Радиоактивные изотопы и их применение

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∙10¹⁰ альфа-частиц, а в смеси с бериллием приблизительно 10⁷ 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.