Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров
Но представьте себе, что в современных условиях, при работе ядерного реактора на 1 грамм урана получается 10–6 грамма какого-нибудь радиоактивного изотопа. Ведь это соответствует тому, как если бы злая мачеха один мешок чечевицы смешала с тысячью мешков золы!
Золушке помогли волшебные голуби. У современных радиохимиков таковых нет. И, кроме всего прочего, выделение радиоактивных изотопов при таких соотношениях усложняется тем, что в растворах они присутствуют в исключительно малых концентрациях, порядка 10–10–10–16 грамма в литре. В этих условиях элементы теряют многие специфические свойства (обычно полезные) и приобретают новые, далеко не способствующие их выделению. Такие количества нельзя, например, выделить в виде осадка обычными химическими методами. Необходимо еще добавить, что в результате реакций деления образуется не один радиоактивный изотоп, а более трех десятков, принадлежащих различным элементам периодической системы (от цинка до гадолиния). Это уже во много раз хуже тысячи мешков золы. Однако современные «Золушки» нашли выход из положения.
В начале нашего столетия немецкий химик Отто Ган попытался отделить радиоактивный свинец от нерадиоактивного. Два года продолжалась напряженная работа, и, наконец, Ган отступил. Никакими химическими опытами нельзя было отделить их друг от друга.
Как раз это обстоятельство часто используют сейчас для выделения радиоактивных изотопов. Чтобы получить радиоактивный изотоп, присутствующий в смеси в крайне малых количествах, к нему добавляют стабильный изотоп этого же элемента, а затем уже используют химические реакции, характерные только для него.
Допустим, у нас в смеси радиоактивные изотопы цезия, бария и серебра. В таком случае в раствор добавляют их стабильные изотопы, а затем последовательно выделяют из него серебро, прибавляя какой-либо растворимый хлорид, в виде хлористого серебра и барий, добавляя карбонат; в растворе остается лишь цезий. Метод такого выделения получил название осаждения с носителями. Кстати, не всегда обязательно добавляют в раствор, содержащий радиоактивный элемент, стабильный изотоп именно этого элемента. Можно заменить его элементом, который лишь частично по свойствам похож на него. Так, для отделения плутония от урана первоначально использовалась способность четырехвалентного плутония соосаждаться с фторидом лантана. Таким образом, выделение изотопов в радиохимически чистом виде (то есть свободных от примеси других радиоактивных изотопов) оказалось не слишком тяжелой задачей для радиохимиков.
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.
Нейтроны и уран
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
