Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

Будущее трансконтинентальных и межпланетных перелетов связано с ядерным горючим. Можно представить себе примерные конструкции двигателей для самолетов и ракет, которые работают, потребляя самое концентрированное топливо — атомное топливо.

Межпланетный корабль должен развить огромную скорость, чтобы вырваться из сферы притяжения Земли. Такую скорость можно получить в ракете, которая использует ядерное горючее. Ракета двигается под действием силы отдачи, такой же силы, которая появляется при выстреле орудия или винтовки. Газы в ракете создаются при горении. Для этого ракета снаряжается порохом или горючей жидкостью и жидким кислородом. Жидкость, сгорая, превращается в газ, который с большой силой вырывается из сопла (дюзов) ракеты и заставляет ее двигаться. Деление урана 235 или плутония может заменить в ракете процесс горения. В этом случае достаточно небольшого количества делящегося материала по сравнению с горючим материалом и жидким кислородом, чтобы ракета приобрела большую скорость. Трудность конструирования такого рода ракеты заключается в том, что камера сгорания и выходные отверстия должны выдерживать очень высокую температуру. Ракета на атомном (ядерном) горючем может работать и иначе, например на принципе испарения жидкости. В качестве такой жидкости может быть взят сильно охлажденный и сжатый большим давлением газ водород, которой при таких условиях представляет собой жидкость. Жидкий водород из специального резервуара под давлением устремляется в ядерный реактор, где он превращается в пар, сильно нагревается и устремляется к выходному отверстию ракеты, двигая ее вперед с огромной скоростью. Ядерный реактор может быть использован и в реактивном двигателе самолета.

Использование атомной энергии может идти и другим путем.

Атомная энергия, высвобождающаяся при радиоактивном распаде в виде излучения, дает возможность широко использовать радиоактивные изотопы в различных областях науки, техники и в военном деле. Этим вопросам и будут посвящены последующие главы книги.

При радиоактивном распаде происходит излучение альфа- или бета- (электроны, позитроны) и гамма-лучей. Из опытов Беккереля мы знаем, что эти лучи действуют на фотографическую пластинку так же, как действует на нее свет. Обнаружение радиоактивных излучений с помощью фотопластинок начало развиваться на заре исследований радиоактивности.

Уже в 1904 году русский врач Лондон применял фотопластинки для регистрации наведенной радиоактивности тела животных, помещенных в сосуды с газом радоном. Эта активность на теле животных получалась за счет осаждения радиоактивных изотопов — продуктов распада радона.

Теперь ученые широко используют фотографический способ для обнаружения радиоактивных изотопов. Этот метод получил название радиографии, а снимок — радиоавтографа. Для получения радиоавтографа предмет, содержащий радиоактивный изотоп, прикладывается в темноте к фотопластинке и выдерживается некоторое время. Далее пластинка проявляется. В местах, на которые действовало радиоактивное излучение, появляется потемнение. С полученного таким образом негатива печатается снимок. На снимке светлые места соответствуют участкам, где скапливается радиоактивный элемент. На рис. 13 показан негатив и позитив коренных зубов собаки, концентрировавших радиоактивный натрий, а на рис. 14 — радиоавтограф минерала, содержащего уран.

Радиоактивное излучение может быть обнаружено еще следующим путем. Представим себе, что в цилиндр с поршнем введен чистый водяной пар. С помощью поршня быстро увеличим объем, занимаемый паром, настолько, чтобы пар переохладился. Если в цилиндре нет заряженных частиц, пар останется паром. Если же в цилиндре есть какие-нибудь заряженные частицы, например ионы, то начнется образование тумана — ионы служат центрами, вокруг которых образуются мельчайшие водяные капельки. Так как альфа- и бета-лучи ионизируют воздух, то на пути каждой альфа-частицы или электрона, попадающего в такой цилиндр, т. е. в пространство с переохлажденным паром, возникнет полоска тумана. Полоски можно наблюдать глазом или сфотографировать и по ним считать отдельные частицы, выбрасываемые из ядер атомов. На этом принципе построен специальный прибор — камера Вильсона.

Радиоактивное излучение ионизирует воздух, делает его проводником электрического тока. Поместим радиоактивное вещество в металлическую камеру, в центре которой укреплен металлический стержень, не соприкасающийся с ее стенками. Такая камера называется ионизационной. Присоединим к камере и стержню электрическую батарею. Благодаря присутствию радиоактивного вещества воздух ионизируется и между стержнем и стенкой цилиндра будет протекать электрический ток. Ток этот тем больше, чем интенсивнее излучение. Силу тока можно измерить электрометром. Электрометр — это прибор, в котором тончайшая металлическая нить, соединенная со стержнем металлической камеры, находится между двумя пластинками противоположного знака. Если нить соединена с землей, то электрический ток течет в землю. Если же нить отъединить от земли, то на стержне и на нити будет накопляться электрический заряд, и нить будет перемещаться к пластинке, заряженной электричеством противоположного знака. Перемещение нити идет тем быстрее, чем больше радиоактивного вещества находится в камере. Движение нити наблюдают в микроскоп. Скорость движения нити является мерой интенсивности излучения. На рис. 15 показана схема ионизационной камеры с электрометром.

В настоящее время наиболее распространенным прибором для регистрации радиоактивного излучения является счетчик Гейгера-Мюллера. При различного рода исследованиях применяют счетчики различных конструкций. Одна из них представляет собой тонкостенный стеклянный баллон диаметром, равным 1–2 сантиметрам, и длиной в 10–20 сантиметров. Стенки баллона изнутри покрыты слоем металла, концы баллона запаяны, и по оси его натянута металлическая нить, изолированная от покрытия стенок. Баллон наполнен смесью аргона и паров спирта при давлении, равном приблизительно 10 сантиметрам ртутного столба. Покрытие стенок присоединяется к источнику высокого напряжения в 1000–2000 вольт, а нить через высокое сопротивление заземлена (рис. 16).