Радиоактивные изотопы и их применение

В промышленности часто приходится вести анализ сплава, содержащего золото, платину и иридий. Однако разделить эти три металла друг от друга очень сложно.

Для проверки одного из способов разделения металлов приготовляли смесь, содержащую заранее известные количества золота, платины и иридия, а затем производили их разделение. Вес выделенного золота был выше взятого, а вес иридия и платины ниже. Казалось, что при разделении золото загрязняется иридием и платиной, а иридий и платина выделяются чистые.

Так ли это? Нет, — показывают меченые атомы. Если к смеси трех металлов прибавить атомы радиоактивного золота, а затем их разделить, то в иридии и платине оказывается радиоактивное золото. Это легко определить счетчиком.

С помощью меченых атомов химики проверили многие способы химического анализа и методы промышленного разделения веществ. Важные исследования в этой области проведены академиком В. Г. Хлопиным и его сотрудниками.

Изотопный анализ. Чтобы найти содержание того или иного элемента или вещества в смеси, необходимо провести химическое отделение этого вещества или элемента в виде какого-либо известного соединения в чистом виде. Эта задача в ряде случаев является невыполнимой или очень трудно выполнимой.

Если из сложной смеси удается выделить все интересующие исследователя вещества, то оно выделяется загрязненным другим веществом, сходным с ним по свойствам. Если выделяют чистое вещество, то не удается его выделить без потерь. Благодаря этому определение количества вещества оказывается затрудненным. Меченые атомы помогают решить эту задачу.

Представим себе, что необходимо провести определение содержания металла рубидия в его руде. Полное выделение рубидия из руды практически невозможно. Однако несложно выделить из руды небольшую часть рубидия в виде чистой соли. Для анализа изотопным методом возьмем определенное весовое количество руды, растворим ее в кислоте, добавим к раствору определенное весовое количество соли рубидия, содержащее известное количество радиоактивного изотопа рубидия. Добавленный рубидий смешается с тем, который был в растворе. При этом доля радиоактивных атомов рубидия в растворе уменьшится во столько раз, во сколько раз рубидия в растворе стало больше, чем было добавлено. Далее химическим путем выделим из раствора небольшое количество чистой рубидиевой соли и определим вес выделенного рубидия и относительное содержание радиоактивного изотопа. Для этого определим с помощью счетчика, какое количество отсчетов дает миллиграмм выделенной рубидиевой соли. Разделив эту величину на число отсчетов, которое давал миллиграмм рубидиевой соли, добавленной к раствору, и умножив на количество добавленной соли, получим содержание рубидиевой соли в растворе после добавления. Отсюда, вычтя количество добавленной соли, нетрудно найти содержание рубидия во взятом растворе и, следовательно, в руде.

Активационный анализ. Перед вами несколько брусков стали, среди которых имеются образцы марганцовой стали. Можно ли отличить эти образцы, не прибегая к химическому анализу?

Да, можно, используя радиоактивные атомы.

Если образцы облучить нейтронами, то атомы элементов, входящих в состав стали, будут поглощать нейтроны, образуя радиоактивные элементы. Но не все атомы одинаково легко вступают в подобную реакцию. Атомы марганца, например, вступают в эту реакцию гораздо легче, чем атомы железа.

Хотя железа в стали больше, чем марганца, нейтроны будут взаимодействовать главным образом с атомами марганца.

Ядро атома марганца захватывает нейтрон и превращается в радиоактивное ядро с массой на единицу большей. Из марганца с массой 55 образуется его изотоп с массой 56, который распадается с испусканием электронов и гамма-лучей. Период полураспада радиоактивного марганца равен 2,6 часа.

Обнаружить радиоактивный марганец легко: нужно поднести к облученной нейтронами поверхности бруска счетчик. Количество электронов, попадающих в счетчик, будет тем больше, чем больше образовалось в стали радиоактивного марганца, а радиоактивного марганца образуется при одинаковых условиях облучения тем больше, чем больше марганца в стали. Следовательно, можно не только ответить на вопрос о том, какой образец стали является марганцовой сталью, но и определить количество марганца в стали. Прием этот прост, и с его помощью можно легко и быстро определить состав сплава, не разрушая детали.

Мы привели только один пример распознавания состава сплава с помощью облучения его нейтронами. Таким же способом можно установить содержание различных элементов в самых сложных комбинациях. Можно определить, например, содержание серы и фосфора в бумаге, углерода в поверхностных слоях стали и т. д. Этот способ получил название активационного анализа (материал активируется нейтронами или другими ядерными частицами).

Активационный анализ применяется тогда, когда нужно определить малые количества примесей в чистых металлах или быстро установить состав сложной смеси.