Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

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 -19граммов. 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∙10 10альфа-частиц, а в смеси с бериллием приблизительно 10 7нейтронов. 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.