Радиоактивные изотопы и их применение

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?