Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

Если будет происходить процесс перехода ядер атомов элементов с большей массой, приходящейся на 1 нуклон, в ядра с меньшей массой на один нуклон, то в силу взаимосвязи массы и энергии будет происходить выделение атомной энергии. Эта энергия представляет собой разницу в энергиях связи конечных и исходных ядер, участвующих в ядерной реакции.

Из сказанного выше следует, что для получения атомной энергии можно идти двумя путями: во-первых, превращением легких элементов с большей массой, приходящейся на один нуклон, в элементы с меньшей массой, приходящейся на один нуклон, путем их соединения (синтеза). Примерами таких процессов являются превращение водорода или дейтерия в гелий, соединение ядер лития и протонов с переходом их в ядра гелия и т. п. Второй путь заключается в превращении ядер тяжелых элементов, например урана, в ядра со средней массой, например, в ядра таких элементов, как криптон и барий, или другие пары ядер атомов, сумма зарядов которых равна заряду ядра атома урана 92. Ядро атома урана обладает большей массой на один нуклон, чем ядра атомов элементов середины периодической системы, в частности такие, как криптон и барий.

В этом заключается принципиальная возможность получения атомной энергии. Такого рода процессы были открыты физиками в тридцатых годах двадцатого века. Один из них — превращение лития под действием протонов в гелий — мы уже описывали. В 1939 году был открыт другой — деление ядер атомов урана под действием нейтронов на два «осколка» с близкими массами. Сумма масс «осколков» была приблизительно равна массе делящегося ядра атома урана.

Однако для получения атомной энергии необходимо, чтобы процесс синтеза или распада ядер протекал самопроизвольно, так же как он происходит, например, при горении каменного угля. В угле, подожженном в одном месте, горение распространяется самопроизвольно, переходя от атома к атому.

Кроме условия самопроизвольного распространения ядерных процессов, идущих с выделением энергии, необходимо знать условия возникновения ядерных превращений. Эти условия в результате упорной работы ученых были найдены. В настоящее время процессы синтеза ядер и их распада используются для получения атомной энергии.

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.

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.