книги из ГПНТБ / Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация

ядра некоторых атомов, например 80 16, 7NU и др. Ядерные реакции очень разнообразны. Так, бомбардируя ядро

но, не все эти процессы равно вероятны. Реальная воз­ можность той или иной реакции из числа перечисленных зависит от энергии дейтрона. Эффективность осуществлен ния ядерных реакций мы рассмотрим дальше, а сейчас’ остановимся на очень важном типе ядерных реакций —■] реакциях, которые вызываются нейтронами.

Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому он легко может приблизиться к атомному ядру и вызвать ядерную реакцию. В 1934 г. Э. Ферми, бомбардируя ней­ тронами атомные ядра, убедительно доказал возмож­ ность искусственного получения радиоактивных ядер в реакциях с нейтронами.

Нейтроны эффективно взаимодействуют с атомными ядрами и вызывают разнообразнейшие процессы. Напри­ мер, при взаимодействии нейтронов с алюминием могут произойти такие ядерные реакции:

III.13А127 + „п1-> 1SA128.

Врезультате образуются разные радиоактивные яд­ ра. В I реакции происходит излучение альфа-частицы, во II — протона, в III нейтрон поглощается ядром. Если конечное ядро образуется в возбужденном состоянии, то реакция сопровождается излучением гамма-лучей. Пе­ речисленные реакции не исчерпывают всего разнообразия их.

Источником нейтронов могут служить различные

ядерные реакции. Наиболее мощные источники нейтро-

60

нов — атомные реакторы, где происходит процесс деле­ ния ядер урана. Под действием нейтронов ядро урана эгИ235 раскалывается на два осколка. При этом выделяет­ ся большое количество энергии и, что очень важно, воз­ никает несколько новых нейтронов. Новые нейтроны в свою очередь вызывают процесс деления. Если при каж­ дом акте деления появляется больше одного нейтрона, то число актов деления будет непрерывно возрастать, поскольку количество нейтронов увеличивается лавино­ подобно. Этот процесс носит название цепной реакции.

В ядерных реакторах развитие цепной реакции конт­ ролируется с помощью специальных мер; нейтронную ла­ вину удерживают на определенном уровне.

Если в реактор, в активную зону, где происходит про­ цесс деления, поместить какое-то вещество, то его ядра будут интенсивно бомбардироваться нейтронами, кото­ рые имеются в этой зоне в излишке. В результате обра­ зуются искусственные радиоактивные изотопы. После то­ го как облученный образец вынули из реактора, при по­ мощи разных физических и химических методов радио­ изотопы определенных элементов отделяют и таким образом получают радиоактивные препараты. Последняя операция, если желательно иметь чистый радиоактивный препарат, почти всегда необходима, ибо под действием нейтронов в одном образце возникает несколько разных изотопов. В атомном реакторе радиоактивные изотопы могут образовываться также иным путем. При делении ядра урана возникает два осколка — два ядра с массой, приблизительно равной половине массы ядра урана. Эти ядра-осколки чаще всего радиоактивные. Путем химиче­ ской обработки такие ядра можно выделить из материа­ лов урановых блоков. В частности, после пребывания в течение определенного срока в атомном реакторе ура­

61

новые блоки становятся радиоактивными и могут быть использованы как источники гамма-излучения.

Мы уже говорили о том, что не всякая частица вызы­ вает ядерную реакцию, последняя — очень редкое яв­ ление. Рассмотрим вопрос об эффективности осуществ­ ления ядерной реакции.

Возьмем вещество, ядра которого в процессе опреде­ ленной ядерной реакции желательно превратить в ядра иного рода. Это будет мишень, которую мы будем облу-! чать ядерными частицами, полученными в ускорителе] или в реакторе. Пусть на каждом квадратном сантиметре мишени располагается пя ядер. Направляем на мишень поток частиц, причем пучок равномерно размещается по

происходит Ыр ядерных превращений данного вида. Тог­ да вероятность данной реакции может характеризоваться

величиной а пяпч [см2].

Это эффективное поперечное сечение данной реакции. Исчисляется оно в квадратных сантиметрах. За единицу эффективного поперечного сечения принимают площадь, которая равна 10-24 см2. Такая величина называется барн.

Смысл эффективного поперечного сечения можно по­ нять из следующего: в квадрате со стороной 1 см каж­ дое ядро представляет собой мишень площадью а см2. Если хаотически обстреливать всю площадь ядерными частицами, вероятность попадания их на площадь а и бу­ дет вероятностью осуществления реакции.

Чтобы убедиться в совсем не простой возможности попадания, увеличим сторону квадрата до 10 млн. км. В этом случае поперечное сечение в 1 барн выразится квадратом со стороной в 1 см. Вероятность реакции бу­

62

дет пропорциональна вероятности попадания при хаоти­

ядерные реакции все же происходят. В исследованиях Резерфорда, например, при бомбардировке ядер азота альфа-частицами одна из 100 000 частиц вызывала ядерную реакцию. Дело в том, что поперечное сечение опре­ деляется для одного ядра, а в мишени помещается ог­ ромное количество таких ядер. Кроме того, количество частиц, бомбардирующих ядро за 1 сек, исчисляется де­ сятками и сотнями миллиардов.

Чем больше эффективное поперечное сечение и чем большее количество частиц упадет на мишень, тем боль­ ше произойдет ядерных реакций и тем больше появится радиоактивных ядер. Можно увеличить как число частиц, которые падают на мишень за единицу времени, так и время облучения. Во время облучения мишени количест­ во радиоактивных ядер в мишени со временем будет уве­ личиваться. Но ядра эти нестойкие, с накоплением все большее количество их будет подлежать радиоактивному распаду. В определенный момент наступит равновесие: количество ядер, возникающих за единицу времени, будет равно количеству ядер, которые распадаются. Дальней­ шее облучение теряет смысл. Это обстоятельство следует иметь в виду, особенно для изотопов с небольшим перио­ дом полураспада.

Один и тот же радиоактивный изотоп можно полу­ чить при разных ядерных реакциях. Например, извест­ ный уже нам радиоактивный изотоп фосфора ^Р32 с пе­ риодом полураспада 14,3 дня может быть получен в та­ ких реакциях:

145129 + ¡¡Не4 -> 15Р32 + 1Н1,

^ - Ь Н ^ Р ’и + зНе4,

63

15Р» + х№ -> 15Р32 + 1Н1,

В каждом конкретном случае избирают наиболее ра­ циональный путь получения того или иного изотопа, учи­ тывая поперечное сечение ядерной реакции, наличие ин­ тенсивного источника ядерных частиц определенной энергии, материал мишени и другие факторы.

Сигналы из микромира

Химические свойства любого атома определяются его электронной оболочкой или зарядом ядра. Радиоактив­ ные изотопы отличаются от стабильных изотопов только массой ядра, а их поведение в химическом отношении одинаково.

Изотопы имеют разную массу, этим объясняются не­ сколько отличные физические свойства атомов, что ис­ пользуется при разделении изотопов. Однако когда име­ ется смесь атомов одного и того же элемента, в которую входит некоторая часть его радиоактивных атомов, то в химических превращениях радиоактивные атомы поведут себя, как и атомы устойчивые, стабильные. Например радиоактивный изотоп С11 будет вступать в те же хими­ ческие реакции, что и стабильные изотопы углерода С12 или С13.

Химические соединения, в которые войдут радиоак­ тивные атомы, будут принимать участие в химических, физических и биологических процессах точно так же, как и соединения, состоящие из обыкновенных атомов. Это

64

организм с поваренной солью, выделяется приблизитель­ но через трое суток. Аналогичные расчеты делают и при иных исследованиях.

Возникает вопрос, не является ли этот метод вредным для человека? Мы уже говорили, что влияние излучения на организм зависит от дозы. Если доза большая, то, по-

Рис. 15. Регистрация излучения:

1 — радиоактивный источник, 2 — счетчик.

нятно, такой опыт делать нельзя. Если доза облучения будет небольшая, опыт можно проводить.

Определить небольшое количество излучения помо­ гает высокая чувствительность метода меченых атомов, которая объясняется чувствительностью приборов, реги­ стрирующих ядерные излучения. Пусть у нас будет пре­ парат радиоактивного фосфора (период полураспада ко­ торого— 14,3 дня). Излучение регистрирует счетчик Гей­ гера—Мюллера (рис. 15). При таком опыте только 10% всех излученных частиц попадет в счетчик. Подсчитаем минимальную активность, которую он может опреде­ лить.

66

ных ядер, времени и постоянной распада. Скорость рас­ пада пропорциональна общему количеству радиоактив­ ных атомов и может быть определена количеством отсче­ тов счетчика за единицу времени (скорость счета). Зная последнюю, можно говорить о количестве радиоактивных ядер и вообще о количестве вещества, которое содержало радиоактивные ядра. Такие рассуждения и лежат в осно­ ве количественных расчетов, применяемых при использо.-^ вании метода меченых атомов.

Общее количество распадов в единицу времени на-‘1 зывают абсолютной активностью и определяют в едини­ цах кюри. Определить абсолютную активность образца довольно трудно. Счетчик регистрирует лишь часть ча­ стиц, которые выделяются радиоактивным источником. В каждом эксперименте существует некоторая эффектив­ ность счета, она определяется числом, показывающим, ка­ кая часть распадов регистрируется счетчиком.

Коэффициент эффективности счета зависит прежде всего от геометрических факторов. Точечный источник, например, будет посылать частицы во все стороны окру­ жающего его пространства. Возможны различные вари­ анты опытов, источник может быть плоским или в виде проволоки, а счетчик — занимать разные положения по отношению к источнику. Имеются, например, счетчики, допускающие размещение радиоактивного источника внутри счетчика. В этом случае будут регистрироваться все частицы, выпускаемые источником.

На эффективность счета влияют и другие причины: мертвое время счетчика, поглощение излучения атмосфе­ рой и стенками счетчика и т. д. Перед проведением опы­ та по определению абсолютной активности коэффициент эффективности счета можно определить, пользуясь спе­ циальными формулами или экспериментально, с помо­ щью эталонного источника.

68

Не во всех случаях работы с мечеными атомами не­ обходимо знать абсолютную активность образца. Значи­ тельно чаще нужно просто сравнить активность двух или больше радиоактивных препаратов. В таких опытах определяют относительную активность, которая изме­ ряется количеством импульсов (показаний) счетчика в единицу времени (имп/сек, имп/мин и т. д.).

? Когда необходимо сравнить активность двух препаратов (допустим, что это — препараты одного и того же изотопа, в другом случае пришлось бы вносить поправки на разницу в схемах распада, эффективность счета и т. п.), то на одном и том же счетчике в одинаковых усло­ виях определяется скорость счета обоих препаратов. Она будет пропорциональна количеству изотопа в образце; поскольку условия определения скорости счета для обоих образцов одинаковые, то отношение скоростей в этих случаях покажет отношение количества радиоактивных ядер двух образцов.

Изменение относительной активности во времени под­ чиняется законам радиоактивного распада. Это следует иметь в виду при сравнении образцов, работа с которыми разделяется временем, равным периоду распада. Количе­ ство ядер за это время может существенно измениться за счет распада, и сравнение будет неверным. Скорость сче­ та должна быть отнесена к какому-то определенному мо­ менту времени. В дальнейшем мы рассмотрим примеры таких расчетов.

Определить абсолютную активность можно способом сравнения, если один из образцов является эталонным источником. Чаще активность относят к объему или к массе вещества. Активность всего вещества (всего объе­ ма) называют общей активностью, а если она отнесена к весу, объему или площади, то — удельной активностью. Об удельной активности изотопов речь уже шла выше.

69