Страница 70 из 83
Одним из первых методов выделения радиоактивных изотопов без носителя был метод отдачи. Суть его заключается в следующем. При взаимодействии ядра атома с какой-либо бомбардирующей частицей оно получает дополнительную кинетическую энергию, то есть энергию движущейся частицы, которая помогает ему, грубо говоря, «вырваться из объятий» химических связей с другими атомами. Поскольку вырвавшийся атом обычно ионизирован, лишен части своих электронов, то, используя свойства ионов притягиваться к противоположным зарядам, такие атомы можно «собирать» на пластинах, заряженных отрицательно. Именно так были впервые выделены и идентифицированы всего 17 атомов элемента менделеевия. Порой удается применить и более простые методы. Так, при облучении окиси магния дейтронами по реакции
26Mg + d → 24Na + α
получается радиоактивный изотоп натрия, который из мишени можно просто вымыть водой, поскольку окись магния в воде не растворима.
Фабрика изотопов
Вскоре после того как ученые получили первые искусственные радиоактивные изотопы, выяснилось, что самыми выгодными с энергетической точки зрения оказались реакции, при которых ядра взаимодействуют не с заряженными, а с нейтральными частицами, с нейтронами. Вот об этих реакциях и пойдет речь.
Исторически первой ядерной реакцией, которая привела к обнаружению нейтронов, было взаимодействие альфа-частиц с бериллием. Однако нейтроны, как оказалось впоследствии, можно получать и другими путями, например по реакции:
115B + 42He → 147N + 10n.
Известен еще один способ, приводящий к рождению нейтронов. Так, они возникают при действии протонов на мишень, содержащую изотоп лития:
73Li + 11H → 74Be + 10n.
Получающиеся по различным реакциям нейтроны обладают разной скоростью, разными энергиями.
Нейтроны оказались превосходными «снарядами» для «обстрела» атомного ядра. Ведь они не имеют заряда, а следовательно, не будут, как альфа-частицы или протоны, отталкиваться положительно заряженными ядрами. Ученые сразу же взяли нейтрон на «вооружение». Первым среди них был итальянский физик Энрико Ферми. В результате его экспериментов выяснилось, что большинство элементов периодической системы взаимодействует с нейтронами. Особенно хорошо протекали ядерные реакции с так называемыми медленными нейтронами.
Из физики известно, что если катящийся шарик сталкивается с неподвижным, наибольшее количество энергии (или максимальную скорость) неподвижный шарик получит в том случае, когда массы обоих шариков равны. То же самое происходило и с нейтронами. Лучше всего они замедлялись при соударениях с ядрами атомов водорода.
Однако при этом одновременно может происходить реакция:
11H + 10n → 21H + γ
В настоящее время лучшим замедлителем для нейтронов считается тяжелая вода, содержащая в своем составе вместо обычного водорода атомы его изотопа дейтерия 21Д, а также графит. И дейтерий и графит практически не взаимодействуют с нейтронами, то есть не поглощают, а лишь задерживают их.
В результате захвата ядрами медленных (или вообще любых) нейтронов чаще всего испускается гамма-квант и образуются изотопы тех же элементов, но с массовым числом на единицу больше. Однако в некоторых случаях после захвата медленного нейтрона из образовавшегося возбужденного ядра может вылетать протон или альфа-частица:
147N + 10n → 146C + 11H;
105B + 10n → 73Li + 42He.
В начале 1934 года Ферми начал изучать действие медленных нейтронов на ядра урана. Результаты этих экспериментов превзошли все ожидания: в продуктах взаимодействия удалось обнаружить неизвестные изотопы каких-то элементов, испускающие бета-частицы. Но какие? Предположили, что взаимодействие урана с нейтронами происходит по схеме:
23892U + 10n → 23992U + γ
Но образующийся изотоп урана, как считал Ферми, не мог быть стабильным и легко испускал бета-частицы:
23992U → 23993Э + β–
Поэтому Ферми высказал мысль, что при взаимодействии урана с нейтронами образуется новый, не встречающийся в природе элемент, который в периодической системе должен был располагаться за ураном. И хотя первый заурановый элемент — нептуний — был получен именно таким способом, оказалось, что в опытах Ферми фигурировал совсем не он…
Что именно получается в результате «бомбардировки» урана нейтронами, взялись выяснить французский ученый Фредерик Жолио-Кюри и серб Савич. Они пришли к неожиданному выводу: в продуктах взаимодействия урана с нейтронами присутствует элемент № 57 — лантан. Это было удивительно и непонятно: искали трансураны, а обнаружили элемент середины таблицы Менделеева. Объяснили непонятное явление немецкие радиохимики Ган и Штрассманн лишь в 1939 году.
Природный уран, как выяснили ученые, состоит из смеси трех изотопов с массовыми числами 238, 235 и 234. Первого из них, урана-238, в природном уране 99,28 процента; урана-235 — только 0,71 процента, а урана-234 — и того меньше. И вот обнаружилось, что с медленными нейтронами уран-235 взаимодействует очень своеобразно. Это приводит к совершенно новой ядерной реакции. Образовавшееся ядро изотопа урана-236 вместо испускания бета-частицы распадается на два осколка примерно равной массы с одновременным «рождением» двух или трех нейтронов. Схему такого взаимодействия урана-235 с нейтроном можно представить следующим образом:
23592U + 10n → 23692U → 9336Kr + 14056Ba + 310n
При такой реакции выделяется громадная энергия и образующиеся осколки с большой скоростью разлетаются в разные стороны.
Это навело ученых на мысль о возможности проведения цепной реакции. Ведь выделяющиеся нейтроны могли и дальше взаимодействовать с новыми ядрами урана. Прошло немного времени, и в 1942 году впервые в истории человечества людям удалось провести первую цепную ядерную реакцию.
Давайте более подробно разберем реакцию между ядрами урана-235 и нейтронами. При этой реакции на каждый израсходованный нейтрон появляется два или три новых. Однако необходимо учесть несколько обстоятельств.
Во-первых, образуются «быстрые» нейтроны, обладающие большой энергией, и, чтобы они могли взаимодействовать с новыми ядрами урана-235, их необходимо замедлить.
Во-вторых, природная смесь изотопов урана содержит в основном изотоп с массовым числом 238, который тоже может взаимодействовать с нейтронами (см. уравнение на стр. 310).
И, в-третьих, если количество урана, принимающего участие в ядерной реакции, невелико, то образующиеся нейтроны могут на своем пути не встретить ни одного атома урана-235 и улететь за пределы уранового блока, так и не совершив больше ни одного деления.