Радиоактивные изотопы и их применение

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.