактивных элементов. Такие сопротивления представляют собой стеклянную трубку, на концах которой имеются впаи. Трубка наполнена воздухом и содержит радиоактивный препарат. Благодаря ионизации воздух в трубке становится проводником тока, но сопротивление его велико.

3. Использование радиоактивного излучения в медицине

На заре открытия радиоактивности было обнаружено, что излучение радия может вызвать тяжелые, долго не заживающие поражения тканей тела, подобные ожогу. В последующие годы удалось установить, что оно особенно сильно влияет на ткани, пораженные раковой опухолью. Иглы с препаратами радия или радона стали вводить в раковую опухоль и в ряде случаев удавалось достигнуть излечивания от этой тяжелой болезни. Лучи радия действуют подобно лучам рентгена, но с помощью радия легче провести облучение небольшого участка тела, так как радий занимает небольшой объем и его излучение может быть направлено узким пучком на объект облучения, если радий помещен в свинцовый сосуд с отверстием.

С открытием искусственной радиоактивности появилась возможность замены радия радиоактивными изотопами других элементов.

Особенно широкое применение получил радиоактивный изотоп кобальт 60. Сейчас сконструированы и употребляются в медицинской практике специальные кобальтовые установки. С помощью этих установок производят облучение опухолей — лечение рака. Установка дает узкий пучок гамма-лучей, который может быть направлен только в определенное место. На рис. 52 показано облучение гамма-лучами кобальта 60 опухоли головного мозга с помощью отечественной установки.

Рис. 52. Облучение гамма-лучами кобальта в лечебных целях

Облучение может проводиться не только с помощью кобальтовой установки, а путем введения препаратов в организм.

Известно, что различные вещества, попадая в организм, скапливаются в различных частях и тканях тела. Зная, в каких частях тела и какие элементы скапливаются, можно производить местное облучение тех или иных органов тела, вводя соответствующие вещества, в составе которых находится радиоактивный изотоп, в желудок вместе с пищей или в кровь. Например, при лечении некоторых заболеваний щитовидной железы вместо рентгеновских лучей применяют радиоактивный иод. При раке печени — коллоидное золото, которое вводят в вену, несущую кровь в печень или в другие кровеносные сосуды при опухолях других органов.

Радиоактивный изотоп фосфора скопляется в костях. Благодаря этому происходит местное облучение костного мозга, в котором расположены кроветворные органы. В определенных дозах излучение способствует снижению количества эритроцитов и лейкоцитов в крови и тем самым излечению лиц с заболеваниями крови.

Облучение больной кожи бета-лучами радиоактивного изотопа фосфора 32 приводит к вылечиванию родимых пятен, экзем, нейродермитов, опухолей век и других подобных заболеваний. Для лечения на больное место прикладывается кусок материи, смоченной радиоактивным фосфором. Между кожей и материей прокладывается целлофан, и все это приклеивается к коже пластырем. Препарат на коже выдерживается в течение длительного времени (несколько дней).

Радиоактивный изотоп тулия — тулий 170 испускает мягкие гамма-лучи, подобные лучам Рентгена. Он используется в портативных (весом в несколько килограммов) установках для медицинского просвечивания и может употребляться в условиях экспедиций и в отдаленных сельских районах, не имеющих электроэнергии. С помощью тулиевой установки легче производить просвечивание труднодоступных участков тела.

Лечебные грязи, радоновые ванны, радиоактивные источники принесли облегчение тысячам больных. Действие природных радиоактивных вод и грязей основано на влиянии излучения на организм. Русские ученые положили много сил на исследование радиоактивных источников. Профессор В. И. Баранов предложил использовать искусственно приготовленные радоновые ванны, которые стали заменять природные радиоактивные воды.

Перспективы использования излучения радиоактивных элементов в медицине велики и разнообразны.

4. Использование радиоактивного излучения в сельском хозяйстве и пищевой промышленности

Под действием излучения радиоактивных элементов может происходить специальная обработка сельскохозяйственных животных.

Такая стерилизация может также применяться для обезвреживания вредителей сельского хозяйства на полях или в местах хранения зерна (в элеваторах), где сравнительно небольшое облучение ликвидирует размножение таких вредителей.

Далее облучение овощей, например картофеля, предохраняет его от прорастания. Благодаря этому гамма-лучи могут найти широкое применение в местах хранения овощей.

Облучение растений гамма-лучами может быть использовано в цветоводстве при выведении новых сортов растений. Таким образом, удается получить сорта растений, устойчивых по отношению к тем или иным заболеваниям.

Длительное облучение небольшими дозами гамма-лучей вызывает изменения урожайности различных культур. Изменение урожайности происходит и при облучении семян как перед посевом, так и во время прорастания. Предполевая обработка семян свеклы раствором радиоактивного фосфора может повысить ее урожайность на 17%, а кукурузы — на 4–9%.

Излучение радиоактивных изотопов действует не только на людей, животных и растения, но оно способно убивать бактерии. Правда, доза облучения, которая необходима для полного уничтожения бактерий, очень велика, она больше той, которая смертельна для человека. Однако для уничтожения основной массы (более 99%) бактерий достаточно относительно небольшой дозы.

Это свойство излучения позволяет использовать радиоактивные изотопы для предохранения продуктов питания от порчи. Продукты, подвергнутые облучению гамма-лучами, могут сохраняться длительное время. Холодная лучевая пастеризация гораздо удобнее применяющейся в настоящее время тепловой обработки и надежнее ее. При ней продукты меньше подвергаются изменениям и не теряют многих своих свойств.

Лучевой стерилизации можно подвергать не только продукты питания, но и лекарственные вещества, например антибиотики, витамины, медицинские препараты и материалы.

Радиоактивное излучение способно изменять деятельность микроорганизмов, оно затормаживает одни функции организма, вызывает повышенную деятельность организма в другом направлении. Такие изменения могут быть наследственными, и благодаря этому появится возможность выведения новых культур с новыми свойствами. Удалось, например, в результате облучения получить культуры микроскопического гриба пенициллинум, который образует в сотни раз больше пенициллина, чем природная культура. Дрожжи, подвергнутые облучению, так же вырабатывают значительно больше ценных веществ.

Применение излучения радиоактивных изотопов в сельском хозяйстве и пищевой промышленности очень обширно и не исчерпывается приведенными примерами.

Ученые различных стран в настоящее время широко изучают действие излучения на организм людей и животных.

5. Геологическая разведка, основанная на рассеянии излучения

В главе IV «Меченые атомы» уже было рассказано о разведке залежей радиоактивных руд по их излучению, о поисках полезных ископаемых по наведенной с помощью источника нейтронов радиоактивности и о применении растворов радиоактивных веществ при бурении нефтяных скважин. Однако поиски полезных ископаемых могут вестись и по рассеянию гамма-лучей и нейтронов.

Различные породы по-разному рассеивают гамма-лучи. Особенно сильное их рассеяние происходит в угольных пластах. Поэтому при спускании в буровую скважину источника гамма-лучей, например кобальта 60 и изолированной от него с помощью свинца ионизационной камеры или счетчика, которые регистрируют гамма-излучение, рассеиваемое породами, в угольных пластах происходит резкое повышение регистрируемой активности.

Аналогичные результаты дает измерение излучения, которое регистрируется при спускании в скважину полоний-бериллиевого источника нейтронов и изолированного от его излучения счетчика медленных нейтронов. Полоний-бериллиевый источник нейтронов испускает быстрые (с энергией 8 мегаэлектрон-вольт) нейтроны. Счетчик регистрирует отраженные нейтроны, замедленные в породах.

Представьте себе, что движущийся биллиардный шар стукнулся о неподвижно стоящий крокетный шар. Что произойдет? Большой крокетный шар пошевелится, а биллиардный отскочит от него. А что произойдет в том случае, если биллиардный шар столкнется с другим биллиардным? В этом случае первый замедлится, а второй начнет двигаться. Аналогичная картина происходит и с нейтронами.

Сталкиваясь с ядрами тяжелых элементов, нейтроны отскакивают, отражаются от них не замедляясь. Наталкиваясь же на равные им по массе атомы водорода, которые входят в состав нефти и воды, нейтроны замедляются и попадают в нейтронный счетчик. Таким образом, если скважина проходит через породу, в которой содержится вода или нефть, то число нейтронов, зарегистрированных счетчиком, резко возрастает (рис. 53).

Рис. 53. Поиски нефти нейтронным корротажем:

а — разрез скважины; 1 — источник нейтронов; 2 — счетчик нейтронов; 3 — защитный слой; 4 — регистрирующий прибор; б — график изменения активности по мере спускания источника в скважину

6. Химическое действие излучения

Под действием излучения радиоактивных элементов многие вещества претерпевают большие изменения, меняют свои свойства и состав. Одни из них разлагаются, другие, наоборот, полимеризуются (молекулы их соединяются). Вода, например, под действием излучения разлагается на водород и кислород. Большинство органических соединений разлагается с выделением водорода, углекислого газа и окиси углерода. Некоторые вещества претерпевают такие превращения, в результате которых получаются пластические материалы. Под действием излучения меняются свойства известных нам веществ, например меняется пластичность каучука, некоторые пластмассы приобретают морозоустойчивость, звуконепроницаемость и т. п. В настоящее время предполагают, что нефть образовалась в природе в результате действия излучения природных радиоактивных элементов на органические кислоты.

Эти факты дают исследователям большие возможности по использованию излучения радиоактивных веществ в целях превращения веществ, создания способов получения новых материалов и изменения свойств старых. Химическое воздействие излучений на вещество дает возможность организации химического производства, где продукт получается под действием излучения.

Например, хлорирование бензола, толуола и ряда других соединений — весьма трудоемкий промышленный процесс, который легко идет под действием гамма-лучей. Таким путем в производстве может быть получен, например, гексахлоран — важное для сельского хозяйства вещество.

Еще более важным является возможность применения облучения гамма-лучами нефти вместо крекинга для увеличения в ней количества бензиновой фракции. Нефть содержит как легкокипящие легкие углеводороды (бензиновая фракция), так и низкокипящие тяжелые углеводороды (керосиновая фракция и соляровые масла). Наиболее ценными являются легкокипящие бензиновые фракции. При высокой температуре и давлении в нефти происходит распад более тяжелых молекул углеводородов на более легкие, и тем самым количество бензиновой фракции увеличивается. Гамма-лучи, подобно высокой температуре, производят превращения тяжелых углеводородов в легкие.

Пластические материалы в промышленности получаются путем полимеризации различных органических соединений. Этот процесс идет при высоких температурах и давлении, однако он может осуществляться под действием гамма-лучей при обычных условиях. Таким путем может быть получен важный пластический материал — полиэтилен.

Под действием гамма-лучей легко происходит окисление многих веществ. Парафины, например, окисляются с образованием жирных кислот, азот окисляется в окись азота, из которой легко получить азотную кислоту, кислород переходит в озон и т. п.

VI. ВОЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

Развитие военной техники за последнее десятилетие говорит о возможности использования в современной войне атомного оружия.

Атомным оружием называют оружие, поражающее действие которого основано на использовании атомной энергии.

В настоящее время известны два вида атомного оружия. Первый — основной вид — атомное оружие взрывного действия. Второй вид — боевые радиоактивные вещества.

Атомное оружие взрывного действия основано на использовании атомной энергии, мгновенно выделяющейся при цепной ядерной реакции взрывного характера.

Этот вид оружия предназначен для поражения живой силы, разрушения сооружений, уничтожения или повреждения техники.

Атомное оружие взрывного действия может применяться в виде атомных и водородных бомб, крупнокалиберных артиллерийских снарядов, торпед, ракет, самолетов-снарядов и других беспилотных средств с атомной боевой частью.

Принципиальная схема устройства, а также характер поражающего действия всех перечисленных видов атомного оружия взрывного действия одинаковы. Что же касается размеров зон поражения, то они зависят в основном от мощности взрыва, т. е. от калибра атомной боевой части.

Мощность атомного взрыва принято характеризовать тротиловым эквивалентом. Тротиловым эквивалентом атомного взрыва называется такой вес тротилового заряда, при взрыве которого выделяется энергия, равная энергии данного атомного взрыва.

Атомное оружие взрывного действия принято делить на малый, средний и крупный калибры.

Тротиловый эквивалент атомных бомб, снарядов малого калибра составляет несколько тысяч тонн тротила. Тротиловый заряд такого веса будет занимать объем куба, сторона которого будет равна высоте четырехэтажного дома.

Атомные бомбы среднего калибра имеют тротиловый эквивалент в несколько десятков тысяч тонн. Тротиловый эквивалент атомных бомб крупного калибра составляет сотни тысяч тонн.

Наиболее мощными являются водородные бомбы, тротиловый эквивалент которых составляет от нескольких миллионов тонн до десятков миллионов тонн.

Второй вид атомного оружия — боевые радиоактивные вещества — представляют собой специально приготовленные для боевого использования радиоактивные вещества. Боевые радиоактивные вещества (БРВ) могут применяться в виде порошков, жидкостей, дымосмесей. Ими снаряжаются авиационные бомбы, артиллерийские снаряды, ракеты. Они могут также применяться и непосредственно, например выливанием с самолета из специальных выливных приборов. Боевые радиоактивные вещества основаны на использовании вредного влияния радиоактивных излучений на живые организмы. БРВ предназначены для заражения местности, различных предметов и объектов, воздуха с целью поражения людей.

1. Атомная и водородная бомбы

Рассмотрим вначале схему устройства атомной бомбы. Заметим, что аналогичное устройство имеют снаряды, ракеты, торпеды и другие беспилотные средства с атомной боевой частью.

Атомная бомба (рис. 54) состоит из трех основных элементов: атомного заряда, взрывающего устройства и оболочки (корпуса).

Рис. 54. Принципиальная схема атомной бомбы

В качестве заряда в атомной бомбе может использоваться уран 233 или уран 235, или плутоний 239. Атомный заряд до момента взрыва в бомбе разделяется на несколько частей (рис. 54) — на две части, что объясняется следующим. Атомный взрыв (цепная ядерная реакция) может произойти лишь тогда, когда количество урана или плутония вполне определенно. Наименьшее количество урана или плутония, при котором происходит атомный взрыв, называют критической массой. Критическая масса зависит от формы заряда, материала оболочки, а также от конструкции бомбы.

Так как хранить атомный заряд в количестве, равном или превышающем критическую массу, нельзя (в нем произойдет атомный взрыв), то его содержат в бомбе разделенным на несколько частей. В момент взрыва эти отдельные части соединяются в одно целое. Для соединения отдельных частей заряда в одно целое (для создания критической массы) и служит взрывающее устройство, состоящее из механизма дистанционного или ударного действия, детонаторов взрывчатого вещества и заряда обычного взрывчатого вещества (ВВ). При взрыве обычного ВВ отдельные части атомного заряда и будут соединены в одну компактную массу — равную или больше критической. Для того чтобы в этой критической массе урана или плутония в определенный момент времени под действием нейтронов началась цепная реакция, в конструкцию бомбы может быть включен источник нейтронов (на рис. 54 — не показан). Вместе с этим, чтобы возвратить в зону цепной реакции нейтроны, вылетевшие за ее пределы, имеется отражатель нейтронов.

Очевидно, не все ядра атомов урана или плутония успевают прореагировать при атомном взрыве. Часть вещества атомного заряда под действием высоких температуры и давления испаряется и разлетается без высвобождения ядерной энергии. Чтобы увеличить количество делящихся ядер (увеличить мощность взрыва), делают прочную оболочку бомбы, задерживающую разбрасывание заряда и отражающую часть нейтронов в зону цепной реакции.

Перейдем теперь к рассмотрению схемы устройства водородной бомбы, то есть атомного оружия взрывного действия, основанного на использовании термоядерной реакции. Как отмечалось выше, реакция соединения легких ядер может протекать только при очень высоких температурах, измеряемых миллионами градусов. Такую температуру можно в наземных условиях получить, взрывая атомную бомбу. Вот почему водородная бомба в своем составе имеет атомный заряд, при взрыве которого и создаются необходимые условия.

Схему устройства водородной бомбы можно себе представить так, как это показано на рис. 55. Здесь в оболочке содержится водородный заряд, который может представлять собой смесь изотопов водорода — дейтерия и трития в виде дейтерида лития и трития. Смесь этих изотопов и может являться основным зарядом бомбы.Кроме него, в бомбе имеется атомный заряд из урана или плутония (атомная бомба), играющего роль детонатора (взрывателя) основного заряда.

Рис. 55. Принципиальная схема устройства водородной бомбы

При сбрасывании водородной бомбы на заданной высоте первоначально срабатывает атомная бомба, при взрыве которой начинает протекать термоядерная реакция, т. е. взрыв основного водородного заряда. Все это длится миллионные доли секунды.

2. Виды атомных взрывов

Взрыв атомной или водородной бомб, снарядов, мин, торпед и т. д. может происходить на различных высотах от поверхности земли или воды или под землей (под водой). Высота взрыва зависит от цели его применения. Различают следующие виды атомных взрывов (рис. 56): воздушный, наземный (надводный), подземный и подводный.

Рис. 56. Различные виды атомных взрывов

Воздушным атомным взрывом называют такой взрыв, который происходит в воздухе на высоте нескольких сот метров от поверхности земли или воды. В этом случае эпицентром воздушного взрыва принято называть точку на поверхности земли (воды), над которой произошел воздушный атомный взрыв.

Если же атомный взрыв происходит на поверхности земли или невысоко над землей (на высоте нескольких десятков метров), то такой взрыв называют наземным — в первом случае контактным, а во втором неконтактным наземным взрывом.

Подземным, так же как и подводным, называют взрыв, происходящий под землей или под водой.

Внешняя картина атомного взрыва своеобразна.

При воздушном атомном взрыве вначале наблюдается ослепительно яркая вспышка, которая видна на десятки километров. Сразу после вспышки образуется огненный шар, который быстро увеличивается в размерах и остывает. На месте огненного шара образуется клубящееся облако, быстро поднимающееся вверх. За этим клубящимся облаком с поверхности земли поднимается столб пыли, а облако атомного взрыва приобретает характерную грибовидную форму. Облако взрыва поднимается на очень большую высоту. Так, при взрыве бомбы среднего калибра оно поднимается на высоту 10 километров и более. Со временем это облако рассеивается, а клубы пыли в районе атомного взрыва удерживаются в воздухе (у поверхности земли) в течение 10–30 минут.

Внешняя картина наземного взрыва такая же, как и при воздушном. Только при наземном взрыве вначале образуется не огненный шар, а полушарие. Пыль, поднятая в районе атомного взрыва, удерживается в воздухе 10–30 минут (в зависимости от силы ветра), затрудняя наблюдение за полем боя. При наземном взрыве в облако втягивается большое количество пыли, поэтому, по сравнению с облаком воздушного взрыва, оно имеет более темную окраску.

Внешняя картина подземного взрыва зависит от его глубины. Если глубина взрыва мала, то внешняя картина его похожа на внешнюю картину при наземном взрыве.

Особенностью наземного и подземного атомных взрывов является образование воронки больших размеров и оплавление грунта.

Внешняя картина надводного атомного взрыва практически не отличается от наземного, только здесь вместо столба пыли образуется водяной столб. При подводном взрыве образуется столб воды цилиндрической формы. Высота этого столба достигает километра и более. Над столбом воды образуется облако, диаметр которого достигает нескольких километров. Через несколько секунд столб воды начинает разрушаться, что сопровождается образованием у его основания облака, состоящего из мелких капель (брызг). Вместе с этим на поверхности воды образуются волны, высота которых достигает 20–30 метров.

Атомный взрыв сопровождается также сильным и резким звуком, который слышен на несколько десятков километров.

3. Поражающие факторы атомного взрыва

Атомный взрыв обладает комбинированным воздействием четырех поражающих факторов: ударной волны, светового излучения, проникающей радиации и радиоактивным заражением местности.

Основным поражающим фактором атомного взрыва является ударная волна, которая представляет собой область сильного сжатия воздуха (воды), распространяющуюся во все стороны от центра взрыва с очень большой скоростью.

Ударная волна образуется в результате того, что нагретые газы, составляющие огненный шар, быстро расширяются, раздвигая окружающий воздух и сжимая его.

Передняя граница зоны сжатия называется фронтом ударной волны. Давление воздуха во фронте ударной волны вблизи центра взрыва достигает многих тысяч атмосфер, а по мере удаления от центра взрыва быстро падает.

Скорость распространения ударной волны большая. Так, например, она проходит первые 1000 метров от центра взрыва за 2 секунды, 2000 метров — за 5 секунд, 3000 метров — за 8 секунд (рис. 57).

Рис. 57. Скорость распространения ударной волны атомного взрыва

Скорость распространения ударной волны в воде еще бóльшая. Как показано на рис. 57, 1000 метров в воде ударная волна проходит за 0,6 секунды, 2000 метров — за 1,2 секунды, 3000 метров — за 2 секунды. За время распространения ударной волны на указанные расстояния (2–3 километра и более) человек, увидев вспышку атомного взрыва, может успеть занять какое-либо укрытие, находящееся в 2–3 шагах, или просто лечь на землю и уменьшить поражение ударной волной или избежать его вовсе.

Ударная волна атомного, как и обычного, взрыва может наносить поражения незащищенным людям, разрушать или повреждать сооружения или технику и имущество, находящиеся вне укрытия. Причем эти поражения и разрушения могут быть вызваны как прямым, так и косвенным действием ударной волны (т. е. летящими обломками зданий и других сооружений, комьями земли и пр.).

Степень поражения людей, разрушения и повреждения техники и сооружений зависит главным образом от удаления их от центра взрыва, а также от положения их в момент воздействия волны, характера местности, наличия укрытий и т. д.

Так, например, опасные для жизни травмы при воздушном атомном взрыве бомбы с тротиловым эквивалентом в 20 000 тонн незащищенный человек, находящийся на ровной местности, получит на удалении примерно 750 м от эпицентра взрыва. Более легкие повреждения в этом случае получаются на расстояниях, показанных на рис. 58.

Рис. 58. Радиусы поражения незащищенных людей при воздушном взрыве атомной бомбы среднего калибра

Вторым поражающим фактором атомного взрыва является световое излучение, источником которого является огненный шар. Световое излучение представляет собой поток световых лучей (подобных лучам солнца), излучаемых огненным шаром. Скорость распространения этих световых лучей очень большая — 300 000 километров в секунду, а время их воздействия на различные объекты — несколько секунд.

Световое излучение, так же как и ударная волна, с расстоянием от центра взрыва ослабевает. Особенно сильно поглощается свет в дождь, туман, снегопад или при наличии задымленности или запыленности объектов.

Хотя световое излучение и действует всего 2–3 секунды, оно способно вызывать у незащищенных людей ожоги открытых участков тела (обращенные в сторону взрыва), а иногда и ослепление; ожоги, вызываемые световым излучением атомного взрыва, не отличаются от ожогов огнем или кипятком.

Степень ожога зависит от расстояния до места взрыва и времени воздействия светового излучения на объект. Заметим, что на открытой местности незащищенные люди могут быть поражены световым излучением на бóльших расстояниях, чем ударной волной или проникающей радиацией (рис. 58).

Световое излучение вызывает также возгорание имущества, а на близких расстояниях возможно даже оплавление металла. Вот почему при атомном взрыве возможны пожары в степи, лесу, населенных пунктах. Нужно заметить, что любая непрозрачная преграда (стена, броня и пр.), а также затененные участки местности являются хорошей защитой от светового излучения.

Световое излучение при наземном взрыве воздействует на меньших расстояниях, чем при воздушном, и не имеет практического значения вовсе при подземном и подводном взрывах.

Проникающая радиация как поражающий фактор свойственна только атомному взрыву. При обычном взрыве, как известно, никаких радиоактивных излучений не наблюдается.

Проникающая радиация — это поток гамма-лучей и нейтронов, испускаемых при атомном взрыве. Подобно рентгеновским лучам, поток гамма-лучей и нейтронов обладает большой проникающей способностью. Поэтому этот поражающий фактор и называют проникающей радиацией.

Основным источником первой (основной) составляющей проникающей радиации — гамма-лучей — являются «осколки» деления ядер атомов урана или плутония, находящиеся в радиоактивном облаке. Эти «осколки» претерпевают последовательные радиоактивные распады и испускают наряду с бета-лучами гамма-лучи (рис. 59).

Рис. 59. Схема распада «осколков» деления

Время воздействия гамма-лучей составляет 10–15 секунд, то есть пока не распадется основное количество «осколков» и облако не поднимется на безопасную высоту. Как уже отмечалось, гамма-лучи обладают большой проникающей способностью. Однако при прохождении через различные вещества гамма-лучи ослабляются, при этом тем сильнее, чем плотнее вещество. Так, например, в воздухе гамма-лучи распространяются на сотни метров, а в таком плотном веществе, как свинец, всего лишь на несколько сантиметров. На рис. 60 показана толщина различных материалов, ослабляющих поток гамма-лучей в 10 раз.

Рис. 60. Толщины различных материалов, необходимые для снижения дозы гамма-лучей в 10 раз

Другая составляющая проникающей радиации — нейтроны. Источником нейтронов при атомном взрыве являются делящиеся ядра урана или плутония (рис. 59).

В отличие от гамма-лучей поток нейтронов при атомном взрыве действует в течение долей секунд, но так же, как и гамма-лучи, он распространяется в воздухе на большие расстояния.

Поток нейтронов, как и гамма-лучей, ослабляется при прохождении через различные вещества. В отличие от гамма-лучей нейтроны сильно ослабляются не плотными веществами, а веществами, состоящими из легких элементов (из водорода, углерода и др.); поэтому хорошей защитой от потока нейтронов являются влажные грунты, вода, асфальт, бетон и др.

Характерной особенностью потока нейтронов является их способность вызывать искусственную радиоактивность. Иначе говоря, под действием потока нейтронов нерадиоактивные вещества превращаются в радиоактивные (особенно алюминий и химические элементы, входящие в состав болотистых, песчаных, глинистых и солончаковых грунтов).

В отличие от ударной волны и светового излучения проникающая радиация является невидимым и неощущаемым непосредственно поражающим фактором. Кроме того, вредное воздействие ее сказывается лишь на живых организмах, которые при этом заболевают лучевой болезнью. Лучевая болезнь развивается постепенно и в зависимости от дозы облучения, полученной человеком, имеет различные степени. При очень больших дозах облучения (атомный взрыв на близких расстояниях, см. рис. 58) лучевая болезнь может вызвать очень тяжелое заболевание. С увеличением расстояния от места взрыва дозы радиации резко падают. Если же люди, например, находятся в различных укрытиях, то получаемые при этом дозы радиации вообще значительно уменьшаются. Так, люди, находящиеся в траншеях, при атомном взрыве получают дозу в 10–30 раз меньшую, чем вне укрытия; броня самоходных артиллерийских установок, танков также ослабляет дозу радиации в 10–15 раз.

Никакого вредного воздействия проникающая радиация не оказывает на различные предметы и технику, исключение составляет лишь стекло, которое при больших дозах темнеет (оптика биноклей, перископов, прицелов и др.), фотопластинки, фотобумага и фотопленка, которые засвечиваются даже при малых дозах (2–3 рентгена).

В заключение рассмотрим четвертый поражающий фактор — радиоактивное заражение.

Радиоактивное заражение воздуха и местности при атомном взрыве получается вследствие выпадания радиоактивных веществ из облака по пути его движения. Аналогичное заражение получается не только при атомном взрыве, но и при применении боевых радиоактивных веществ, которыми могут снаряжаться бомбы, снаряды и пр. (рис. 61).

Рис. 61. Схема устройства снаряда, снаряженного БРВ

Источником радиоактивных веществ при атомном взрыве являются делящиеся ядра урана или плутония (рис. 59). Образующиеся при этом «осколки» деления всегда являются радиоактивными. Кроме того, не успевшая прореагировать часть атомного заряда также оседает на землю, заражая ее. Наконец поток нейтронов при атомном взрыве вызывает наведенную радиоактивность в районе эпицентра взрыва.

Степень радиоактивной зараженности при атомном взрыве зависит в первую очередь от вида взрыва. Наибольшее заражение получается при подземном (подводном) взрыве, меньшее, но значительное — при наземном, и совсем незначительное — при воздушном, когда радиоактивные вещества уносятся облаком и, выпадая из него, рассеиваются на большой площади по пути движения облака.

Меньшее, но все же заметное влияние на степень радиоактивного заражения оказывают метеорологические условия, характер местности. Так, дождь, снегопад способствуют быстрому выпадению радиоактивных веществ из облака. Зараженность местности при этом увеличится, а воздуха уменьшится. Однако, если снегопад значительный, то вследствие того что поверх выпавших на местность радиоактивных веществ образуется защитный слой снега, интенсивность радиоактивных излучений несколько уменьшится. Радиоактивные вещества обладают характерной особенностью — они не имеют специфических цвета, запаха и других внешних признаков, которые свойственны многим боевым отравляющим веществам.

Поэтому обнаружить радиоактивные вещества можно только специальными приборами, которые называются дозиметрическими.

Степень заражения радиоактивными веществами зависит от многих факторов. Так, например, направление и сила ветра, растительный покров местности, шероховатые или влажные поверхности — все это оказывает заметное влияние на степень заражения, которую принято характеризовать мощностями доз гамма- и бета-излучения (уровнями радиации), измеряемых в рентгенах в час.

Радиоактивные вещества после выпадения на поверхность земли продолжают распадаться, а часть их сдувается ветром или проникает в почву. Поэтому со временем уровни радиации непрерывно уменьшаются. Так, если через полчаса после взрыва степень заражения местности принять за 100%, то через 3 суток она составит лишь 0,2%.

Радиоактивные вещества, попавшие на кожу, слизистые оболочки глаз, рта и носа и своевременно не удаленные, могут вызвать поражения людей и животных. Во всех этих случаях возможно появление язв и воспалений.

Особенно вредно попадание таких веществ внутрь организма. Если дополнительно к этому человек находился под воздействием больших доз радиации, то возможно заболевание лучевой болезнью.

Так же, как и проникающая радиация, радиоактивные вещества не оказывают никакого вредного воздействия на технику, предметы и пр. Но, чтобы избежать поражения при обращении с зараженными техникой и различными объектами, нужно удалять радиоактивные вещества с их поверхности. Для удаления могут применяться: слабые растворы кислот, бензин, керосин, спирт, щелочи и др.

Радиоактивное заражение в первую очередь определяется видом взрыва. Так, при воздушном атомном взрыве значительного радиоактивного заражения местности не происходит. Поэтому уже через несколько десятков минут в районе эпицентра войска могут действовать, не опасаясь поражения. Это объясняется тем, что при воздушном взрыве заражение в районе эпицентра получается лишь вследствие воздействия потока нейтронов, вызывающего искусственную радиоактивность почвы. Однако образовавшиеся при этом радиоактивные вещества в почве быстро распадаются, и сильное заражение наблюдается лишь непродолжительное время.

Наземный атомный взрыв отличается от воздушного тем, что заражение в этом случае получается значительное. Это объясняется тем, что большая часть радиоактивных продуктов, образовавшихся при взрыве, смешивается с грунтом и разбрасывается. Кроме того, частицы грунта увлекаются восходящими потоками воздуха в радиоактивное облако, перемешиваются там с радиоактивными веществами и далее выпадают из облака на землю в районе взрыва и по пути движения облака, оставляя на местности зараженную полосу (след).

Наибольшее заражение местности наблюдается при подземном и подводном атомных взрывах. В этом случае почти все образовавшиеся радиоактивные вещества оседают тут же. Если же взрыв был подводным, то радиоактивные вещества могут переноситься водой на значительные расстояния.

4. Боевые действия в условиях применения атомного оружия

Атомное оружие вносит ряд особенностей в организацию и ведение боевых действий. Это объясняется тем, что атомное оружие обладает большой поражающей способностью, повышает боевые возможности войск, в короткие сроки наносит противнику большие потери, оказывает на него сильное моральное воздействие. В районе атомного взрыва внешний вид местности сильно меняется. Различные местные предметы сгорают или разрушаются, грунт вспучивается или разрыхляется. Все это вызывает дополнительные трудности в передвижении, ориентировании на местности. Вот почему в этих условиях от солдата и сержанта требуется железная воинская дисциплина, отличная выучка, стойкость, инициатива, непреодолимая воля к победе над врагом.

В условиях применения атомного оружия имеет место радиоактивное заражение, что вызывает необходимость организации непрерывной радиационной разведки и принятия мер защиты от поражения радиоактивными веществами.

Оповещение подразделения об опасности атомного нападения осуществляется специально установленным сигналом. В зависимости от обстановки действия личного состава по сигналу атомной тревоги определяются командиром. Однако атомное оружие может быть применено и внезапно. В этом случае нужно немедленно принять меры защиты. Так как с момента вспышки атомного взрыва до прихода ударной волны — основного поражающего фактора — проходит несколько секунд, то за это время можно занять укрытие, которое расположено рядом (в двух — трех шагах). Рекомендуется, увидев вспышку атомного взрыва, использовать для укрытия любую складку местности, местные предметы, яму, воронку, канаву, насыпь, блиндаж, танк и т. п. (рис. 62).

Рис. 62. Увидев вспышку атомного взрыва, нужно немедленно занять ближайшее укрытие

Важнейшим видом боевого обеспечения войск является противоатомная защита. Мероприятия по противоатомной защите войск осуществляются непрерывно во всех видах боя, а также при нахождении войск в глубоком тылу.

Основа инженерного оборудования местности — траншеи и ходы сообщения, которые являются наиболее простыми сооружениями, обеспечивающими уменьшение радиусов поражения ударной волны, светового излучения и проникающей радиации. С целью повышения защитных свойств траншей и ходов сообщения на отдельных участках их перекрывают. Глубина траншей и ходов сообщений должна быть не менее 1,5 метра, а в местах устройства перекрытых участков, ниш, блиндажей — не менее 1,8 метра. Для повышения защитных свойств траншей их рекомендуется отрывать с брустверами и тыльными траверсами, без острых углов в изломах, с одеждой крутостей в слабых грунтах. Зимой над траншеями целесообразно устраивать сводчатые покрытия из снега или льда.

Особое значение в условиях применения атомного оружия приобретает инженерное оборудование исходных позиций.

Для защиты орудий, минометов, танков, автомобилей, самоходно-артиллерийских установок рекомендуется их располагать в окопах и укрытиях с аппарелями для въезда и выезда (рис. 63, 64). Здесь же для укрытия личного состава оборудуется блиндаж, который обеспечивает лучшую защиту экипажа или расчета, чем, например, броня.

Рис. 63. Окоп для орудия и укрытие для автомобиля, оборудованные в противоатомном отношении

Рис. 64. Укрытия (а) и окоп с укрытием (б) для танка (САУ). В боковой стене виден вход в подбрустверный блиндаж для экипажа

Наиболее надежными укрытиями для личного состава являются убежища легкого или тяжелого типа. Убежище легкого типа устраивают котлованным способом с обязательным покрытием грунтом не менее 160 сантиметров, что обеспечивает полную защиту от проникающей радиации. Наружную дверь тамбуров делают защитной. Герметизация убежищ обязательна с устройством фильтровентиляции. Воздухозаборные отверстия при этом оборудуются противовзрывными клапанами или гравийными волногасителями, исключающими затекание ударной волны внутрь убежища. Успешному выполнению боевых задач способствует умелое преодоление зараженных участков местности. Преодолевать эти участки можно пешим порядком, ускоренным шагом, используя при этом индивидуальные средства противохимической защиты (рис. 65). Преодолевать зараженные участки лучше на автомобилях (рис. 66), бронетранспортерах, на танках (рис. 67) и самоходно-артиллерийских установках.

Рис. 65. Индивидуальные средства противохимической защиты солдата (слева) и матроса (справа)

Рис. 66. Преодоление зараженного участка на автомобиле. В кружках показано использование индивидуальных средств защиты.

Рис. 67. Преодоление зараженного участка на танке зимой

При преодолении зараженного участка летом в сухую погоду на автомобилях или бронетранспортерах нужно находиться в противогазе, защитных перчатках и плащ-палатке (накидке).

При перебежке и залегании на зараженной местности в сырую погоду нужно пользоваться накидкой-подстилом, защитными чулками и перчатками для предохранения обуви и обмундирования от заражения (рис. 68). В сырую погоду действовать можно и без противогаза.

Рис. 68. При перебежках на зараженной местности под огнем противника необходимо пользоваться при залегании накидкой-подстилом

С целью предупреждения личного состава о наличии радиоактивного заражения устанавливаются знаки в местах, где уровни радиации более 0,5 рентгена в час. При действиях на зараженной местности нельзя снимать средства защиты, садиться и ложиться на землю без надобности, принимать пищу, курить или пить, нельзя прикасаться к зараженным предметам, если в этом нет необходимости.

При окапывании или оборудовании позиций для пулеметов, орудий, минометов на зараженной местности для предотвращения поражения радиоактивными веществами нужно снять зараженный слой земли и отбросить его по направлению ветра (рис. 69), стараясь не подымать при этом пыли.

Рис. 69. Использование подстила при окапывании на зараженной местности

В случаях заражения личного состава и техники радиоактивными веществами при первой возможности организуется частичная санитарная обработка личного состава и дезактивация оружия и техники. Полная санитарная обработка и дезактивация производится в незараженном районе и, как правило, после выполнения боевой задачи. Санитарная обработка и дезактивация являются одним из сложных мероприятий по ликвидации последствий атомного нападения. Проведение их требует определенных знаний и навыков.

В общем санитарная обработка личного состава и дезактивация техники, имущества, оружия и др. представляют собой механическое удаление радиоактивных веществ с поверхности объекта (рис. 70). Для санитарной обработки используется вода из незараженных источников, чистый (незараженный) снег, а если воды или снега нет, то при частичной обработке используются тампоны, смоченные водой из фляги или жидкостью из индивидуального противохимического пакета. В крайнем случае при частичной обработке открытые участки тела протирают сухими тампонами.

Рис. 70. Полная дезактивация оружия и боевой техники:

а — дезактивация оружия с помощью ранцевого прибора; б — дезактивация орудия с помощью автомобильной дегазационной машины; в — дезактивация танка с помощью авторазливочной станции; г — дезактивация самолета

Частичная дезактивация оружия, техники, имущества производится тампонами, смоченными водой, бензином, керосином или дегазирующей жидкостью, протирать при этом зараженные объекты следует сверху вниз. Особенно тщательно обрабатывают те части объектов, к которым приходится прикасаться.

При полной дезактивации обработка производится струей воды и щетками.

Как уже отмечалось, санитарная обработка и дезактивация являются одним из сложных мероприятий по ликвидации последствий атомного нападения, требующих специальных знаний и навыков[12].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Радиоактивные изотопы в последние годы в нашей стране находят все более широкое применение в науке, медицине и технике. Могущество атомной энергии заключается не только в силе атомных взрывов, действии атомных электростанций, приводящих в движение фабрики и заводы. Но, быть может, не меньшее значение атомной энергии заключается в том, что она вооружает нас новыми могучими средствами научного исследования. Применение радиоактивных изотопов изменяет самую методологию современной науки.

Радиоактивные изотопы уже теперь стали неотъемлемым и чрезвычайно важным средством проникновения в сокровенные тайны природы.

Широта научных проблем, изучаемых с помощью изотопов, неизмерима: здесь исследования целительных свойств лекарств и открытие загадки древних статуй, анализ глубоководных морских отложений и раскрытие тайны происхождения живого и неживого, обмен веществ в микроскопической клетке и величественные проблемы происхождения вселенной.

При помощи радиоактивных изотопов могут быть вскрыты интимнейшие механизмы биохимических процессов в растениях и животных. Излучение радиоактивного распада оказывается в руках исследователей одним из сильнейших рычагов искусственной переделки наследственной природы организмов. Используя эти средства, наука вплотную подошла к решению самых глубоких проблем биологии, связанных с объяснением важнейших физиологических процессов.

Приборы автоматического контроля производства, использующие радиоактивные изотопы, все более широко применяются в технике.

Даже такая, казалось бы далекая от атомной физики отрасль, как агрономия, уже не может обойтись без применения различных средств атомной техники.

Радиоактивные изотопы — это важный инструмент современной науки, умножающий человеческую власть над природой.

В 1957 г. в Париже на Международной конференции по применению радиоактивных изотопов в научных исследованиях отмечались успехи советских ученых.

Так, 13 сентября 1957 г. в газете «Фигаро» под заголовком «Возможности большого прогресса в технике полупроводников» дается высокая оценка докладам советских ученых во главе с В. Вавиловым, применивших метод меченых атомов для исследования физических процессов в кристаллах германия. Газета пишет: «Надо прежде всего указать на целую серию русских работ по явлениям диффузии в монокристаллах германия и кремния. Почему мы останавливаемся на этих работах, которые имеют, казалось бы, узкий интерес? Потому, что они свидетельствуют о большом прогрессе техники легендарных полупроводников, магических кристаллов электроники».

Широкие отклики в прессе вызвал доклад советских ученых во главе с Д. Карповым о мощном кобальтовом источнике радиоактивных излучений. Англичане также выступили с изложением проектов и практики строительства источников радиоактивных излучений. Но советский источник самый мощный. Он равносилен по действию 21 тысяче граммов радия. Заряд кобальта 60 помещается в свинцовом сосуде с толщиной стенок в четверть метра. В свою очередь сосуд заключен в бетонное сооружение со стенками двухметровой толщины для защиты человека от излучения. Заряд кобальта извлекается из сосуда при помощи дистанционного управления. Наблюдение за действием излучения производится через перископ. В камеру бетонного сооружения помещают различные вещества, на которых исследуют действие небывало высоких доз радиоактивных излучений.

На конференции была сделана серия докладов советских ученых о удивительных изменениях в структуре пластмасс, происходящих под действием излучений. Трудно даже предсказать, какую огромную роль может сыграть приложение нового вида энергии к такому типу материалов, которым принадлежит большое будущее.

Советские ученые смело вторгаются в высшую форму организованной материи — в мозг. Широко известны плодотворные исследования научной школы лауреата Ленинской премии академика А. В. Палладина, применившего радиоактивные изотопы углерода, фосфора и серы при изучении обмена веществ в мозгу в процессе его деятельности. Под руководством академика Палладина с помощью меченых атомов создается «химическая топография мозга». Была выявлена не только роль отдельных химических соединений в обеспечении деятельности нервной системы, но и изучена связь между специфическими раздражителями «свет», «звук» и скоростями обмена веществ в соответствующем участке мозга.

На конференции докладывались новые работы академика Палладина, который показал, в частности, что скорость обмена белковых веществ в различных участках нервной системы тем выше, чем выше организация этих участков. Об интереснейших исследованиях доложил член-корреспондент Академии наук СССР Е. М. Крепс. С помощью меченых атомов фосфора он исследовал, как меняется скорость обмена белковых веществ в нервной системе живых существ, находящихся на различных ступенях эволюции от более простых организмов к более сложным. Установлено, что скорость обмена тем выше, чем сложнее организм. Работы советских ученых справедливо оцениваются как важный вклад в современное естествознание.

Интересны многие последние работы зарубежных ученых. Так сообщение о «радиоактивных сигаретах» американского доктора Ларсона вызвало интерес у участников конференции. Он выращивал табак в вегетативном домике в присутствии углекислого газа, меченного радиоактивными изотопами углерода 14. В результате радиоактивный углерод органически вошел в состав табачных листьев. Из этого радиоактивного табака Ларсон делал сигареты, которые курил сам и дым которых давал вдыхать своим собакам. Затем исследователь со всей обстоятельностью физиолога проследил судьбу меченых продуктов табачного дыма в живом организме. Рассуждения о вреде табака подкрепились новой атомной аргументацией.

В этой книге описаны лишь наиболее простые примеры мирного использования радиоактивных изотопов. Радиоактивные изотопы должны стать другом человека, помочь ему в создании материальных и культурных ценностей. Но нельзя забывать, что они могут сделаться в руках поджигателей войны величайшим бичом человечества.

Атомная война таит в себе угрозу непосредственного уничтожения жизней миллионов детей, женщин и мужчин, уничтожения материальных и культурных ценностей, веками создаваемых трудовым народом. Всякого рода испытания атомных бомб имеют своим последствием насыщение окружающей среды, воздуха, воды, пищи радиоактивными веществами, которые своим излучением длительное время разрушающим образом действуют не только на здоровье, но и на наследственность организмов.

Много радиоактивных изотопов образуется при термоядерном взрыве. Грибовидное облако поднимает их ввысь, и радиоактивная пыль, циркулирующая в верхних слоях атмосферы, оседает на поверхность земли.

Нельзя забывать и о том, что использование в капиталистических странах незначительной части расщепляющихся материалов для мирных целей само по себе не может устранить угрозы военного использования изотопов, так как ядерный реактор дает одновременно тепло и атомное взрывчатое вещество. Только запрещение применения атомного оружия и установление строгого международного контроля за соблюдением этого запрещения могут дать возможность полноценного использования атомной энергии и радиоактивных изотопов в мирных целях.

Советский Союз никому не угрожает и ни на кого не собирается нападать. Но в связи с тем, что соглашение о сокращении вооруженных сил и запрещении атомного оружия еще не достигнуто, а также в связи с тем, что коллективная безопасность в Европе еще не создана и нет пока надежных гарантий прочного мира, мы вынуждены иметь такие Вооруженные Силы, которые были бы способны надежно защищать интересы нашей Родины, чтобы никакая провокация врагов не была для нас неожиданной.

На XX съезде КПСС указывалось, что в строительстве Советских Вооруженных Сил мы исходим из того, что способы и формы будущей войны во многом будут отличаться от всех минувших войн. Будущая война, если ее развяжут, будет характеризоваться массовым применением военно-воздушных сил, разнообразного ракетного оружия и различных средств массового поражения таких, как атомное, термоядерное, химическое и бактериологическое оружие. Однако мы исходим из того, что новейшее оружие, в том числе и средства массового поражения, не умаляет решающего значения сухопутных армий, флота и авиации: без их хорошо организованного взаимодействия успешно вести современную войну нельзя.

Благодаря постоянным заботам Партии и Правительства об обороноспособности нашей страны Советские Вооруженные Силы коренным образом преобразованы и в качественном отношении далеко шагнули вперед от того уровня, на котором они находились в конце Великой Отечественной войны. Возросшие возможности советской экономики, прежде всего крупные достижения тяжелой промышленности, позволили перевооружить нашу армию, авиацию и флот первоклассной боевой техникой. Организация войск и подготовка их приведены в соответствие с условиями применения новейшей боевой техники.

В составе наших Вооруженных Сил значительно возрос удельный вес военно-воздушных сил и войск противовоздушной обороны. Осуществлена полная механизация и моторизация армии. Советские Вооруженные Силы имеют теперь разнообразное атомное и термоядерное оружие, мощное ракетное и реактивное вооружение разных типов, в том числе ракеты дальнего действия. Советский Союз располагает надежными средствами доставки атомных и водородных бомб в любой пункт земного шара на самолетах или ракетами.

За сорок лет Советской власти наука получила огромное развитие, сыграла важную роль в укреплении обороноспособности страны, в борьбе за превращение нашей Родины в могучую индустриальную державу, за технический прогресс народного хозяйства. Опираясь на достижения физики, химии, электроники, механики и других отраслей знаний, наше социалистическое государство построило первую в мире атомную электростанцию, создало на своих заводах крупнейшую в мире атомную машину — синхрофазотрон, приступило к осуществлению программы строительства мощных атомных электростанций. Огромный вклад в развитие науки внесен коллективом работников, принимавших участие в разработке и изготовлении межконтинентальных баллистических ракет, искусственных спутников Земли и комплекса средств, обеспечивающих их запуск. Усилиями наших ученых созданы такие выдающиеся творения технической мысли, как быстродействующие электронные счетные машины, сложнейшие приборы и механизмы. Успешно решаются крупнейшие проблемы машиностроения, автоматики и телемеханики, разрабатываются высокоэффективные технологические процессы.

XX съезд КПСС поставил перед учеными новые задачи большого значения. Съезд признал необходимым всемерно укрепить связь научных учреждений с производством, с конкретными запросами народного хозяйства, сосредоточить их творческие усилия на решении наиболее важных научно-технических проблем, неуклонно поднимать роль науки в решении практических задач коммунистического строительства.

Наука в Советском Союзе является самой передовой наукой в мире. Возможности ее развития безграничны. Агрессивные круги США, например, еще недавно полагали, что у них имеется безусловная монополия на атомное оружие. Даже наиболее дальновидные из них в первые годы после второй мировой войны считали, что Советскому Союзу для производства атомного оружия потребуется по крайней мере 10–15 лет, а большинство считало, что потребуется гораздо больше времени. Но советские ученые, инженеры и техники и все те, кто имел к этому прямое отношение, добились в короткие сроки таких результатов, которые свидетельствуют об исключительных возможностях Советского государства. Дело дошло до того, что в производстве водородного и ракетного оружия советские люди добились такого успеха, что в положении отсталых оказался не Советский Союз, а Соединенные Штаты Америки. Расцвет советской науки, все работы и достижения советских ученых, направленные на раскрытие тайн природы, служат советскому народу, помогают ему жить, творить и преодолевать все препятствия на пути строительства коммунизма.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

I. Строение вещества

1. Вещество  2. Открытие Д. И. Менделеева  3. Мир атомов  4. Открытие радиоактивности  5. Радий  6. Строение атома  7. Строение ядра атома  8. Изотопы

Ⅱ. Радиоактивные изотопы

1. Радиоактивное излучение  2. Радиоактивный распад  3. Семейства радиоактивных изотопов  4. Радиоактивное равновесие.  5. Азот превращается в кислород  6. Открытие искусственной радиоактивности  7. Атомная «артиллерия»

Ⅲ. Атомная энергия

1. Материя и энергия  2. Энергия связи  3. Как получить атомную энергию  4. Синтез гелия в природе  5. Деление урана  6. Цепная реакция деления ядер урана  7. Ядерный реактор  8. Ядерный реактор — источник радиоактивных изотопов  9. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах  10. Атомная энергия на службе человека

Ⅳ. Меченые атомы

1. Как можно узнать о присутствии радиоактивных изотопов  2. Что такое метод меченых атомов  3. Что можно исследовать методом меченых атомов  4. Меченые атомы в химии  5. Меченые атомы в археологии  6. Меченые атомы в геологии  7. Меченые атомы в металловедении и металлургии  8. Меченые атомы в технике  9. Меченые атомы в биологии  10. Меченые атомы в сельском хозяйстве  11. Меченые атомы в медицине  12. Техника работы с радиоактивными изотопами

V. Применение радиоактивных изотопов как излучателей

1. Излучение в технике  2. Приборы контроля в производстве  3. Использование радиоактивного излучения в медицине  4. Использование радиоактивного излучения в сельском хозяйстве и пищевой промышленности  5. Геологическая разведка, основанная на рассеянии излучения  6. Химическое действие излучения

Ⅵ. Военное использование атомной энергии

1. Атомная и водородная бомбы  2. Виды атомных взрывов  3. Поражающие факторы атомного взрыва  4. Боевые действия в условиях применения атомного оружия

Заключение

Информация об издании

Андрей Николаевич Несмеянов

РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Редактор доцент кандидат технических наук инженер-подполковник И. А. Науменко

Редактор Издательства Я. М. Кадер

Консультант Издательства профессор доктор химических наук М. Б. Нейман

Художественный редактор Г. В. Гречихо

Обложка художника С. А. Митрофанова

Технический редактор Р. Ф. Аникина

Корректор В. Я. Плотникова

-----

Сдано в набор 30.09.57

Подписано к печати 3.02.58

Формат бумаги 84×108^1/32. 6 печ.л. 9,84 усл. печ.л. 9,475 уч. — изд.л.

Г-41152

Военное издательство Министерства обороны Союза ССР

Москва, Тверской бульвар, 18.

Изд. № 1/9298.

Зак. 614.

-----

1-я типография имени С. К. Тимошенко

Военного издательства Министерства обороны Союза ССР

Цена 2 р. 85 к.

Примечания

1

См. статью акад. А. В. Топчиева, Устранить угрозу атомной войны. Газета «Правда» от 16 августа 1957 г.

2

Электроны — это составные части каждого атома, несущие отрицательный электрический заряд. Электрон приблизительно в 1850 раз легче атома водорода. Он представляет собою наименьшее (известное на сегодня) количество электричества — «атом электричества».

3

Ангстрем — единица длины, употребляемая для измерения размеров атомов и молекул, она равна одной стомиллионной доле сантиметра.

4

Промежуток времени должен быть таким, чтобы доля распадающихся атомов составляла малую долю единицы. Таким промежутком времени для одних изотопов может быть секунда, а для других микросекунда.

5

Эрг — единица энергии. 1 эрг равен 2,389∙10-8 калорий

6

1 Мэв равен 3,827∙10-14 калорий.

7

Фактически взяты массы атомов водорода так, чтобы цифры были сравнимы с предыдущей графой, в которой приняты во внимание не только массы ядер атомов, но и электроны.

8

Так называемое спонтанное деление урана, которое было открыто в 1940 г. советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком.

9

Метлахская плитка — кафельная разноцветная глазурированная плитка из тугоплавкой глины. Названа в честь немецкого города Метлах, где было впервые налажено ее производство. Отличается пониженной пористостью, что дает возможность ее использование в помещениях со строгими требованиями к гигиене. — прим. Гриня

10

Гетинакс — слоистый пластик на основе бумаги и синтетических смол. Отличается высокими механическими и электроизоляционными свойствами. — прим. Гриня

11

Микрон равен 0,001 миллиметра.

12

Достаточно подробно санитарная обработка и дезактивация изложены в книге А. Иванова, Ядерные излучения атомного взрыва, Воениздат, 1956.

Content

Несмеянов Андрей Николаевич Радиоактивные изотопы и их применение

РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Ⅰ. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Ⅱ. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

Ⅲ. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Ⅳ. МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

V. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ КАК ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

VI. ВОЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Информация об издании

Примечания