Радиоактивные изотопы и их применение

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	1H3 (T)	12,41 года
Углерод	6C14	5570 лет
Натрий	11Na24	14,97 часа
Фосфор	15Р32	14,295 дня
Сера	16S35	87,1 дня
Калий	19K42	12,44 часа
Кальций	20Ca45	163 дня
Железо	26Fe59	47,1 дня
Кобальт	27Co60	5,3 года
Медь	29Cu64	12,88 часа
Цинк	30Zn65	250 дней
Мышьяк	33As76	1,115 дня
Бром	35Br82	1,495 дня
Серебро	47Ag110	270 дней
Иод	53J131	8,14 дня
Барий	56Ва140	13,4 дня
Вольфрам	74W185	73,2 дня
Золото	79Au198	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=mc²

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