Радиоактивные изотопы и их применение

Особенно легко активационным анализом определить содержание редкоземельных элементов, так как они обладают очень большой способностью к поглощению нейтронов. Например, европий и гольмий могут быть определены в количествах до 10^-11 грамма на грамм вещества. Определение же редкоземельных элементов в таких материалах, как графит, висмут, свинец и т. п., употребляемых в современной атомной промышленности, очень важно, так как редкоземельные элементы нарушают правильное течение процессов в ядерном реакторе.

Редкоземельными элементами называют 15 родственных по своим химическим свойствам металлов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. В периодической системе Д. И. Менделеева эти химические элементы имеют порядковые номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций). Иногда к редкоземельным элементам относят также иттрий и (реже) скандий.

Название редкоземельные элементы, или элементы редких земель, устарело. В действительности многие из редкоземельных элементов, такие как церий, лантан, неодим, по своей распространенности в природе превосходят хорошо известные элементы, играющие большую роль в технике. Долгое время редкоземельные элементы находили применение лишь в виде смеси. В последнее время произошли коренные сдвиги в использовании этих элементов. В настоящее время установлены новые области их использования в промышленности. Четко наметилось индивидуальное применение отдельных металлов этой группы.

В свободном состоянии редкоземельные элементы — это металлы, быстро тускнеющие на воздухе. Воду они разлагают на холоде медленно, а при нагревании — быстрее. Они очень активны и способны непосредственно взаимодействовать с кислородом, водородом, азотом и другими неметаллами. Редкоземельные элементы легко сплавляются с большинством металлов. Многие из сплавов редкоземельных элементов при трении дают раскаленные искры, что находит практическое применение. Окислы редкоземельных элементов применяются для обесцвечивания, окрашивания и изготовления оптических и других стекол и для окрашивания фарфора. Их окислы применяются также как абразивы для полировки оптических стекол.

Добавление редкоземельных элементов улучшает пластичность, структуру, ударную вязкость и другие свойства сталей, увеличивает жаропрочность нихрома, улучшает свойства алюминия и магния. Стекла с церием не темнеют под действием излучения радиоактивных элементов. Вот почему в ядерных реакторах цериевые стекла употребляются для защиты обслуживающего персонала от вредного действия радиации.

Гадолиний, самарий, прометий, европий и диспрозий активно поглощают медленные нейтроны. Этим элементам, особенно гадолинию, предсказывается большое будущее в ядерных реакторах на самолетах и подводных лодках, где важное значение имеет экономия объема и веса.

В настоящее время использование редкоземельных элементов открывает новые возможности для техники, медицины, геологии и многих других областей.

Изучение катализаторов. Каждому знакома серная кислота, но, может быть, не все помнят, что ее получают соединением сернистого газа с кислородом воздуха с последующим растворением полученного таким образом серного ангидрида в воде. Но сернистый газ очень медленно соединяется с кислородом в обычных условиях. Этот процесс очень сильно ускоряется присутствием платины. Платина необходима в процессе образования кислоты, но она остается химически неизменной. Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами остаются химически неизменными, называются катализаторами.

Процессов, происходящих с участием катализаторов, известно чрезвычайно много. Бóльшая часть химической промышленности работает, используя катализаторы. Реакции получения аммиака, азотной кислоты и многих других веществ протекают в присутствии катализаторов.

При помощи меченых атомов в ряде случаев удается установить, принимает ли участие катализатор в процессе перехода атомов от одной молекулы к другой.

При взаимодействии окиси углерода с водородом в присутствии железа в качестве катализатора образуется метан и другие углеводороды. Ученые считали, что окись углерода с железом образует карбид, то есть соединение железа с углеродом, а карбид железа взаимодействует с водородом, образуя углеводороды. Эта точка зрения до последнего времени излагалась в учебниках.

При помощи меченых атомов удалось доказать, что эти взгляды неправильны. К катализатору подмешивали карбид железа, содержащий радиоактивный углерод. После этого над катализатором пропускали смесь водорода и окиси углерода с нерадиоактивным углеродом.

Получающийся метан вводился в счетчик, и измерялась его активность. Оказалось, что радиоактивный углерод остается в катализаторе, а углеводороды получаются слаборадиоактивными. Следовательно, карбид железа не участвует в переносе углерода от окиси углерода к углеводородам. Процесс в этом случае идет на поверхности катализатора, так же как он идет при образовании серной кислоты на платине.