§ 122. Одержання радіоактивних ізотопів

Після відкриття у 1932 р. англійським фізиком Чед-віком нейтрона французькі фізики Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі зайнялися дослідженням ядерних реакцій, які вини­кають при опроміненні різних речовин альфа-частинками. Вони виявили, що опромінені речовини можуть випускати нейтрони, протони, електрони, гамма-фотони та інші частинки і після припинення опромінення їх альфа-частинками.

Подальші дослідження показали, що штучно радіоак­тивні ядра можна дістати в результаті бомбардування речовин не лише альфа-частинками, а й нейтронами, прото­нами чи іншими частинками, розігнаними в спеціальних прискорювачах до великих енергій, наприклад, ядрами дейтерію, тритію тощо.

Розглянемо кілька прикладів реакцій одержання радіо­активних ядер. Ядро йодузахоплює нейтрон і утво­рюється ядро бета-радіоактивного ізотопу йодуз періодом ігіврозпаду Т= 24,98 хв:

У результаті радіоактивного розпаду йоду утворюється стабільний ізотоп ксенону з масовим числом А = 128.

Стабільний ізотоп натрію під дією нейтронів

перетворюється в ізотоп Цей ізотоп є бета-радіо-

активним і перетворюється у стабільний ізотоп магнію випускаючи при цьому гамма квант:

Як і для природних радіоактивних речовин, так і для штучно радіоактивних ізотопів властиві альфа-, бета-і гамма-розпади. Принципової різниці між природною і штучною радіоактивністю не існує. Властивості ізотопу не залежать від способу його утворення і радіоактивний ізотоп, одержаний штучно, нічим не відрізняється від такого самого природного ізотопу.

З часу відкриття штучної радіоактивності одержано кілька радіоактивних ізотопів для кожного хімічного елемента з різними періодами піврозпадів: від часток секунди до тисяч років. Усього одержано і досліджено понад 1500 радіоактивних ізотопів.

Штучна радіоактивність відіграла важливу роль у син­тезі трансуранових елементів, тобто елементів з порядко­вим номером, більшим за порядковий номер урану (Z= 92). На сьогодні одержано 16 трансуранових елементів, кожен з яких мав кілька ізотопів. Нижче в таблиці 3 приведено їх перелік, вказано ізотоп з найбільшим часом життя і період його піврозпаду.

Таблиця З

Відомі на сьогодні трансуранові елементи

Примітка. Елементи зі 107 поки що не мають загально-

прийнятих назв. У 1994 р_# російські фізики синтезували елемент з

? 1. Як була відкрита штучна радіоактивність? Як можна одержати штучні радіоактивні ізотопи? 2. Як змінюється з часом радіоак­тивність штучних радіоактивних ізотопів? 3. Чи існує різниця між природною і штучною радіоактивністю? 4. Які елементи називають трансурановими? Чому таких елементів немає на Землі?

§ 123. Використання радіоактивних ізотопів у науці й техніці

Радіоактивні ізотопи різних хімічних елементів широко застосовуються в різноманітних галузях господарства країни. З'ясуємо фізичні принципи основних методів цих застосувань.

Основою практичного використання радіоактивних ізо­топів є такі їх властивості:

а) будь-який радіоактивний ізотоп є міченим атомом відповідного елемента, тобто атомом, який за фізичними і хімічними властивостями не відрізняється від звичайного атома, однак поведінку якого можна спостерігати за його радіоактивним випромінюванням;

б) будь-яке радіоактивне випромінювання має певну проникну здатність, тобто властивість поширюватися і поглинатися в даному середовищі певним чином;

в) радіоактивні випромінювання іонізують речовини;

г) під дією нейтронів та інших випромінювань великої енергії в речовині утворюється наведена радіоактивність.

Відповідно до цих властивостей основні методи вико­ристання радіоактивних випромінювань можна розділити на такі чотири групи: а) мічені атоми (або радіоактивні індикатори); б) використання проникної здатності випро­мінювань; в) використання іонізуючої здатності випромі­нювань; г) використання різних форм наведеної радіоак­тивності.

Наведемо приклади застосування цих методів.

Метод мічених атомів полягає в тому, що до хімічного елемента домішується певна кількість його радіоактивного ізотопу. Цю радіоактивну домішку не можна хімічно відрізнити від основної маси елемента, однак її можна виявити за допомогою лічильника Гейгера — Мюллера або іншого приладу, що реєструє радіоактивні випроміню­вання. За поведінкою радіоактивного ізотопу можна судити і про властивості хімічного елемента, який нас цікавить. Радіоактивність є своєрідною міткою, яка дає можливість спостерігати поведінку атомів того чи іншого хімічного елемента.

Використання мічених атомів дало дуже цінні відомо­сті в біології, хімії, металургії, медицині, фізіології тощо. Наприклад, за допомогою мічених атомів можна дістати інформацію про швидкість обміну речовин в тканинах живого організму, про швидкість руху крові в судинах людини і нафтопродуктів трубопроводами тощо.

Для прикладу розглянемо дослідження процесу жив­лення сільськогосподарських рослин фосфором. В грунт під досліджувані рослини вносять фосфорні добрива з до­мішкою радіоактивного ізотопу. Після цього рослини періодично обстежують за допомогою лічильників радіо­активних випромінювань. За інтенсивністю випромінюван­ня від різних частин рослин можна установити, коли фосфор надходить в кореневу систему, з якою швидкістю переміщується всередині рослини, як розподіляється в ній, яку участь бере в обміні речовин тощо. Ці дослідження звичайно доповнюють радіофотографуванням: рослину зрі­зають і кладуть на фотографічну пластинку. Радіоактивне випромінювання діє на пластинку і після проявлення на ній виявляються темні плями. Розподіл почорніння пластинки покаже розподіл радіоактивної речовини в до­сліджуваній рослині. Такі зміни, одержані завдяки дії радіоактивного випромінювання, дістали назву «радіо­автографів».

У медицині за допомогою мічених атомів вивчають вміст тих чи інших речовин в різних тканинах і органах людини, обмін в організмі тощо з метою діагностики деяких захворювань. Так, наприклад, за допомогою радіо­активного йоду розпізнають захворювання щитовидної залози, а також пухлин головного мозку. Невелику кіль­кість радіоактивного ізотопудомішують до нерадіо-активногоі суміш вводять в організм. Радіоактив­ний йод випускає електрони, які можна виявити лічильни­ком Гейгера — Мюллера. За показами лічильника можна судити про швидкість нагромадження і кінцеву концентра­цію йоду в щитовидній залозі або в тканині пухлини голов­ного мозку і зробити певні висновки про захворювання людини.

Аналогічно досліджуються переміщення в організмі людини різних лікарських речовин, їх засвоєння різними органами тощо.

У машинобудуванні мічені атоми використовуються для вивчення характеру зношування деталей машини залежно від режиму їх роботи і властивостей змащуваль­них речовин, для визначення швидкості зношення підшип­ників у різних умовах. Для цього в одну з тертьових повер­хонь вносять радіоактивний ізотоп (наприклад, бета-радіоактивний ізотоп заліза в сталь), після чого

вимірюють радіоактивність другої тертьової поверхні, або (що звичайно зручніше) змащувальної речовини. Такий метод дає можливість різко скоротити час дослідження

зношення при вищій точності і більшій детальності інфор­мації про цей процес.

Широко використовується в різних галузях господар­ства країни проникна здатність гамма- (рідше бета-) променів. В основу дії майже усіх приладів такого роду по­кладено один і той самий простий принцип: реєстрація у приймачі радіоактивних випромінювань детектора змі­нюється, якщо змінюється товщина або вид матеріалу між приймачем і джерелом випромінювання. На основі цього принципу діють прилади для вимірювання товщини, гу­стини речовини, рівня рідин чи сипучих тіл в закритих посудинах, лічильники предметів, гамма-дефектоскопи тощо. На цьому ж принципі діють численні гамма-релейні пристрої, які автоматично контролюють хід виробничих процесів.

Принцип дії таких приладів розглянемо на прикладі контролю товщини виробів (мал. 236). Потік радіоактив­ного випромінювання від джерела 1 проходить через конт­рольований виріб 2 і потрапляє в лічильник 3. При зміні товщини виробу змінюється інтенсивність реєстрованого лічильником випромінювання, який подає відповідний сигнал через підсилювач на електродвигун ED, який регу­лює стискання валківтак, щоб товщина прокату була сталою. Такі прилади з успіхом працюють навіть тоді, коли виріб переміщається з великою швидкістю.

Аналогічно можна контролювати густину речовини, її склад тощо.

Однією з найбільш розвинутих галузей застосування радіоізотопних приладів цього типу є їх використання для автоматичного контролю рівня рідких і сипучих речовин в закритих непрозорих посудинах, розплавленого чавуну у вагранках тощо. Принцип дії найбільш поширених

приладів для контролю рівня такий. З протилежних боків посудини один проти одного розміщують джерело 1 і при­ймач випромінювання 2 (мал. 237). Оскільки густина по­вітря значно менша за густину речовини в посудині, поки рівень речовини знаходиться нижче прямої, яка з'єднує джерело і приймач, потік випромінювання, пройшовши через стінки посудини, потрапляє на приймач. У резуль­таті заповнення посудини речовиною рівень останньої підніметься вище за пряму джерело — приймач, потік ви­промінювання перестає потрапляти на приймач і спеціаль­ний релейний пристрій вмикає світлову чи звукову сигна­лізацію або механізм автоматичного регулювання рівня. Важливе місце в господарстві країни посідає вико­ристання іонізуючої здатності радіоактивних випроміню­вань. Особливо важливим є використання цієї здатності в медицині для руйнування злоякісних пухлин. Під дією гамма-випромінювання кобальтуруйнуються ракові

пухлини, успішно виліковується рак крові людини (лей­кемія).

Радіоактивні випромінювання вбивають мікроорганіз­ми, а тому застосовуються для стерилізації харчових продуктів і фармацевтичних препаратів.

На закінчення розглянемо використання явища наведе­ної радіоактивності. Особливо широко це явище викори­стовується у так званому активаційному аналізі. Під час

опромінення досліджуваної речовини нейтронами деякі з атомів стабільних ізотопів даної речовини, захопивши нейтрони, перетворюються в радіоактивні ізотопи. Уста­новивши за характером випромінювання (за видом випро­мінюваних частинок, за їх енергією і періодом піврозпаду), які саме радіоактивні ізотопи утворилися, можна судити про наявність у даній речовині домішок тих чи інших елементів. Чудовою особливістю активаційного аналізу 6 можливість виявлення дуже малих концентрацій до­сліджуваних елементів — до 10 ~'° %.

Цікавим прикладом використання явища наведеної радіоактивності є визначення віку археологічних об'єктів за вмістом у них радіоактивного ізотопу

? 1. Які властивості радіоактивних ізотопів в основою для їх прак­тичного використання? 2. Які існують основні методи використання радіоактивних ізотопів? 3. Наведіть приклади застосування методу мічених атомів. 4. Наведіть приклади використання проникної здат­ності гамма-випромінювання.