Радиоактивные изотопы и их применение

Ⅱ. РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ

Мы уже говорили о том, что радий испускает альфа-, бета- и гамма-лучи. Излучение, подобное радию, дают уран, торий, полоний и многие другие радиоактивные элементы. Однако распад других радиоактивных веществ не обязательно сопровождается всеми тремя видами излучений. Что же представляют собой альфа-, бета- и гамма-лучи?

В результате исследований действия электромагнитного поля на радиоактивное излучение ученые нашли, что альфа-лучи — это поток положительно заряженных частиц — ядер атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из ядра атома с огромной скоростью — например из ядра атома радия со скоростью, примерно равной 17 000 километров в секунду. Они способны проникать через слой воздуха в несколько сантиметров толщиной. Проходя через воздух, они его ионизируют и делают проводником электричества.

Бета-лучи — это поток электронов, некоторые из которых вылетают из ядра атома со скоростью, достигающей величины, близкой к скорости света (300 000 километров в секунду в пустоте). Они проникают через вещества значительно лучше, чем альфа-лучи. Если альфа-лучи задерживаются пластинкой алюминия толщиной, равной 0,05 миллиметра, то бета-лучи способны пройти через слой алюминия толщиною до нескольких миллиметров. Так же, как и альфа-лучи, электроны делают воздух проводником электричества, только в меньшей степени.

Гамма-лучи имеют ту же природу, что и обычный видимый нами свет, но в отличие от него гамма-лучи, ослабляясь, проходят через непрозрачные тела, например через бумагу, дерево; они способны проникнуть даже через слои металлов толщиной в несколько сантиметров. Излучение природных радиоактивных элементов исчерпывается тремя перечисленными видами.

Теперь рассмотрим, что происходит с радиоактивными атомами при альфа-, бета- и гамма-излучении. Ученые нашли, что при радиоактивном излучении изменяются ядра атомов и происходит превращение атомов одного элемента в атомы другого элемента. Явление это получило название радиоактивного распада.

Каждый радиоактивный атом рано или поздно превращается в другой атом. Но не все атомы одного и того же радиоактивного изотопа существуют одинаковое время; одни атомы распадаются быстро, а другие могут оставаться неизменными очень долго.

Каким же законам подчиняется радиоактивный распад?

Оказывается, число распадающихся за малый промежуток времени[4] атомов прямо пропорционально наличному числу радиоактивных атомов. Это значит, что у того или другого радиоактивного изотопа за такой малый промежуток времени распадается всегда одна и та же часть, одна и та же доля атомов, строго определенная для каждого элемента.

Этот закон ученые установили опытным путем, наблюдая за изменением интенсивности излучения радиоактивных изотопов со временем.

Доля атомов, претерпевающих превращение за выбранную единицу времени, называется постоянной распада.

Если, например, мы имеем 8 000 000 радиоактивных атомов и постоянная распада равна 0,01, то это значит, что в каждую секунду распадается одна сотая часть наличных атомов: за первую секунду — 80 000 атомов, за вторую — сотая часть оставшихся 7 920 000, то есть 79 200 атомов, и т. д.

Скорость радиоактивного распада обычно характеризуют периодом полураспада. Период полураспада — это промежуток времени, в течение которого наличное количество радиоактивных атомов уменьшается вдвое. Например, период полураспада радия D равен 22 годам. Это значит, что из 6 400 000 атомов через 22 года останется 3 200 000 атомов, еще через 22 года — 1 600 000 атомов, затем — 800 000 атомов и т. д.

В этих примерах даны довольно большие числа. Это совершенно необходимо, так как для малых количеств атомов закон не будет соблюдаться: из двух атомов радия D за 22 года может не распасться ни один, а могут распасться и оба.

Изучение превращения элементов при радиоактивном распаде дало возможность ученым установить правило перемещения элемента в периодической системе при этом процессе. Оно было названо «правилом сдвига». Когда радиоактивный атом излучает альфа-частицу, заряд его ядра уменьшается на 2 единицы, так как заряд самой альфа-частицы равен 2. При этом получается новый элемент, который должен занять в периодической системе место через одну клетку влево. Например, когда радий, занимающий 88-ю клетку периодической системы, излучает альфа-частицу, то он превращается в радиоактивный газообразный элемент эманацию радия, который находится в клетке под номером 86.

Бета-частицы, так же как и альфа-частицы, являются продуктами распада ядра радиоактивного атома; они испускаются в результате превращения нейтрона в протон:

Заряд ядра при бета-излучении (при испускании электрона) увеличивается на одну единицу; на единицу увеличивается и порядковый номер, и поэтому вновь образовавшийся изотоп должен занять в таблице место в следующей клетке справа. Уран X₁, получающийся из урана 238, занимает клетку номер 90 вместе с торием. Он выбрасывает бета-частицу и превращается в уран Х₂, который имеет порядковый номер 91, то есть является изотопом протактиния.

Альфа- и бета-распад сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.

При гамма-излучении энергия ядра атома уменьшается, но состав ядра остается неизменным.

Правило сдвига дало возможность найти место в периодической системе элементов Менделеева для всех вновь открытых изотопов.

Правило сдвига позволило ученым установить связь между целыми группами радиоактивных изотопов. Так, оказалось, что торий с массовым числом 232, выбрасывая альфа-частицу, превращается в изотоп радия — мезоторий 1 с массовым числом 228 и порядковым номером 88. Мезоторий 1 в свою очередь выбрасывает электрон и превращается в мезоторий 2 — изотоп актиния. Мезоторий 2 испускает бета-лучи и превращается в радиоторий.

Цепь превращений идет от одного радиоактивного изотопа к другому, пока в результате радиоактивного распада не образуется устойчивый изотоп.

Так получается ряд радиоактивных изотопов, или радиоактивное семейство.

Исследуя процессы радиоактивного распада, ученые установили три ряда радиоактивных элементов, которые находятся в природе: ряд урана, ряд тория и ряд актиноурана.

Уран 238, торий и актиноуран (уран 235) являются родоначальниками этих рядов, и каждый ряд заканчивается нерадиоактивным изотопом свинца.

Одним из важных членов семейства урана является изотоп радия с массовым числом 226; он широко применяется в медицине, технике и в научных изысканиях.

Позднее искусственным путем было получено новое семейство радиоактивных изотопов — семейство нептуния; оно заканчивается устойчивым изотопом висмута.

На рис. 5 и 6 приведены радиоактивные семейства. В кружках указаны названия элементов, масса атома и заряд ядра. Стрелки показывают, в каком направлении идет превращение, значки α и β около стрелок — род излучения, а цифры — периоды полураспада.

В каждом радиоактивном семействе есть изотопы с самыми различными периодами полураспада. Уран 238 имеет период полураспада, равный 4,5 миллиарда лет; количество атомов урана изменяется настолько медленно, что даже в течение многих веков убыль их практически нельзя заметить. Период полураспада радия — 1590 лет, а радия А — всего 3 минуты.

С течением времени в смеси изотопов радиоактивного ряда наступает так называемое радиоактивное равновесие. Это значит, что количество атомов того или иного радиоактивного элемента в смеси остается практически неизменным; сколько атомов получается, столько же распадается. Если из смеси удалить один из изотопов, то равновесие нарушается, но через определенное время оно наступает вновь.

Чтобы понять это, сравним радиоактивное семейство с системой бассейнов с водой, которые расположены друг под другом и связаны между собой трубами различного сечения. Представим, что количество воды в них соответствует количеству радиоактивных изотопов, а сечения соединяющих труб — постоянным их распада. Учтем, что скорость вытекания зависит от напора воды: чем выше уровень воды в бассейне и чем шире труба, тем быстрее течет из него вода. Допустим, что в первом бассейне находится такое большое количество воды, что убыль ее практически не влияет на уровень воды. Из первого бассейна вода протекает во второй по трубе сечением, равным 2 кв. сантиметрам. Из второго бассейна вода течет в третий по трубе сечением, равным 1 кв. сантиметру. Труба, соединяющая третий бассейн с четвертым, имеет сечение 4 кв. сантиметра.

Вначале вода во втором бассейне будет прибывать, но одновременно она будет вытекать в третий бассейн. Когда высота уровня во втором бассейне станет вчетверо больше, чем в первом, скорость протока воды во второй бассейн будет равна скорости вытекания из него в третий. В первом бассейне уровень в 4 раза ниже, чем во втором, но зато сечение трубы в 2 раза больше. Поэтому вода во втором бассейне будет сохранять один и тот же уровень.

То же можно сказать про третий бассейн. Вода в нем будет прибывать до тех пор, пока уровень ее не достигнет высоты, в 4 раза меньшей, чем в первом бассейне.

Когда уровни будут находиться в соотношении 4:16:1, скорости притока и вытекания воды для каждого бассейна станут равны. Наступит равновесие.

Если теперь из второго бассейна часть воды вычерпать, то равновесие будет нарушено: скорость поступления воды во второй бассейн будет прежней, но скорость вытекания уменьшится и в третьем бассейне вода начнет убывать. Однако через некоторое время уровень во втором бассейне повысится, и равновесие наступит вновь.

Подобное этому равновесие имеет место и при радиоактивном распаде. Чем больше период полураспада элемента, тем больше его находится в смеси. В семействе тория, например, из тория образуется в единицу времени столько атомов мезотория 1, сколько их распадается с образованием мезотория 2.

Уран, торий и актиноуран находились в земной коре многие тысячелетия, и за это время в радиоактивных семействах урана, тория и актиноурана установилось равновесие.

В средние века алхимики занимались поисками способов превращения различных металлов в золото. Поиски эти были безуспешны, и начиная с XⅦ века многие ученые перестали верить в возможность превращения элементов. В XⅨ веке в науке утвердилось атомно-молекулярное учение. По этому учению составные части всякого вещества — атомы — считались неделимыми, следовательно, и превращение одного атома в другой оказывалось невозможным.

Но в XX веке, после того как было изучено явление радиоактивности и выяснилось сложное строение атома, ученые снова вернулись к мысли об искусственном превращении элементов.

Ядро атома нельзя разрушить ни нагреванием до нескольких тысяч градусов, ни охлаждением до самых низких температур, ни высоким или низким давлением. Для разрушения атомов нужна большая энергия. В руках человека до открытия радиоактивных элементов такой энергии не было.

В 1919 году английский физик Резерфорд решил использовать для разрушения атомов энергию радиоактивного излучения, именно энергию альфа-частиц. Быстролетящие, сравнительно тяжелые альфа-частицы могли служить миниатюрными снарядами, которые способны разрушить ядро и привести к образованию новых ядер.

Радиоактивный препарат, излучающий альфа-частицы, помещался в газ азот. Альфа-частицы, сталкиваясь с атомами азота, проникали в их ядра (рис. 7). Затем ядра раскалывались на два новых ядра: ядро атома кислорода и ядро атома водорода (или протон). Так впервые был проведен процесс превращения элементов. С помощью химических символов он может быть записан следующим образом:

Общее число протонов и нейтронов в этом процессе не изменяется. Поэтому суммы верхних цифр (массовых чисел) справа и слева от стрелки должны быть одинаковы; сумма нижних цифр — общее количество протонов в ядрах — также не меняется.

Вес искусственно полученного атома кислорода равен 17 атомным единицам. Это один из изотопов кислорода.

Вскоре с помощью альфа-частиц удалось расщепить ядра атомов и ряда других элементов.

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, изучая действие альфа-частиц на атомы различных элементов, сделали великое открытие. Они обнаружили, что облученный альфа-частицами алюминий испускает позитроны. Позитроны были открыты в 1932 г. в космических лучах, идущих из мирового пространства. Позитрон — это частица, которая имеет массу, равную массе электрона, но заряд, равный и противоположный по знаку заряду электрона, то есть — положительный.

Как было установлено супругами Жолио-Кюри, испускание позитронов идет и после прекращения обстрела алюминия альфа-частицами. Число испускаемых позитронов со временем убывает, и, наконец, выделение их прекращается.

Открытое Ирен и Фредериком Жолио-Кюри явление напоминало картину радиоактивного распада. Поэтому ученые пришли к мысли, что в результате взаимодействия алюминия и альфа-частиц получается искусственный радиоактивный элемент. Действительно, убывание числа испускаемых позитронов подчиняется закону радиоактивного распада. Период полураспада нового радиоактивного элемента оказался равным 3,25 минуты.

Подобные явления были обнаружены также при действии альфа-частиц на бор и магний.

Таким образом, супруги Жолио-Кюри показали, что радиоактивные элементы можно создавать искусственным путем.

Какие же элементы получались из алюминия, бора и магния при воздействии на них альфа-частиц?

Изучение взаимодействия алюминия с альфа-частицами показало, что сначала из алюминия вылетают нейтроны, а позитроны появляются уже после бомбардировки. Ученые нашли, что процесс идет таким путем:

Образовавшийся фосфор распадается с излучением позитрона:

При бомбардировке бора и магния идут следующие ядерные реакции:

Свое предположение Ирен и Фредерик Жолио-Кюри подтвердили, выделив из облученного алюминия радиоактивный фосфор.

Для этого облучения альфа-частицами пластинка алюминия была растворена в кислоте. Атомы фосфора, образовавшиеся из алюминия, попали вместе с атомами алюминия в раствор. Затем фосфор был превращен в фосфорную кислоту. К полученному раствору было добавлено несколько миллиграммов обыкновенной фосфорной кислоты, и после этого вся фосфорная кислота переводилась в нерастворимую соль — осаждалась из раствора. Полученная в осадке соль содержала и ту фосфорную кислоту, которая была добавлена к раствору, и ту, которая образовалась из атомов радиоактивного фосфора.

Для чего же необходимо было добавлять обыкновенную фосфорную кислоту?

Из алюминия в опытах Жолио-Кюри при действии альфа-частиц могло образоваться лишь несколько десятков тысяч атомов фосфора, то есть 10^-18–10^-19 граммов. Из этого количества фосфора получается так мало соли, что вся она свободно растворяется в воде и осадок не может выделиться. Добавленная нерадиоактивная фосфорная кислота играет роль «носителя». Осаждаясь, она «уносит» вместе с собой и ничтожные количества радиоактивной фосфорной кислоты.

Как же узнать, есть ли в осадке атомы радиоактивного фосфора? Ирен и Фредерик Жолио-Кюри убедились в этом благодаря тому, что в выделенной фосфорной кислоте идет процесс, при котором происходит излучение позитронов.

Так же было доказано, что при облучении магния образуется радиоактивный кремний, а при облучении бора — радиоактивный азот. Полученные таким образом неустойчивые элементы были названы искусственными радиоактивными элементами, а само явление — искусственной радиоактивностью.

Работы по получению новых искусственных радиоактивных элементов начали вести ученые различных стран. В качестве атомных «снарядов» применялись нейтроны, получаемые при действии альфа-частиц радия или радона на бериллий:

Чтобы получить источник нейтронов, достаточно смешать бромистый радий или полоний с порошком бериллия.

Все элементы периодической системы были подвергнуты действию нейтронов. При этом удалось установить, что в большинстве случаев получаются радиоактивные элементы, которые испускают бета-лучи.

Однако природные радиоактивные элементы оказались недостаточно мощными источниками ядерных снарядов. Один грамм радия, например, в течение секунды испускает 3,7∙10¹⁰ альфа-частиц, а в смеси с бериллием приблизительно 10⁷ нейтронов. Это — огромные количества частиц, но нужно иметь в виду, что при действии на ядра атомов только небольшая часть таких снарядов попадает в цель, так как ядра атомов составляют ничтожную часть объема вещества.

Для получения заметных количеств искусственных радиоактивных элементов ученые построили аппараты, с помощью которых можно создавать потоки альфа-частиц, протонов, нейтронов и дейтронов с большим количеством частиц и большой энергией (дейтроны — ядра изотопа водорода, состоящие из протона и нейтрона).

Одним из аппаратов для получения ядерных снарядов является циклотрон (рис. 7а).

Циклотрон представляет собой камеру в форме цилиндра, из которой удален воздух. Камера находится между полюсами огромного электромагнита. Внутри камеры помещены металлические коробки с сечением в виде полукруга (рис. 7б и 7в). Эти коробки, называемые дуантами, располагаются так, что их прямолинейные края отстоят друг от друга на несколько сантиметров. Дуанты присоединяются к мощному источнику тока высокой частоты. Внутрь камеры впускается водород или гелий. Между дуантами находится вольфрамовая нить. Она накаливается и испускает электроны, которые при своем движении вырывают электроны из оболочек атомов газа и ионизируют этот газ. Положительные ионы, образующиеся вблизи вольфрамовой нити, начинают двигаться к отрицательно заряженному дуанту и по инерции проскакивают внутрь него.

Внутри дуантов нет электрического поля, но на летящие ионы действует магнитное поле электромагнита и заставляет их двигаться по окружности, т. е. искривляет путь движения ионов. Это движение продолжается до тех пор, пока ионы не выйдут в пространство между дуантами.

К этому времени дуанты меняют знаки своих зарядов, и ионы снова получают дополнительный толчок, направленный к отрицательному дуанту. Далее они попадают внутрь второго дуанта, но теперь движутся с большей, чем раньше, скоростью и описывают окружность большего радиуса. Затем ионы снова проскакивают в первый дуант и т. д.

Внутри дуантов ионы двигаются по так называемой развертке. Когда ускоренные таким образом ионы достигают наибольшей возможной при данных размерах дуантов скорости, они с помощью отрицательно заряженной пластины меняют свое направление и выводятся из дуантов через окошечко (см. рис. 7б) на облучаемое вещество.

Если в камеру циклотрона впускают газообразный гелий, то получаются гелионы — альфа-частицы, если водород, то протоны, если тяжелый водород (изотоп водорода с массой 2), то дейтроны.

В последнее время в камеры ускоряющих установок стали вводить газы со сравнительно тяжелыми атомами, например азот. Благодаря этому из урана, например, можно получить сразу элемент с порядковым номером 99.

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.

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.