Радиоактивные изотопы и их применение

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.