Ядерные излучения и жизнь

В настоящее время большинство радиоактивных изотопов получают искусственным путем. Это не только обходится во много раз дешевле, но и позволяет значительно расширить круг применяемых изотопов - ведь в природе встречается только небольшое количество радиоактивных элементов.

Искусственное получение радиоактивных элементов стало возможным после того, как люди научились проводить такие реакции, в которых принимают участие ядра атомов.

При обычных химических реакциях взаимодействуют только электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов. Эти взаимодействия не касаются ядер атомов. Поэтому химическим путем невозможно решить ту задачу, которую в течение ряда столетий пытались решить алхимики древности и средневековья - превратить один элемент в другой.

Особенность радиоактивного распада в том, что, как уже говорилось выше, никакие внешние причины не могут заметно повлиять на его скорость. Причина этого заключается в очень большой величине ядерных сил. Чтобы освободить ядерную частицу из ядра, нужно затратить энергию в миллионы электрон-вольт, В то же время энергия, освобождаемая в результате, например, химических реакций, не превышает 3 - 4 эв. Поэтому то количество энергии, которое принимает участие в обычных химических и физических процессах, может воздействовать на электронную оболочку, но его недостаточно, чтобы повлиять на ядро атома.

В 1919 г. английскому физику Резерфорду впервые удалось показать, что стабильные ядра могут быть разрушены, если в качестве снарядов для бомбардировки ядер использовать излучаемые радиоактивными элементами альфа-частицы, обладающие энергией 3 - 5 млн. эв, Бомбардируя азот быстрыми альфа-частицами, Резер-форд превратил азот в изотоп кислорода с атомной массой 17. Эту реакцию, называемую ядерной, так как в ней принимают участие ядра атомов, можно представить в следующем виде:

Открытие ядерных реакций доказало возможность превращения одних элементов в другие. Первое время, однако, такие превращения ограничивались ядрами наиболее легких элементов.

В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, проводя эксперименты с бомбардировкой алюминия альфа-частицами, впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора. Это открытие имело огромное значение, дав в руки ученым удобный способ получения радиоактивных изотопов любых элементов.

Однако альфа-частицы естественных радиоактивных элементов малоудобны для подобных экспериментов, так как их энергии достаточно для внедрения только в ядра атомов легких элементов, имеющих небольшой заряд ядра. Ядра тяжелых элементов имеют большой положительный заряд, поэтому они сильно препятствуют проникновению в них положительно заряженных альфа-частиц. Кроме того, для получения значительных потоков альфа-частиц необходимо большое количество естественно радиоактивных изотопов.

Для проведения ядерных реакций более перспективна бомбардировка ядер атомов протонами и дейтронами, обладающими единичным положительным зарядом. Вследствие того, что радиоактивные изотопы не испускают ни протонов, ни дейтронов, были созданы специальные приборы, в которых этим частицам сообщалось большое количество энергии. В таких приборах, получивших название циклотронов, фазотронов, синхротронов, синхрофазотронов, заряженные частицы, получая энергию в несколько миллиардов электрон-вольт, приобретают большие скорости.

Для получения искусственных радиоактивных изотопов особенно удобно применять нейтроны. Действительно, нейтроны не обладают электрическим зарядом и не подвержены силам электрического отталкивания при приближении к ядрам атомов: они беспрепятственно могут проникать в любые ядра, вплоть до самых тяжелых. Вероятность захвата нейтрона ядром зависит от времени его пребывания вблизи ядра, поэтому чем медленнее движется нейтрон, тем она больше. В результате захвата нейтрона в ядре нарушается устойчивое соотношение между протонами и нейтронами, вследствие чего атом становится радиоактивным.

Большое количество нейтронов возникает в атомных реакторах, в которых ядро изотопа урана-урана - 235 под действием нейтронов делится на два ядра с атомными номерами, близкими к 30 - 49 и 50 - 63. В процессе деления из ядра урана вылетает два-три нейтрона. Некоторые из этих нейтронов затрачиваются на поддержание цепной реакции деления ядер атомов урана, а остальные, разлетаясь в разные стороны, могут служить для активации различных материалов. В современных реакторах возникают мощные потоки нейтронов - до 10¹³ - 10¹⁵ нейтронов на 1 см² в секунду.

Реактор является удобным прибором для получения искусственно радиоактивных изотопов. В настоящее время большинство их получают на атомных реакторах. Ускорителями пользуются для получения тех изотопов, которые не могут быть получены в атомном реакторе.