Жан-Поль Эймишен - Электроника?.. Нет ничего проще!

Об измерениях в ядерной технике можно было бы, разумеется, написать целые тома, но я полагаю, что для себя мы уже исчерпали эту тему.

Н. — Я с тобою не согласен и пока еще не чувствую себя истощенным… Ты ничего не рассказал ни об обнаружении нейтронов, ни об использовании изотопов, ни об ином, кроме техники безопасности, использовании измерений радиоактивности, как, например, в геологической разведке или в научных исследованиях.

Л. — Постараюсь ответить на твои вопросы по порядку. Начну с нейтронов; установлено, что, сталкиваясь с атомом бора, они вызывают серию ядерных реакций, сопровождающихся гамма-излучением. Поэтому для обнаружения нейтронов достаточно покрыть пластинку борной кислотой и поместить ее рядом с ионизационным или сцинтилляционным счетчиками.

Н. — В самом деле, это представляется мне очень простым.

Л. — Радиоактивные изотопы представляют собой вещества, искусственно создаваемые путем бомбардировки нормальных атомов колоссальным потоком нейтронов, получаемым, например, в ядерном реакторе. Эти нейтроны могут проникнуть в атом и врасти в его ядро. Полученный таким образом новый изотоп часто бывает неустойчивым и радиоактивным. Он повсюду сопровождает нормальное вещество, но испускает ядерные лучи, которые позволяют его заметить. Например, при нейтронном облучении в реакторе куска стали, скажем, поршневого кольца, образуются атомы радиоактивного изотопа железа. Измеряя радиоактивность масла, используемого для смазки двигателя, в котором установлено такое кольцо, можно определить степень его износа. С помощью радиоактивных изотопов удалось нанести на атомы своеобразную метку, и атомы перестали быть анонимными, как раньше. Метка позволяет посредством физических измерений следить за атомами, точно так же как кольцо с номером на лапке позволяет опознать почтового голубя. Таким же образом можно проследить распределение йода (к которому подмешано небольшое количество радиоактивного изотопа йода) при заболевании щитовидной железы; если обвести вокруг тела больного счетчиком Гейгера, то он покажет, где сосредоточен радиоактивный, а следовательно, и обычный йод. Я думаю, что этим я ответил на твой третий вопрос. Попутно отмечу, что радиоактивные изотопы используются для просвечивания непрозрачных для обычного света предметов.

Так, например, ты можешь измерить уровень жидкости в непрозрачном стальном баке, если с одной стороны поместить источник радиоактивного излучения, а другой стороны — счетчик Гейгера (рис. 33); чем выше уровень жидкости, тем сильнее поглощается излучение. Таким же образом можно измерить толщину выходящего из прокатного стана стального листа — достаточно лишь определить, какая часть ядерного излучения прошла через этот стальной лист.

Рис. 33. Даже в непрозрачном баке можно измерить уровень жидкости. В зависимости от высоты уровня жидкость больше или меньше поглощает ядерное излучение источника; прошедшее излучение измеряется счетчиком.

Н. — Этот метод представляется многообещающим.

Л. — У меня нет времени, а то я рассказал бы тебе об обнаружении изъянов в толще металла, об очистке, о медицинских и многих других областях использования радиоактивных изотопов. В заключении этого раздела я хочу рассказать тебе о преобразователях, чувствительных к химическому — воздействию.

Н. — Но в химии я не так-то силен.

Л. — Беда не велика. Тебе сейчас достаточно лишь знать, что химические реакции представляют собой не что иное, как электрические взаимодействия между различными ионами (сейчас я говорю только о химии растворов). Кислотой называют вещество, которое в растворе освобождает водородные ионы Н+, т. е. водородные атомы, потерявшие свой электрон.

Н. — Следовательно, это протоны.

Л. — Совершенно верно. И эти протоны горят желанием возвратить утерянный электрон, и чаще всего они забирают его у отрицательных ионов, обладающих избытком электронов. Например, в растворах имеются ионы, именуемые гидроксильной группой ОН-, состоящие из одного атома кислорода, одного атома водорода и одного лишнего электрона. Эти ионы стремятся соединиться с ионами Н+.

Рис. 34. Если к двум опущенным в воду электродам приложить разность потенциалов, то ионы Н+ направятся к катоду, где получат недостающий им электрон и превратятся в водород. Это явление называется электролизом (ионы ОН- отдают свой заряд на аноде и разлагаются с выделением кислорода).

Н. — и что получается в результате?

Л. — Просто-напросто вода Н2О — нейтральное соединение. Молекулы воды в свою очередь имеют некоторую тенденцию распасться на ионы Н+ и ОН-, но таких молекул крайне мало: чистая вода очень плохо проводит электрический ток.

Протекающую реакцию записывают следующим образом:

Двойная стрелка обозначает, что реакция может протекать в обоих направлениях, но происходит она преимущественно в направлении справа налево. На основе одного химического закона можно доказать, что произведение количества содержащихся в воде ионов Н+ (концентрация, обозначается | Н+|) на количество содержащихся в воде ионов ОН- (обозначается | ОН-|) всегда постоянно и равно | Н+| х | ОН-| = 10-14.

Н. — В самом деле, не очень много! Это составляет одну стотысячную одной миллиардной! Как же обозначают цифрами такие концентрации?

Л. — Их выражают в «грамм-ионах на литр» (г·ион/л), т. е. числом, показывающим, сколько раз 1 г ионов Н+или 17 г ионов ОН- содержится в литре (что соответствует 6·1023 настоящих ионов). Само собой разумеется, что взвесить ионы нельзя, так как нет возможности получить их в свободном состоянии. Но их количество можно определить косвенными методами. Например, можно возвратить ионам Н+ недостающие им электроны, в результате чего получится газ водород (рис. 34), объем которого можно замерить, а это даст нам и вес (примерно 1 г на 11 л).

Н. — По твоему уравнению диссоциации количество ионов Н+ должно точно соответствовать количеству ионов ОН-. Разве не так?

Л. — Да, если бы я не добавил в воду постороннее вещество. Ну и раз ты находишься на верном пути, скажи мне, какова концентрация ионов Н+ в чистой воде.

Н. — Это можно рассчитать. Если | Н+| = | ОН-|, а их произведение равно 10-14, то концентрация каждого из названных ионов составляет 10-7.

Л. — Прекрасно. Если теперь я добавлю в воду кислоту, которая высвобождает большое количество ионов Н+, то концентрация ионов ОН- снизится, потому что произведение | Н+| х | ОН-| остается равным 10-14. Чем больше ионов Н+, тем более выраженный кислотный характер приобретает раствор. Теперь принято измерять количество ионов Н+ в растворе и обозначать его логарифмом в сопровождении значка Н+, эту величину называют водородным показателем pH раствора.

Н. — О! Опять логарифмы! Они приводят меня в ужас.

Л. — Все это не так страшно. Запомни только логарифмы некоторых чисел:

Н. — Значит, логарифм всего лишь показатель степени числа 10?

Л. — Видишь, ты сам это понял. Когда говорят, что pH раствора, например, 6, это означает, что концентрация ионов Н+ в этом растворе составляет 10-6. Ты знаешь, что очень чистая вода имеет показатель pH, равный 7. У кислых растворов показатель pH меньше 7…

Н. — Нет, ты ошибаешься! В кислых растворах концентрация ионов Н+ выше.

Л. — Подожди, Незнайкин, разве ты не согласен, что 10-2 (или 0,01) все же больше, чем 10-7 (или 0,0000001)?

Н. — Согласен, ты прав. Но скажи, пожалуйста, до какого уровня может опуститься показатель pH в очень кислых растворах?

Л. — При pH = 0 в растворе в каждом литре содержится 1 грамм-ион Н+. А так как концентрация этих ионов может быть немного выше, то величина pH может спуститься несколько ниже нуля — почти до —1.