/
Text
/
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ
«г^ Б БЛ ОТЕКА -*г
•А*Л»
' Н.
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
ВЫПУСК 33
Ан. Н. НЕСМЕЯНОВ
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1951 ЛЕНИНГРАД
16-2-1
К ЧИТАТЕЛЮ
Ваши отзывы и пожелания о книжках
«Научно-популярной библиотеки» просим
направлять по адресу: Москва, Орликов пер.,
д. 3, Гостехиздат.
Редактор Л. И. Суслова.
Техн. редактор Р. А. Неграмовсьая. Корректор А. Казан.
Подписано к печати 22/XI 1951 г. Бумага 84 X 108/^,. 1 бум. л.
3,28 печ. л. 3,51 уч.-изд. л. 42 840 тип. зн. в печ. л. T-09509. Ти^аж 100 000 экз.
Пена книги 1 р. 05 к. Заказ №2904.
Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Главполиграфиздага при
Совете Министров СССР. Москва, Валовая, 28,
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 5
I. Атом 6
1. В мире малых величин . » * 6
2. Новые лучи 7
3. Радий 8
4. Строение атома 10
5. Химический язык 11
6. Периодический закон И
7. Строение ядра атома 15
П. Природные радиоактивные элементы 16
1. Изотопы 16
2. Семейства радиоактивных элементов 18
3. Период полураспада 21
4. Радиоактивное равновесие 22
Ш. Искусственные элементы 24
1. Азот превращается в кислород 24
2. Открытие Жолио-Кюри 25
3. Атомная артиллерия 27
4. Деление урана 31
IV. Радиоактивные атомы — меченые атомы 34
1. Как можно узнать о присутствии радиоактивных
элементов 34
2. Куда идёт фосфор? 33
3. Путь атомов натрия 41
4. Судьба иода 42
5. Астатин 43
6. Роль железа 43
1* 3
7. В борьбе с болезнями • 45
8. Кок-сагыз 45
9. Природа метит атомы 46
10. Геологические часы 48
11. Поиски полезных ископаемых 50
12. Атомы в растворах 51
13. Устойчивы ли молекулы? 53
14. Движение атомов в газах 54
15. Как ведут себя атомы в твёрдых телах? 54
16. Испарение твёрдых веществ 55
17. Строение сплава 56
18. Атомы-контролёры 58
19. Марка стали 58
20. Трение и смазка 59
21. О шёлковых нитях 61
22. Поверхность пористых веществ 61
23. Очистка сточных вод , 62
Заключение 62
ВВЕДЕНИЕ
Все окружающие нас предметы состоят из того или другого
вещества. Вещество не является сплошным. Оно может
быть разделено на очень мелкие частички — молекулы.
Молекулы в свою очередь состоят из ещё более мелких частиц —
атомов.
Атомы и молекулы всегда находятся в непрерывном
движении. Все происходящие вокруг нас процессы, например
усвоение пищи животными и всасывание питательных соков
растениями, получение металлов, сахара, спирта, красок
и других веществ, распространение запаха и т. д., связаны с
движением атомов и молекул. Это движение не удаётся
проследить даже с помощью самых совершенных оптических
увеличительных приборов.
Учёные давно мечтали о возможности «пометить» атомы
так, как метят перелётных птиц, за которыми хотят вести
наблюдения. В настоящее время эта мечта осуществилась.
Мы расскажем здесь, как удалось это сделать и какие
интересные исследования проводятся с мечеными атомами: как
узнают о путях, по которым молекулы движутся в организмах
животных и растений; как определяют возраст земных
пород и древних поселений; как изучают сплавы и т. д.
Прежде чем рассказать об этом, вспомним, как построены
атомы и какие превращения они могут испытывать*
5
I. ATOM
1. В МИРЕ МАЛЫХ ВЕЛИЧИН
Э37*Ю23
В настоящее время известно около ста различных
химических элементов. Атомы каждого элемента отличаются
прежде всего своим весом. Веса атомов чрезвычайно
малы. Например, в одном грамме серы содержится около
20 000 000 000 000 000 000 000 атомов *), и каждый атом серы
весит приблизительно 0,000 000 000 000 000 000 000 05 грамма.
Атом самого лёгкого элемента — водорода — весит в 32 раза
меньше, а атом урана, одного из самых тяжёлых
элементов, — в 7,5 раза больше, чем атом серы. Невелики по весу
и молекулы, так как они состоят из небольшого числа
атомов. Даже гигантские молекулы некоторых белковых
веществ, которые в 16 000 раз тяжелее атома водорода, весят
только 0,000 000 000 000 000 000 027 грамма.
В самых
небольших количествах
вещества содержится
грандиозное число атомов.
Чтобы представить
себе эти числа, приведём
ряд примеров. В
одном килограмме воды
содержится столько
молекул, сколько
килограммовых гирь
необходимо поставить на
чашку весов, чтобы
уравновесить ими
земной шар (рис. 1). Если
из трубы паровоза
вылетит один грамм
сажи и равномерно
распределится по
поверхности земного шара,
то на каждом квадратном сантиметре поверхности окажется
10 000 атомов углерода, из которых состоит сажа.
Рис. 1. В одном килограмме воды
содержится столько молекул, сколько
килограммовых гирь необходимо поставить
на чашку весов, чтобы уравновесить ими
земной шар.
*) Это число может быть записано так.'2-lO22, то-есть 2,
умноженное 22 раза на 10; 0,002 равно 2*10-3, то-есть два, делённое на
10.10-10=1000.
6
Размеры атомов и молекул, конечно, чрезвычайно малы.
Обычно диаметры атомов выражают в единицах, которые
называются ангстремами. Ангстрем равен одной
стомиллионной части сантиметра.
Если атомы серы расположить в одну линию, то в одном
сантиметре их уместится 100 миллионов, так как диаметр
атома серы приблизительно равен одному ангстрему.
Вести расчёты с маленькими величинами, выражающими
истинные, абсолютные веса атомов, неудобно, поэтому обычно
пользуются системой так называемых относительных атомных
весов. По этой системе веса всех атомов выражаются через
вес атома кислорода. Условно считают, что вес атома
кислорода равен 16 атомным единицам. Атом серы вдвое тяжелее
атома кислорода, поэтому атомный вес серы равен 32.
Атомный вес углерода равен 12, урана — 238, а водорода —
приблизительно единице.
2. НОВЫЕ ЛУЧИ
В конце прошлого столетия французский физик А. Беккерель
обнаружил, что вещества, в состав которых входит элемент
уран, испускают какие-то лучи. Эти лучи, так же как и
солнечные, действуют на фотографиче- х^пчД
скую пластинку, вызывая почернение i & /'
светочувствительного слоя. Но, в
отличие от солнечных, новые лучи
оказывают своё действие на пластин- g
ку и в том случае, когда она завёр- тттттляяллл$
нута в чёрную бумагу.
Изучением лучей, открытых Бек-
керелем, занялись многиеучёные.
Особенно плодотворными были работы
Марин Складовской-Кюри и её мужа
Пьера Кюри. Сначала они нашли,
что лучи Беккереля испускаются
только теми веществами, которые
содержат уран или торий. Для
обнаружения этих лучей Пьер Кюри
достроил специальный прибор (рис. 2).
Действие прибора основано на том, что лучи Беккереля
делают воздух проводником электрического тока.
Металлическая пластинка / присоединяется к положительному полюсу
Рис. 2. Схема прибора
Пьера Кюри для
обнаружения лучей Беккереля.
1 и 2 — металлические
пластины,
3—гальванометр, 4 — источник тока,
5—исследуемое вещество.
7
электрической батареи, а пластинка 2 — к отрицательному.
Если на пластинку / поместить излучающее вещество, то
воздух делается проводником электрического тока, вся цепь
оказывается замкнутой и стрелка гальванометра 3 отклоняется.
Чем больше лучей испускает вещество, чем интенсивнее
излучение, тем больше отклоняется стрелка.
Мария Кюри установила, что интенсивность излучения тем
больше, чем больше урана находится в веществе. Вскоре,
однако, выяснилось, что урановая руда, так называемая
урановая смолка, давала излучение в несколько раз
более сильное, чем чистый металл уран, несмотря на то, что
в урановой смолке содержалось лишь несколько процентов
урана. Этот факт говорил о том, что в урановой смолке есть
какое-то вещество, способное к более сильному излучению,
чем сам уран.
Поисками этого неизвестного вещества и занялись Мария
и Пьер Кюри. В результате двухлетней работы им удалось
обнаружить в урановой руде два новых вида атомов, два
новых элемента — радий и полоний. Полоний получил своё
имя в честь родины Марии Кюри Польши, а радий—за его
излучение (радиус в переводе с латинского—луч). Само
излучение было названо радиоактивным.
3. РАДИЙ
Радий даёт те же лучи, что и уран, но излучение радия
более сильное. Радий непрерывно выделяет тепло.
Лучи от кусочка радия идут прямолинейно во все стороны.
Они плохо проникают через свинец, и если радий находится
на дне свинцовой коробки, в которой сделано узкое отверстие,
то лучи распространяются только из этого отверстия и дают
на фотопластинке одно маленькое пятно (рис. 3, л), а все
остальные лучи поглощаются свинцом. Если лучи радия проходят между
двумя сильно электрически заряженными пластинками, то они
делятся на три составные часта. Это легко обнаружить с
помощью фотопластинки. Вместо одного пятна на фотографии
появляются три: одно находится в центре, другое рядом с
ним, а третье несколько дальше, с другой стороны от
центрального (рис. 3, б).
Три рода лучей радия были названы альфа-, бета- и гамма-
лучами (альфа, бета и гамма—названия трёх первых букв
греческого алфавита: а, р, у)«
8
Альфа-лучи имеют положительный заряд, так как
отклоняются в сторону отрицательно заряженной пластинки, бета-
лучи имеют отрицательный заряд, так как притягиваются к
положительно заряженной пластинке, а гамма-лучи не меняют
своего направления в электрическом поле и, следовательно,
не несут заряда.
Учёные нашли, что альф а-луч и — это поток
положительно заряженных атомов гелия. Альфа-
частицы вылетают из радия с огромной скоростью —
приблизительно 17 000 км в секунду. Они способны проникнуть
Y
^
Свинец
Рис. 3. а — поток лучей радия даёт на фотопластинке
чёрное пятно, б—проходя через сильное электрическое
поле, поток делится на три вида лучей.
через слой воздуха в 7—10 см толщиной. Проходя через
воздух, они делают его проводником электричества.
Бета-луч и—это поток электронов*). Электроны вылетают
из радия со скоростью, близкой к скорости света (скорость света
равна 300 000 км в секунду). Они проникают через вещества
значительно лучше, чем альфа-лучи. Если альфа-лучи
задерживаются пластинкой алюминия в 0,05 мм толщиной, то бета-лучи
радия способны пройти через пластинку толщиной в несколько
миллиметров. Так же как и альфа-лучи, электроны делают
воздух проводником электричества, только в меньшей степени.
Гамма-лучи имеют ту же природу, что и обычный
видимый нами свет, но в отличие от него гамма-лучи свободно
проходят через непрозрачные тела, например через бумагу,
дерево; гамма-лучи способны проникнуть через слой свинца
толщиной в несколько сантиметров.
*) Электроны — это составные части каждого атома, несущие
отрицательный электрический заряд. Электрон приблизительно в 1850
раз легче атома водорода.
9
На интенсивность излучения радия заметно не влияют
такие внешние воздействия, как нагревание до довольно
высоких температур, охлаждение, высокое давление, сильное
разрежение, электрический ток и т. д.
4. СТРОЕНИЕ АТОМА
Исследование свойств радия и ряд других опытов привели
^учёных к заключению, что атомы являются сложными
частицами: в состав их входят положительно заряженные частицы и
электроны. Как же расположены они в атоме?
В центре атома находится положительно заряженное ядро
очень малых размеров. Ядро окружено электронами. Так
как атом в целом не имеет заряда, то число зарядов ядра
равно числу окружающих его электронов.
Расстояния электронов от ядра значительно больше
размеров самого ядра. Если увеличить ядро до размеров горошины, то
электроны окажутся на расстоянии до 100 метров от её центра.
На самом же деле диаметр ядра атома имеет размер порядка
0,0001 ангстрема, а сам атом — от одного до пяти ангстремов.
• Электрой
|Ц Ядро (цифра обозначает величину
w положительного заряда)
Рис. 4. Упрощённые схемы строения некоторых атомов.
Электроны составляют лишь незначительную часть массы
атома. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Если бы
мы смогли наполнить один кубический сантиметр ядрами
какого-либо атома, то он весил бы приблизительно столько же,
сколько величайшая гора Кавказа Эльбрус.
Атомы различных элементов отличаются друг от друга
весом и зарядом ядра.
На рисунке 4 показаны упрощённые схемы строения
некоторых атомов. Электроны в атомах располагаются слоями.
10
Атом может передать электроны из внешнего слоя другому
атому в результате химической реакции, под действием
электрического тока и т. д. При этом образуются электрически
заряженные атомы, которые называются иона м и. Атомы,
потерявшие один или несколько злектронов, становятся
положительными ионами, а принявшие один или несколько
электронов — отрицательными.
б. ХИМИЧЕСКИЙ ЯЗЫК
В химии приняты латинские названия элементов. Вместо
полных названий элементов химики пишут их условные
обозначения — символы. Символы всех известных элементов даны
в помещённой на стр. 12—13 периодической таблице элементов
Д. И. Менделеева.
С помощью химических символов можно изображать
молекулы самых разнообразных веществ..Например, молекула серной
кислоты изображается так: H2S04. Это означает, что в состав
молекулы входят два атома водорода (Н2 — произносится «аш
два»), один атом серы (S—«эс») и четыре атома кислорода
(04— «о четыре»).
Символами можно коротко изобразить течение того или
другого химического процесса. Так, например, процесс
взаимодействия железа (Fe — феррум) с серной кислотой
изображается следующим образом:
Fe + H2S04 ► FeS04 + H2
железо -\- серная > жел зный -\- водород
кислота купорос
Мы уже знаем, что атомы элементов характеризуются
весом и зарядом ядра. Для обозначения их принято
слева внизу и справа вверху символа ставить соответствующие
числа. Символ 6С12 обозначает, что атом углерода (С — «це»)
имеет вес, равный 12 атомным единицам, и заряд ядра,
равный 6.
6. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН
На страницах 12—13 дана современная периодическая
таблица элементов. В каждой её клетке вверху дан порядковый номер
элемента и его химический символ, затем название элемента
и внизу — атомный вес. В вертикальных столбцах таблицы
находятся сходные по своим свойствам элементы.
11
Перио-1
Ды
1
2
3
4
5
1 6
7
L
ГРУППЫ
1 1
Н 1
Водород
1.008 |
Li 3
Литий
6,9
Na 11
Натрий
23
К 19
Калий
39.1
29 Си
Медь
63 6
Rb 37
Рубидий
8Б.5
47 Ад
Серебро
107,9
Cs 65
Цезий
132,9
79 AU
Золото
197,2
Fr 87
Франций
II
Be 4
Бериллий
9
Мд 12
Магний
24,3
Са 20
Нальций
40,1
30 Zn
Цинн
66,4
Sr 38
Стронций
87,6
48 Cd
Нодмий
112,4
Ва 66
Барий
137,4
80 Нд
Ртуть
200,6
Ra 88
Радий
226
III
б В
Бор
10,8
13 AI
Алюминий
27
SC 21
Скандий
45,1
31 Ga
Галлий
69,7
Yt 39
Иттрий
88,9
49 In
Индий
114,8
La 57-71*
Лантан
138,9
81 TI
Таллий
204,4
Ас 89
Антиний
227
IV
6 С
Углерод
12
14 Si
Нремний
28,1
Ti 22
Титан
47,9
32 Ge
Германий
72г6
Zr 40
Цирноний
91,2
50 Sn
Олово
118.7
Ж 72
Гафний
178,6
82 РЬ
Свинец
207,2
Тп 90
Тории
232.1
V
7 N
Азот
14
15 Р
Фосфор
31
V 23
Ванадий
61
33 As
Мышьян
74,9
Nb 41
Ниобий
92,9
51 Sb
Сурьма
121,8
Та 73
Тантал
180,9
83 Bi
Висмут
209
Ра 91
Протантиний
231
* Редкоземельные элемен
[ Се 58
Церий
140.1
ТЬ 65
Тербий
| 159.2
Рг 69
Празеодим
140,9
Dy 66
Диспрозий
162,5
Nd 60
Неодим
144,3
Но 67
Гольмий
164,9
Рт 61
Прометий
Ег 68
Эрбий
167,2
Sm 62
Самарий
150.4
Ти 69
Тулий
169,4
** Трансурановые элемен
1 Np 93
Нептуний
Ри 94
Плутоний
Am 95
Америций
Cm 96
И юрий
Вк 97
Вернлий
12
Периодическая таблица
ЭЛЕМЕНТОВ [
VI 1
8 О
Кислород
16
16 S
Сери
32J |
Сг 24
Хром
62
34 Se
Селен
79
МО 42 |
Молибден
96
52 Те
Теллур
127,6
W 74
Вольфрам
183.9
84 Ро
Полоний
210
U 92**
Уран
238,1
vn 1
9 F
Фтор
19
17 CI
Хлор
36,6
МП 25
Марганец,
64,9
36 Вг
Бром
79,9
ТС 43
Технеций
53 J
Иод
126,9
Re 75
Рений
186,3
85 At
А с та тин
VIII
Fe 26
Железо
55.9
Со 27
Кобальт
68,9
Ni 28
Никель
58,7
Ru 44
Рутений
101,7
Rh 45
Родий
102,9
Pd 46
Палладий
106,7
OS 76
Осмий
190,2
\Т 77
ИридиО
193,1
Pt 78
Платина
196,2
'
0 1
Не 2
Гелий 1
4 1
Ne ю
Неон I
20,2 |
Аг 18 I
Аргон 1
39,9 |
Кг 36
Криптон 1
83,7 J
Хе 54
И сеном 1
131,3 1
Rn 86
222 |
1
т ы 1
Ей 63
Европий
162
Yb 70
Иттербий
173
т ы
Cf 98
{Калифорнии
G4 64
Гсдойиний
166,9
Lu 71
Лютеций
175
элементов Д. И. Менделеева.
Расположение элементов в периодической системе не
является случайным. Оно подчиняется одному из важнейших
законов природы, открытому великим русским учёным
Д. И. Менделеевым, — периодическому закону. Этот
закон в современной формулировке говорит, что свойства
элементов находятся в периодической
зависимости от зарядов их ядер.
Менделеев открыл периодический закон в 1869 году. В то
время о строении атома ещё ничего не было известно, и
Менделеев выразил свой закон так: «Свойства простых тел*) и
формы и свойства их соединений находятся в периодической
зависимости от атомных весов элементов». Это значит, что
если расположить все элементы в порядке возрастания их
атомных весов, то через определённые периоды будут следовать
элементы со сходными свойствами. Если элементы такого ряда
расположить в несколько строк так, чтобы возрастание
атомных весов шло слева направо и сходные элементы
оказались друг под другом в одном вертикальном столбце, то
получится периодическая система элементов. Эту задачу и
выполнил в 1869 году Д. И. Менделеев, выразив открытый им
закон в виде таблицы.
Можно подумать, что Менделееву нетрудно было сделать
это открытие, так как закон очень прост. На самом деле
задача была чрезвычайно сложной. Лишь две трети элементов,
имеющихся на Земле, были известны во времена Менделеева,
и распределение их в порядке возрастания атомных весов
не давало правильной повторяемости свойств. Но Менделеев,
глубоко убеждённый в справедливости найденного им закона,
сумел правильно расположить все известные элементы, оставив
свободными те клетки таблицы, которые должны были занять
ещё не найденные элементы.
Придавая основное значение периодической
повторяемости химических свойств элементов, Менделеев в ряде
случаев расположил элементы не в порядке возрастания атомных
весов.
Используя периодический закон, Менделеев предсказал
свойства ещё не открытых элементов.
Все свободные клетки периодической системы впоследствии
были заполнены новыми элементами, и предсказания русского
учёного подтвердились.
*) Под «простыми телами» Менделеев подразумевал элементы.
14
Без периодической таблицы Менделеева были бы невозможны
многие великие открытия двадцатого века. В свою очередь,
эти открытия показали всю глубину найденного великим
учёным закона. Так, например, порядковый номер элемента в таблице
оказался не просто очередным номером, он получил глубокий
физический смысл. О некоторых из этих открытий мы
расскажем читателю.
7. СТРОЕНИЕ ЯДРА АТОМА
Советский физик Иваненко в 1932 году сделал
предположение, что ядро всякого атома состоит из частиц двух видов —
протонов и нейтронов.
Протоны — это ядра атомов водорода; масса протона
равна одной атомной единице, и протон имеет один
положительный заряд.
Нейтроны имеют такую же, как и протоны, массу, но не
несут электрического заряда. Это электрически нейтральные
частицы.
Общее число протонов и нейтронов в ядре называется
массовым числом. Оно приближённо равно массе атома в
атомных единицах. Число протонов в ядре равно порядковому
номеру элемента в периодической системе. Таким образом, ядро
атома углерода, имеющего массовое число 12 и заряд, равный
ф Протон
О Нейтрон
Рис.5. Схемы строения ядер атомов.
6 единицам, содержит 6 протонов и 6 нейтронов (рис. 5).
Ядро атома урана с массовым числом 238 и зарядом 92
содержит 92 протона и 146 нейтронов.
Предположение Иваненко было подтверждено всеми опытами,
проведёнными в дальнейшем с атомными ядрами.
15
П. ПРИРОДНЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
1. ИЗОТОПЫ
Открытие полония и радия направило учёных на поиски
других радиоактивных элементов. Эти поиски увенчались
успехом: в рудах урана и радия, а также тория, были
открыты новые радиоактивные элементы.
Многие из них по своим химическим свойствам оказались
неотличимыми от ранее известных элементов. Так, в 1906 году
был обнаружен элемент ионий, который оказался сходным
по свойствам с ранее известным элементом 4 группы
периодической системы торием. Все попытки отделить ионий от
тория кончились неудачей.
В 1907 году было установлено, что вновь открытый
элемент мезоторий химически не отличим от радия.
В последующие годы было обнаружено полное химическое
сходство новых элементов радия £ и радия D со свинцом.
Атомы радия В и радия D имеют такой же заряд ядра, а
значит, и такой же порядковый номер, как и атомы свинца,
но отличаются от них своей массой. Такое же отличие в
массах имело место у тория и иония, мезотория и радия.
Таким образом оказалось, что в некоторых клетках
периодической системы Менделеева должно помещаться
несколько видов атомов, имеющих одинаковый заряд ядра, но разную
массу. Такие атомы получили название изотопов (изотоп
по-гречески означает — занимающий то же место). Радий В и
радий D стали называться изотопами свинца, мезоторий-1 —
изотопом радия и т. д.
Что же происходит с радиоактивными атомами при
альфа-, бета- и гамма-излучении? Учёные нашли, что при
радиоактивном излучении изменяются ядра атомов, один элемент
превращается в другой. Это явление получило название
радиоактивного распада.
Было установлено правило перемещения элемента в
периодической системе элементов при радиоактивном распаде,
которое было названо «правилом сдвига». Когда
радиоактивный атом излучает альфа-частицу, заряд ядра уменьшается
на 2 единицы, так как заряд самой альфа-частицы равен 2.
Новый элемент должен занять в периодической системе
место через одну клетку влево. Например, когда радий,
занимающий 88-ю клетку периодической системы, излучает альфа-ча-
16
стицу, то он превращается в радпоактпвный газообразный
элемент радон, который находится в клетке под номером 86.
Бета-частицы, также как и альфа-частпцы, являются
продуктами распада ядра радиоактивного атома; они
освобождаются в результате превращения нейтрона в протон:
нейтрон —* протон -|- электрон.
Заряд ядра при бета-излучении увеличивается на одну
единицу; на единицу увеличивается и порядковый номер, и
поэтому новый элемент должен занять в таблице место в
следующей клетке справа. Уран Xlf "получающийся из урана,
занимает клетку номер 90 вместе с торием. Он
выбрасывает бета-частицу и превращается в уран Х2, который имеет
порядковый номер 91, то-есть является изотопом протактиния.
При гамма-излучении ядро атома теряет энергию, но
состав ядра остаётся неизменным.
Правило сдвига дало возможность найти место в
периодической системе элементов Менделеева для всех вновь
открытых изотопов.
Ниже приводится таблица природных изотопов некоторых
элементов. Алюминий, фосфор и марганец имеют только по
одному природному изотопу.
Природные изотопы некоторых элементов
Название элемента
Символ
Н
С
0
А1
Р
S
С1
К
Ми
Fe
Си
Pt
Pb
и
Массы изотопов
1, 2, 3
12, 13
16, 17, 18
27
31
32, 33, 34, 36
35, 37
39, 40, 41
55
54, 56, 57, 58
163, 65
190, 192, 194, 195, 196, 198
204, 206, 207, 208, 210 (RaD
211 (АсВ), 212 (ТпВ), 213 (RaB)
234, 235,238
2 Ан. Н. Несмеянов
17
Изотопы были обнаружены и среди нерадиоактивных
элементов. Удалось показать, например, что газ неон
представляет собою смесь атомов с различной массой.
Впоследствии изотопы были обнаружены или получены
искусственным путём у всех элементов.
С помощью химических символов можно легко
обозначать изотопы различных элементов. Например, изотопы натрия с
массами 22, 23 и 24 записываются следующим образом: Na22,
Na23, Na24.
2. СЕМЕЙСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Правило сдвига дало возможность установить связь между
целыми группами радиоактивных элементов. Так, оказалось, что
торий с массовым числом 232, выбрасывая альфа-частицу,
превращается в изотоп радия—мезоторий-1 с массовым числом
228 и порядковым номером 88. Мезоторий-1, в свою очередь,
выбрасывает электрон и превращается в мезоторий-2—изотоп
актиния.
Мезоторий-2 испускает бета-лучи и превращается в
радиоторий.
Цепь превращений идёт от одного радиоактивного элемента
к другому, пока в результате радиоактивного распада не
образуется устойчивый элемент.
Так получается семейство или ряд
радиоактивных элементов.
Исследуя процессы радиоактивного распада, учёные
установили три ряда радиоактивных элементов, которые находятся
в природе: ряд урана, ряд тория и ряд актиноурана.
Уран, торий и актиноуран являются родоначальниками
этих рядов, и каждый ряд заканчивается одним из
нерадиоактивных изотопов свинца.
Одним из важных членов семейства урана является изотоп
радия с массой 226; он широко применяется в медицине,
технике и в научных исследованиях.
Впоследствии искусственным путём было получено новое
семейство радиоактивных элементов — семейство нептуния,
которое заканчивается устойчивым изотопом висмута.
На рисунках 6 и 7 приведены радиоактивные семейства. В
кружках указаны названия элементов, масса атома и заряд ядра.
Стрелки показывают, в каком направлении идёт превращение,
а значки аир около стрелок — род излучения.
18
01
1>34>\ -\^/^/*Ч^99А
УранХЛ F ГХ*ШН- 7Уран Е
ЫJ дня /23Г\ $JS*^
(Ионии
до
90
ссГв,3104/iem
Радии
Ra
.88
[1590 лет
г Радон
Rn
ее [3,825 дня
218
(РадийА
RaA
^84
ос [3мин.
а- /л218
Р шс/na/nt
At
85
щьть
ос1Неск.сен.
214
(РадийЬ
RaB
^82^
£/Я^й\£/Ра2дийС
!26$\ Rf ЩТ\ **&
мин. Vo«* У мин \о» .
ссЦ,5-Ю~*сек.
JW.7\
'мин.
ссШ7мин.
R|7C Д32\ «ар f£\ RaE ПГ\ Ро
мин.
J22 ,
'года
5
'днейу
Рис. 6. Семейства урана и тория,
84
ее 1138 дней
,^20(ГХ
IСвинецЛ
V РЪ
19
Рис.7. Семейства актиноурана и нептуния.
20
3. ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА
Каждый радиоактивный атом рано или поздно превращается
в другой атом. Но не все атомы одного и того же
радиоактивного элемента существуют одинаковое время: одни атомы
распадаются быстро, а другие могут оставаться неизменными
очень долго.
Каким же законам подчиняется радиоактивный распад?
Оказывается, число распадающихся за
единицу времени атомов прямо пропорционально
наличному числу радиоактивных атомов. Это
значит, что у того или другого радиоактивного элемента за
единицу времени распадается всегда одна и та же часть,
одна и та же доля атомов, строго определённая для каждого
элемента.
Этот закон учёные установили опытным путём, наблюдая
за изменением интенсивности излучения радиоактивных
элементов со временем.
Доля атомов, претерпевающих превращение за единицу
времени, называется постоянной распада или к о и-
стантой распада.
Если, например, мы имеем 8 000 000 радиоактивных
атомов, и константа распада равна 0,1, то это значит, что в
каждую секунду распадается одна десятая часть наличных
атомов, за первую секунду — 800 000 атомов, за вторую —
десятая часть оставшихся 7 200 000, то-есть 720 000
атомов п т. д.
Продолжительность существования радиоактивного
элемента обычно выражают периодом полураспада. Период
полураспада — это время, в течение которого наличное
количество атомов уменьшается вдвое. Например, период
полураспада урана Xt равен 24 дням. Это значит, что из
6400 000 атомов через 24 дня останется 3 200 000 атомов,
ещё через 24 дня—1600 000 атомов, затем — 800 000
атомов и т. д.
В этих примерах даны довольно большие числа. Это
совершенно необходимо, так как для малых количеств атомов
закон не будет соблюдаться; из двух атомов урана Xt за
24 дня может не распасться ни один, а могут распасться
и оба.
На рисунках 6 и 7 периоды полураспада радиоактивных
элементов даны около стрелок.
21
4. РАДИОАКТИВНОЕ РАВНОВЕСИЕ
В каждом радиоактивном семействе есть элементы с
самыми различными периодами полураспада. Уран-238 имеет
период полураспада, равный 4,5 миллиарда лет; количество
атомов урана изменяется настолько медленно, что даже в
течение многих веков убыль их нельзя заметить. Период
полураспада радия— 1590 лет, а радия А — всего 3 минуты.
С течением времени в смеси элементов радиоактивного
ряда наступает радиоактивное равновесие. Это
значит, что количество атомов того или иного
радиоактивного элемента в смеси остаётся практически неизменным:
сколько атомов получается, столько же распадается. Если из
смеси удалить один из элементов, то равновесие нарушается,
но через определённое время оно наступает вновь.
Чтобы понять это, сравним радиоактивное семейство с
системой бассейнов с водой, которые расположены друг под
другом и связаны между собой трубами различного
сечения (рис. 8). Представим, что количество воды в бассейнах
соответствует количеству радиоэлементов, а сечения
соединяющих бассейны труб — константам их распада. Учтём, что
скорость вытекания зависит от напора воды: чем выше уровень
воды в бассейне и чем шире труба, тем быстрее течёт вода
из бассейна. Допустим, что в первом бассейне находится такое
большое количество воды, что убыль её практически не
влияет на уровень воды. Из первого бассейна вода протекает
во второй по трубе с сечением, равным 4 кв. см. Из второго
бассейна вода течёт в третий по трубе с сечением, равным
2 кв. см. Труба, соединяющая третий бассейн с четвёртым,
имеет сечение 8 кв. см.
Вначале вода во втором бассейне будет прибывать, но
одновременно она будет вытекать в третий бассейн. Когда
высота уровня во втором бассейне станет вдвое больше, чем
в первом, скорость притока воды во второй бассейн будет
равна скорости вытекания из него в третий. В первом
бассейне уровень в 2 раза ниже, чем во втором, но зато
сечение трубы в 2 раза больше. Поэтому вода во втором
бассейне будет сохранять один и тот же уровень.
То же самое можно сказать про третий бассейн. Вода в
нём будет прибывать до тех пор, пока уровень её не
достигнет высоты, в 4 раза меньшей, чем во втором бассейне.
22
Когда уровни будут находиться в соотношении 2:4; \9
скорости притока и вытекания воды для каждого бассейна
станут равны. Наступит равновесие.
Если теперь из второго бассейна часть воды вычерпать,
то равновесие будет нарушено: скорость поступления воды
во второй бассейн будет прежней, но скорость вытекания
Рис. 8. Равновесие между радиоэлементами
семейства может быть уподоблено ряду бассейнов,
связанных между собой трубами разных сечений.
Сечение трубы соответствует константе распада
радиоэлемента, а уровень воды в бассейне —
количеству радиоэлемента.
уменьшится и в третьем бассейне вода начнёт убывать.
Однако через некоторое время уровень во втором бассейне
повысится, и равновесное состояние наступит вновь.
Подобное этому равновесие имеет место и при
радиоактивном распаде. Чем больше период полураспада элемента,
тем меньше его находится б смеси. В семействе тория,
например, из тория образуется в единицу времени столько
атомов мезотория-1, сколько их распадается с образованием
мезотория-2.
Уран, торий и актиноуран находились в земной коре
многие тысячелетия, и за это время в рядах урана, тория и
актиноурана установилось равновесие.
23
III. ИСКУССТВЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
1. АЗОТ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В КИСЛОРОД
В средние века алхимики занимались поисками способов
превращения различных металлов в золото. Поиски эти
были безуспешны, и, начиная с XVII века, учёные перестали
верить в возможность превращения элементов. В XIX веке
в пауке утвердилось атомно-молекулярное учение. По этому
учению составные части всякого вещества — атомы —
считались неделимыми, следовательно, и превращение одного атома
в другой оказывалось невозможным.
Но в двадцатом веке, после того, как было изучено
явление радиоактивности и выяснилось сложное строение атома,
учёные снова вернулись к мысли об искусственном
превращении элементов.
Ядро атома нельзя разрушить ни нагреванием до
нескольких тысяч градусов, ни охлаждением до самых низких
температур, ни высоким давлением. Для разрушения атомов нужна
большая энергия. В руках человека до открытия
радиоактивных элементов такой энергии не было,
В 1919 году английский физик Розерфорд решил
использовать для разрушения атомов энергию радиоактивного
излучения, именно энергию альфа-частиц. Быстролетящие
сравнительно тяжёлые альфа-частицы могли служить миниатюрными
снарядами, которые способны разрушить ядро и привести к
образованию новых ядер.
Радиоактивный препарат, излучающий альфа-частицы,
помещался в газ азот. Альфа-частицы, сталкиваясь с атомами
азота, проникали в их ядра (рис. 9). Затем ядра
раскалывались на два новых ядра — ядро атома кислорода и ядро
атома водорода, протон. Так впервые был проведён процесс
превращения элементов. С помощью химических символов оы
может быть записан следующим образом:
7№4 + 2Не4 ^O^-f-iH1
азот-}-альфа *- кислород-!-протоп
частица
Общее число протонов и нейтронов в этом процессе не
изменяется. Поэтому суммы верхних цифр (массовых чисел)
справа и слева от стрелки должны быть одинаковы; сумма
24
нижних цифр — количество протонов в ядрах—также не
меняется.
Вес искусственно полученного атома равен 17 атомным
единицам. Это один из изотопов кислорода.
частица Ядро
азотаЧЧ-
ф Протон
О Нейтрон
Рис. 9. Схема взаимодействия альфа-частицы
н ядра азота.
Вскоре с помощью альфа-частиц удалось расщепить ядра
п других элементов.
2. ОТКРЫТИЕ ЖОЛИО-КЮРИ
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, изучая действие альфа-
частиц на атомы различных элементов, сделали большое
открытие. Они обнаружили, что облучённый альфа-частицами
алюминпй испускает позитроны — частицы с массой, равной
массе электрона, и зарядом, равным и противоположным по
знаку заряду электрона. Испускание позитронов идёт и
после прекращения обстрела алюминия альфа-частицами. Число
позитронов со временем убывает, и, наконец, выделение их
прекращается.
Открытое супругами Жолио-Кюри явление напоминало
картину радпоактивного распада. Поэтому учёные пришли к
мысли, что в результате взаимодействия алюминия и альфа-
частиц получается искусственный радиоактивный элемент.
Действительно, убывание числа испускаемых позитронов
подчиняется закону радиоактивного распада. Период полураспада
нового радиоактивного элемента оказался равным 3,25 минуты.
Подобные явления были обнаружены также при действии
альфа-частиц на бор и магний.
25
Таким образом, супруги Жолио-Кюри показали, что
радиоактивные элементы можно создавать
искусственным путём.
Какие же элементы получались из алюминия, бора и магния?
Изучение взаимодействия алюминия с альфа-частицами
показало, что сначала из алюминия вылетают нейтроны, а
позитроны появляются уже после бомбардировки. Учёные
предположили, что процесс идёт таким путём:
13А1"+2Не< -„рт + о*1
алюминий альфа- фосфор нейтрон
частица
Образовавшийся фосфор распадается с излучением позитрона:
1Брзо .14Si~ + p+
фосфор кремнии позитрон
При бомбардировке бора и магния идут следующие реакции:
5В"-|-2Не* ^N^ + oti1
бор альфа- азот нейтрон
частица
7Nis .-вС»+Р+:
азот углерод позитрон
13Mg2* + 2Не< ► MSi« + 0ni
магний альфа- кремний нейтрон
частица
]4Si27 ►,8А1"+Р +
кремний алюминий позитрон
Своё предположение Ирен и Фредерик Жолио-Кюри
доказали, выделив из алюминия радиоактивный фосфор.
Облучённая альфа-частицами пластинка алюминия была
растворена в кислоте. Атомы фосфора, образовавшиеся из
алюминия, попали вместе с атомами алюминия в раствор.
Затем фосфор был превращен в фосфорную кислоту. К
полученному раствору было добавлено несколько миллиграммов
обыкновенной фосфорной кислоты, и после этого вся фосфорная
кислота переводилась в нерастворимую соль — осаждалась из
раствора. Полученная в осадке соль содержала и ту
фосфорную кислоту, которая была добавлена к раствору, и ту,
которая образовалась из атомов радиоактивного фосфора.
Зачем же необходимо было добавлять обыкновенную
фосфорную кислоту?
26
Из алюминия в опытах Жолно-Кюри при действии альфа-
частиц могло образоваться лишь несколько десятков тысяч
атомов фосфора, то-есть 10~18—10~19 граммов. Из этого
количества фосфора получается так мало соли, что вся она
свободно растворяется в воде, и осадок не может выделиться.
Добавленная нерадиоактивная фосфорная кислота играет
роль «носителя». Осаждаясь, она «уносит» вместе с собой
it ничтожные количества радиоактивной фосфорной кислоты.
Как же узнать, есть ли в осадке атомы радиоактивного
фосфора? Ирен и Фредерик Жолио-Кюри убедились в этом
благодаря тому, что выделенная фосфорная кислота испускает
позитроны.
Также было доказано, что при облучении магния
получается радиоактивный кремний, а при облучении бора —
радиоактивный азот. Полученные таким образом неустойчивые
элементы были названы искусственными радиоактивными
элементами, а само явление —искусственной
радиоактивностью.
3. АТОМНАЯ АРТИЛЛЕРИЯ
Работы по получению новых искусственных радиоактивных
элементов начали вести учёные различных стран. В качестве
атомных снарядов применялись нейтроны, получаемые при
действии альфа-частиц радия или радона на бериллий:
4Ве» + 2Не< ►,(:«+„и*.
бериллий альфа- углерод нейтроп
частица
Чтобы получить источник нейтронов, достаточно смешать
бромистый радий с порошком бериллия.
Все элементы периодической системы были подвергнуты
действию нейтронов. При этом удалось установить, что в
большинстве случаев получаются радиоактивные элементы,
которые испускают бета-лучи.
Однако природные радиоактивные элементы оказались
недостаточно мощными источниками ядерных снарядов. Один
трамм радия, например, в течение секунды испускает 3,7*1010
альфа-частиц, а в смеси с бериллием 107 нейтронов. Это
огромные количества частиц, но нужно иметь в виду, что при
действии на ядра атомов только небольшая часть таких
снарядов попадает в цель, так как ядра атомов составляют
ничтожную часть объёма вещества.
27
Рис. 10. Внешний вид циклотрона.
Для получения заметных количеств искусственных
радиоактивных элементов учёные построили приборы, с помощью
которых можно было создавать потоки альфа-частиц,
протонов, нейтронов и дейтеронов с большим количеством частиц
и большой энергией (дейтероны — это ядра изотопа водорода,
состоящие из протона и нейтрона).
Одним из приборов для получения ядерных снарядов
является циклотрон (рис. 10).
Циклотрон представляет собой камеру в форме цилиндра,
из которой удалён воздух. Камера находится между полюсами
К источнику тона
высокой частоты
Рис. 11. Схема циклотрона. 1п2—дуанты,
3—источник электронов, 4—отклоняющая
ионы пластина, 5—место выхода ионов.
огромного электромагнита. Внутрп камеры помещены
металлические коробки с сечением в виде полукруга (рис. Ни 12).
Эти коробки, называемые дуантами, располагаются так,
что их прямолинейные края отстоят друг от друга на несколько
сантиметров. Дуанты присоединяются к мощному
источнику тока высокой частоты. Внутрь камеры впускается
водород илп гелий. Между дуантами находится вольфрамовая
нить. Она накаливается и испускает электроны, которые при
своём движении вырывают электроны из оболочек атомов газа,
ионизуют этот газ. Положительные ионы, образующиеся
вблизи вольфрамовой нити, начинают двигаться к
отрицательно заряженному дуанту и по инерции проскакивают
внутрь его.
Внутрп дуаитов нет электрического поля, но на
попы действует магнитное поле электромагнита и заставляет
29
их двигаться по окружности. Это движение продолжается
до тех пор, пока ионы не выйдут в пространство между
дуантами.
К этому времени дуанты меняют знаки своих зарядов, и
ионы снова получают дополнительный толчок, направленный к
отрицательному дуанту. Далее они попадают внутрь второго
дуанта, но теперь движутся с большей, чем раньше, скоростью и
описывают окружность большего радиуса. Затем ионы снова
проскакивают в первый
дуант и т. д. Когда ионы
достигают наибольшей
возможной при данных
размерах дуантов
скорости, они с помощью
отрицательно заряженной
пластины меняют своё
направление и выводятся
из дуантов через
окошечко (см. рис. 11) на
облучаемое вещество.
Если в камеру
циклотрона впускают
газообразный гелий, то
получаются альфа-частицы, если
водород, — то протоны,
если тяжёлый водород
(изотоп водорода с
массой 2), — то дейтероны,
В настоящее время
описаны сверхмощные
ускоряющие установки,
которые несколько
отличаются по принципу
действия от циклотрона и
дают возможность сообщать частицам громадную энергию.
Энергия этих частиц в десятки раз превышает энергию частиц,
получаемых на циклотроне, и в сотни раз — энергшо частиц
природных радиоактивных элементов. С помощью таких частиц
разрушить атом так же легко, как разбить стеклянный
предмет камнем.
На описанных установках можно получать не только
быстрые заряженные частицы, но и нейтроны, направляя дейтеро-
Рис. 12. Вид разобранной камеры
циклотрона. 1 и 2—дуанты, 3—
источник электронов.
ни на бериллиевую пластинку. В этом случае происходит
следующая реакция:
4Ве9 + 1№ ...BM + otii
бериллий водород бор нейтрон
Большой циклотрон может дать несколько тысяч миллиардов
нейтронов в секунду.
4. ДЕЛЕНИЕ УРАНА
Мы уже рассказывали о том, что при действии нейтронов
на различные элементы был получен целый ряд
радиоактивных элементов. При этом оказалось, что в большинстве
случаев из атомов элемента, который подвергается действию
нейтронов, получается его изотоп с массой на единицу
большей. Например, при бомбардировке иода получается
радиоактивный иод:
иод нейтрон иод гамма-лучи
Иод-128 испускает электроны; период его полураспада
равен 25 минутам. Испуская электрон, радиоактивный иод
превращается в следующий в периодической системе элемент
ксенон:
иод ксенон электрон
Подобные реакции происходят и с другими элементами.
Можно было предположить, что если взять крайний,
самый тяжёлый элемент периодической системы уран, то из
него при действии нейтронов также может образоваться
радиоактивный изотоп урана, который, испуская электрон,
превратится в следующий за ураном, ненайденный в
природе, элемент с зарядом ядра, равным 93. Этот элемент
займёт 93-ю клетку периодической системы.
Уже первые исследования показали, что из урана получается
несколько радиоактивных элементов.
Вначале учёные предполагали, что все они были более
тяжёлыми, чем уран. Но это предположение не оправдалось.
Оказалось, что один из полученных элементов является
изотопом лантана, другой — изотопом бария. Затем среди
радиоактивных элементов, полученных при облучении урана, были
найдены: иод, ксенон, криптон, бром и т.д.
81
При облучении урана нейтронами получаются изотопы
элементов с зарядами ядра в полтора-три раза меньшими,
чем заряд ядра урана. Как могут такие элементы получиться
из урана? Что происходит при облучении?
Атомы урана под действием нейтронов делятся на два
крупных осколка, например на осколки с зарядом атомов 56
(барий) и 36 (криптон) или 57 (лантан) и 35 (бром); сумма
зарядов каждой пары равна заряду урана — 92.
В результате такого деления высвобождается огромная
энергия, в миллионы раз превосходящая энергию горения
самого лучшего топллва. Если все атомы, находящиеся в одном
грамме урана, претерпят деление, то выделится энергия,
равная 8 миллиардам килограммометров или 20 миллионам
калорий. С помощью этой энергии можно 8000 тонн груза
поднять на высоту в один километр или 200 тонн воды
нагреть от 0° до 100°. Эта энергия достаточна для того,
чтобы 15 000 электролампочек по 60 ватт горели в
течение суток.
Деление урана открыло путь к освобождению
внутриатомной энергии, дало в руки человека невиданный по мощности
источник энергии. Это было в 1939 году. Вскоре удалось
построить установку— ядерный реактор, в которой
выделяющаяся при делении урана энергия могла быть использована.
В урановом ядерном реакторе накапливаются огромные
количества радиоактивных элементов — продуктов деления
урана. Они извлекаются из урана и могут служить
средствами исследований, о которых будет рассказано в следующей
части нашей книжки.
С помощью циклотрона и ядерного реактора было
проведено большое количество ядерных превращений и получены
радиоактивные изотопы всех элементов периодической
системы Менделеева. Удалось получить элементы, которые не
найдены в природе и имеют порядковые номера 43
(технеций), 61 (прометий), 85 (астатин) и 87 (франций), а также
так называемые трансурановые (стоящие за ураном в
периодической системе) элементы с порядковыми номерами
от 93 до 100.
Большое практическое значение приобрели те
радиоактивные элементы, период полураспада которых не слишком мал
и которые легко могут быть получены. В таблице на стр. 33
приведены некоторые искусственные радиоактивные изотопы,
используемые при различных исследованиях.
32
Таблица некоторых искусственных радиоактивных изстслов,
которые используются в практике
Название элемента
Символ изотопа
Период
полураспада
1
Водород .
Углерод .
Натрий .
Фосфор .
Сера . .
Калий . .
Кальций .
Железо .
Кобальт .
Медь . .
Цинк . .
Мышьяк .
Бром . .
Серебро .
Иод . . .
Барий . .
Вольфрам
Золото . .
iH» (T)
сС"
uNa2*
15Р32
ieS35
19К42
20Са45
2«Fe»
27СобО
29Сиб4
30Zn<*
ззАз^
взВг»
47AgH0
БЗ^1
ббВа^о
74W!8>
79Au"3
12,46 года
6000 лет
14,8 часа
14,295 дня
87,1 дня
12,44 часа
152 дня
45,5 дня
5,03 года
12,88 часа
250 дней
26,8 часа
36 часов
270 дней
8 дней
12,8 дня
77 дней
2,7 дня
8 Ан. Н# Несмеянов
33
IV. РАДИОАКТИВНЫЕ АТОМЫ -
МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
1. КАК МОЖНО УЗНАТЬ О ПРИСУТСТВИИ
РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Мы уже знаем, что у одного и того же элемента могут
быть радиоактивные и нерадиоактивные изотопы. Изотопы
отличаются друг от друга числом нейтронов, входящих в
состав их ядер. Атомы природного, нерадиоактивного фосфора
имеют массовое число 31 и их ядра содержат в своём
составе 15 протонов и 16 нейтронов, а ядра радиоактивных
атомов с массовым числом, равным 32, содержат 15 протонов
и 17 нейтронов.
Отделить радиоактивные атомы фосфора от
нерадиоактивных чрезвычайно трудно. Во всех обычных природных
процессах радиоактивные и нерадиоактивные атомы фосфора
ведут себя совершенно одинаково. Если взять фосфорное
удобрение, в составе которого будут находиться радиоактивные
п нерадиоактивные атомы фосфора, то растение будет всасывать
в равной степени молекулы, содержащие оба рода атомов.
Если фосфор, в составе которого есть радиоактивные и
нерадиоактивные атомы, сжечь, то одинаково будут соединяться
с кислородом и те и другие атомы. Но радиоактивные атомы
отличаются от нерадиоактивных тем, что они рано или поздно
будут претерпевать радиоактивное превращение. Каждое
радиоактивное превращение сопровождается испусканием тех или
иных лучей, и эти лучи могут быть обнаружены.
Радиоактивность, следовательно, является меткой, которая
позволяет отличить одни атомы от других.
Учёные широко используют радиоактивные элементы для
метки определённых молекул, за судьбой которых необходимо
проследить. Для проведения опыта получают искусственные
радиоактивные элементы, а затем — необходимые вещества,
часть молекул которых содержит полученные радиоактивные
атомы.
При радиоактивном превращении атом излучает альфа-,
бета- (электроны, позитроны) или гамма-лучи. Лучи эти
действуют на фотопластинку так же, как действует на неё свет.
Мы уже говорили о первых опытах Беккереля, в которых
явление радиоактивности было обнаружено с помощью фото-
34
пластинок. В настоящее время учёные широко используют
фотографирование для обнаружения радиоактивных элементов.
Этот способ получил название радиографии, а снимок—
радиоавтографа. Для получения радиоавтографа предмет,
содержащий
радиоактивный элемент,
прикладывается в темноте
к фотопластинке и
выдерживается некоторое
время. Далее пластинка
проявляется. В местах,
на которые
действовало радиоактивное
излучение, появляется
потемнение. С
полученного таким образом не-,
гатива печатается
снимок. На снимке
светлые места
соответствуют участкам, где
скапливается
радиоэлемент. На рисунке 13
показан радиоавтограф
минерала,
содержащего уран.
Радиоактивное излучение может быть обнаружено ещё
следующим путём. Представим себе, что в цилиндр с поршнем
Рис. 13. Радиоавтограф минерала,
содержащего уран. Негатив. Тёмные места
показываютрасположениерадиоэлемента.
Рис 14. Следы альфа-частиц,
сфотографированные в камере Вильсона.
введён чистый водяной пар. С помощью поршня увеличим
объём, занимаемый паром, настолько, чтобы пар переохладился.
Если в цилиндре нет заряженных частиц, пар останется паром.
Если же в цилиндре есть какие-нибудь заряженные частицы,
например ионы, то начнётся образование тумана —ионы служат
3*
35
центрами, вокруг которых образуются мельчайшие водяные
капельки. Так как альфа- и бета-лучи ионизуют воздух, то
на пути каждой альфа-частицы или электрона возникнет
полоска тумана. Полоски можно наблюдать или сфотографировать
(рис. 14) и по ним
считать отдельные части-
Т Земля
+| _ батарея
¥
Пластины
Электрометр
Нить
электрометра
Металлический
стершень
1
Батарея—z.
цы, выбрасываемые из
радиоактивных атомов.
На этом принципе
построен специальный
прибор — камера
Вильсона.
Радиоактивное
излучение делает воздух
проводником
электрического тока. Поместим
радиоактивное
вещество в металлическую
камеру (рис. 15), в
центре которой укреплён
металлический
стержень, не
соприкасающийся с её стенками.
Такая камера
называется ионизационной.
Присоединим к камере
и стержню
электрическую батарею.
Благодаря присутствию
радиоактивного вещества,
воздух ионизуется, и
между стержнем н
стенкой будет протекать
электрический ток. Ток
этот тем больше, чем
интенсивнее излучение. Силу тока можно измерить с помощью
ионизационной камеры с электрометром. Электрометр — это
прибор, в котором тончайшая металлическая нить, соединённая
со стержнем металлической камеры, находится между двумя
пластинками, заряженными электричеством противоположного
знака. Если нить соединена с землёй, то электрический ток
течёт в землю. Если же нить отъединить от земли, то на
5В*55
Рис. 15.
Земля
е
ф Ионы
Путь луча
'Радиоактивное
вещество
Схема ионизационной камеры
с электрометром.
36
стержне п на нпти будет накопляться электрический заряд,
и нить будет перемещаться к пластинке, заряженной
электричеством противоположного знака. Перемещение нити идёт тем
быстрее, чем больше радиоактивного вещества находится в
ионизационной камере. Движение нити наблюдают в
микроскоп. Скорость движения нити является мерой радиоактивного
излучения.
В настоящее время распространённым прибором для
регистрации радиоактивного излучения является счётчик
Гейгера-Мюллера (рис. 16). Устроен он так. Внутри
небольшой металлической трубки натянута металлическая нить.
Металлическая трубка
lZ_
/
Изолированна^
металлическая нить
И регистратору
импульсов
ние
батарея
—=№Ь-
2000е , 0
-^г Земля
Рис, 16. Схема счётчика Гейгера-Мюллера.
Нить изолирована от трубки. Трубка наполнена газом
аргоном и парами спирта и присоединена к источнику
постоянного электрического напряжения в 1000—2000 вольт. Нить
через провод с высоким сопротивлением присоединяется к
земле.
Если внутрь трубки проникают электрон, позитрон или
гамма-лучи, то газ в трубке становится проводником
электрического тока, и между трубкой и нитью быстро
протекает ток. Этот толчок тока — разряд — с помощью
специального устройства преобразуется в механический толчок,
передвигающий стрелку электросчётчика на одно деление. Если в
трубку попадёт второй электрон, то счётчик зарегистрирует
второе передвижение стрелки шга, как принято говорить,
второй импульс. Таким образом, счётчик Гейгера-Мюллера
может считать отдельные частицы и, следовательно,
регистрировать отдельные превращения атомов.
Альфа-частицы могут быть обнаружены и сосчитаны и
по сцинтилляциям — световым вспышкам, которые
получаются при падении альфа-частиц на экран из сернистого
37
цинка. Сцинтилляции можно наблюдать в темноте с помощью
микроскопа.
Мы познакомились со способами регистрации
радиоактивных излучений. Теперь посмотрим, каким образом меченые
атомы используются для решения различных задач,
выдвигаемых наукой и производством.
2. КУДА ИДЁТ ФОСФОР?
Для изучения жизнедеятельности любого организма очень
важно знать, какие пути проходит в организме тот или
другой химический элемент.
В состав веществ, которыми питаются живые организмы,
входит много различных элементов. Чтобы определить роль
каждого из них для живого существа, нужно изучить его
движение в организме.
Для питания растений необходим фосфор. Растения
извлекают его в виде солей фосфорной кислоты—фосфатов—из
почвы. Если в почве ощущается недостаток фосфора, то её
удобряют фосфатами.
Попробуем с помощью меченых атомов проследить за
движением фосфора, входящего в состав удобрения. Для:
этого возьмём фосфат, содержащий радиоактивные атомы
фосфора, растворим его в воде и этим раствором польём почву, в
которой находятся корни растения. Через несколько дней
срежем растение, приложим его к фотографической пластинке
и выдержим несколько часов. Светлые места на отпечатках
с проявленных пластинок указывают место расположения
атомов радиоактивного фосфора, путь фосфора в растении
(рис. 17).
Теперь посмотрим, что будет с солью фосфорной
кислоты в организме крысы. Опыт производится так. Крысе
делают подкожное впрыскивание раствора фосфорнокислого
натрия, содержащего радиофосфор. Через определённый
промежуток времени крысу убивают. От различных частей
тела крысы отделяют по одному грамму ткани и сжигают.
Затем с помощью счётчика Гейгера-Мюллера определяют
величину радиоактивности золы, полученной после сжигания
каждого вида ткани. Радиоактивность, или, как мы будем
говорить в дальнейшем, активность выражают числом импульсов,
отмеченных счётчиком в единицу времени. Измеренные актив*
ности складывают и, приняв их за 100°/0, рассчитывают про-
38
цент активности в каждом виде ткани. Результаты одного из
таких опытов приведены в таблице.
Распределение меченого фосфора в
различных органах крысы через 4 часа после
подкожного введения
Орган или ткань
Мышцы
Пищеварительный тракт
Лёгкие и сердце . . .
Содержание Р^2
в°/о
22,6
18J
17,6
15,9
11,1
6,3
2,5
2,4
1,3
0,02
Далее повторяют такой же опыт со второй, третьей,
четвёртой и т. д. крысами, но убивают их через различные про-
Рис. 17. Радиоавтографы растений, которые
всасывали фосфат, содержащий радио фосфор.
Слева — ветка помидора, справа — куст бегонии.
межутки времени и определяют изменение с течением
времени количества радиофосфора в различных тканях или
органах крысы. В приводимой ниже таблице показано, как изме-
39
няется со временем количество радпофосфора в мышцах и
скелете крыс.
Изменение количества меченого фосфора в скелете
и мышцах крысы с течением времени в %
Ткань
Скелет . .
Мышцы . .
Время после введения меченого фосфора
Часы
0,5
19,1
18,3
4
23,4
19,4
Дни
10
43,1
25,8
20
49,1
28,8
30 | 50
51,8
25,2
76,5
12,1
98 ,
92,0
3,6
Значительная часть введённого под кожу крысы
радиофосфора уже через полчаса оказывается в костях; далее
процесс накопления фосфора в
костях замедляется, но идёт
всё время. В мышцах
содержание радиофосфора
доходит до максимума через
20 дней, а затем начинает
падать. Накопление
радиофосфора в костях легко
обнаружить, если приложить
срез кости к
фотографической пластинке и выдержать
некоторое время. Излучение
радиоактивного фосфора
создаст почернение на
пластинке. На рисунке 18,
слева показан радиоавтограф
крысы, под кожу которой был
введён радиофосфор.
Стронций, попавший в
организм крысы, так же как
и фосфор, накапливается в
костях (рис. 18, справа).
Фосфор, попадающий с
пищей в желудок животного, сначаяа переходит в кровь, а
из крови также попадает в кости, мышцы и другие тканп.
Рис. 18. Слева — радиоавтограф
крысы, под кожу которой
впрыскивался радиофосфор. Справа —
радиоавтограф крысы, в костях
которой скопился радиостронций.
40
Что же происходит с атомами фосфора дальше?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно проследить за
судьбой вводимых в организм меченых атомов более
продолжительное время.
Кровь поставляет костям новые порции фосфора.
Кости поглощают фосфор, приносимый кровью, а тот фосфор,
который был в костях, уходит из них, выбрасывается из
организма. Происходит непрерывный обмен одних
атомов на другие и не только в костях, но и в
любых других тканях организма животного. Всё
это легко подтверждается с помощью меченых атомов:
радиоактивный фосфор, введённый в организм, сначала поглощается
теми или иными тканями, а затем начинает появляться в
моче и кале.
Можно ли было мечтать проследить за движением
фосфора в организме без радиоактивных атомов? Конечно, нет.
Подобные исследования были проведены и со многими
другими элементами.
3. ПУТЬ АТОМОВ НАТРИЯ
Вы вышглн стакан воды, в которой растворена столовая
соль. Столовая соль — это хлористый натрий, то-есть
соединение натрия и хлора. Куда же переходят молекулы
хлористого натрия из желудка? Ответ даёт радиоактивный натрий,
который может быть введён в состав молекул соли. Если
вы выпьете раствор такой соли и зажмёте в своей руке
счётчик Гейгера-Мюллера, то уже через несколько минут счётчик
покажет, что в руке появились атомы радиоактивного натрия,
которые распадаются с испусканием электронов и гамма-лучей.
Этот радиоактивный натрий принесла в вашу руку кровь,
что легко доказать, взяв пробу крови п проверив в ней
присутствие радиоактивного натрия с помощью того же счётчика.
В течение часа большая часть хлористого натрия
проникает в кровь. Хлористый натрий разносится но всему телу
кровью и из неё попадает в так называемую межклеточную
жидкость, а затем постепенно уходит в почки и выделяется
из организма. В моче можно обнаружить небольшие
количества радиоактивного натрия уже через 10 минут после того,
как он попал в желудок. Хлористый натрий, так же как и
фосфор, всегда находится в живом организме; вновь
поступающий хлорпстый натрий заменяет собой тот, который был
в органпзме раньше.
41
4. СУДЬБА ИОДА
Где и как найти в огромном мире атомов нашего тела
атомы иода, которые мы поглощаем вместе с пищей и водой
или в виде лекарства?
Эту задачу также удалось решить, используя меченые
атомы. Человеку дают выпить раствор нескольких
миллионных долей грамма йодистого калия, в состав которого
входит радиоактивный иод. Радиоактивный иод испускает гамма-
лучи. Если после введения йодистого калия подставить счётчик
Рис. 19. Счётчик Гейгера-Мюллера регистрирует накопление
радиоиода в щитовидной железе.
Гейгера-Мюллера к горлу человека, где находится щитовидная
железа, то уже через несколько минут счётчик обнаруживает,
что атомы радиоактивного иода проникли в щитовидную железу
(рис. 19). Иод постепенно накапливается в железе. Если
в организм вводится много иода, то щитовидная железа может
поглотить всего несколько процентов, а если иода введено
мало, то в железу попадает до 65% введённого иода.
Биологи и врачи широко используют меченые атомы для
того, чтобы изучить, какими путями проникают различные
вещества в организм и как в нём распределяются. С помощью
меченых атомов удалось проследить путь и лекарственных
веществ в организме.
Метод меченых атомов оказался чрезвычайно плодотворным
для изучения различных биологических процессов и тысячи
учёных в настоящее время применяют его.
42
5. АСТАТИН
Знаете ли вы что-нибудь об астатине?
Астатин — это химический элемент. Менделеев, предвидя
существование этого элемента, оставил для него 85-ю клетку
в периодической системе, назвал этот элемент эка-иодом
и предсказал, что по свойствам он будет похож на иод.
Поиски этого элемента в природе не увенчались успехом.
В 1940 году группа учёных подвергла металлический
висмут бомбардировке альфа-частицами, полученными в
циклотроне. При этом произошла ядерная реакция и получился
новый элемент с зарядом ядра 85 и атомным весом 211:
83ВР09 _|_ 2Не* , 85At*" + 20п»
висмут альфа- ► астатин нейтрон
частица
Это и был эка-иод. Его назвали астатином (At), что
по-гречески означает неустойчивый, — полученный элемент
радиоактивен. Исследование его химических свойств показало, что
Менделеев был прав: астатин действительно очень похож
по своим свойствам на иод.
Учёные решили испытать, каково будет поведение астатина
в организме животных? Будет ли этот элемент вести себя
так же, как иод? С этой целью под кожу морским свинкам
вводился раствор, содержащий астатин. Наблюдение с помощью
счётчика Гейгера-Мюллера показало, что через сутки 10°/0
введённого астатина оказывается в щитовидной железе
морской свинки. Поведение его в организме такое же, как иода,
но астатин накапливается щитовидной железой в
относительно меньших количествах.
6. РОЛЬ ЖЕЛЕЗА
Без железа не могут существовать животные и люди.
Железо входит в состав гемоглобина, а гемоглобин
является основным веществом, составляющим красные кровяные
тельца — эритроциты. Эритроциты переносят кислород от
лёгких во все уголки сложного организма животного.
Перенос этот совершается с помощью атомов железа,
которые в лёгких присоединяют кислород, а в тканях тела
отщепляют его.
43
Как проследить за движением п распределением железа
в живом организме? Где накапливаются запасы железа?
Меченые атомы помогают решить эту задачу.
Для проведения опытов используются радиоактивные
изотопы железа, которые вводятся с пищей в желудок
животного. Затем с помощью счётчлка Гейгера-Мюллера
измеряется количество радиоактивного железа в крови и
различных органах.
В результате многочисленных исследований было
установлено следующее.
Железо, поступающее с пищей в организм, всасывается
слизистой оболочкой двенадцатиперстной и тонких кишок.
Далее оно входит в состав белкового вещества ф е р р и т и н а.
Ферритин накапливается главным образом в печени и
селезёнке.
Если организм здоровый, то кровь, мышцы и другие
органы содержат определённое количество железа, слизистая
оболочка кишок напитана им и в печени и селезёнке
содержится запас феррнтина. Новые порции железа, введённого
в желудок, почти целиком выбрасываются организмом. Но
стоит взять из вены животного некоторое количество крови,
как начинается сильное всасывание железа.
Железо ферритина в костном мозгу превращается в
гемоглобин, который включается в состав образующихся там
же эритроцитов. У малокровных людей идёт интенсивное
усвоение железа.
Железо остаётся в эритроцитах до момента их
разрушения. Железо, находящееся в эритроцитах, не переходит в
плазму крови, железо, находящееся в плазме крови, не
может попасть в эритроциты.
Интересен также следующий опыт. Если в вену
животного или человека ввести определённый объём крови,
эритроциты которой содержат в своём составе радиоактивное
железо, то можно определить общий объём крови. Для этого
через 24 часа после введения крови у подопытного животного
берут кровь в количестве, равном введённому, и измеряют
её активность счётчиком Гейгера-Мюллера. Полученная
активность так относится к введённой, как количество введённой
крови к её общему количеству.
С помощью радиоактивного железа изучались вопросы
сохранения донорской крови, действие малярийного плазмодия
на эритроциты и т. д.
44
7, В БОРЬБЕ С БОЛЕЗНЯМИ
Учёные давно используют радиоактивные элементы для
лечебных целей. Излучение радия или радона, например, с
успехом применяют для лечения рака. Радиоактивные
элементы используются при поисках средств для лечения
гипертонии— повышенного давления крови.
Лекарства, помогающие больным гипертонией, должны
расшпрять кровеносные сосуды, создавая таким образом
более свободное и быстрое движение крови. Чтобы определить
действие того или другого лекарства, применяемого для
лечения гипертонии, раньше необходимо было в течение
длительного промежутка времени испытывать его действие.
При помощи меченых атомов задача подбора лекарств
решается просто и быстро. Перед испытанием лекарства
больному дают дышать воздухом с примесью радиоактивного
газа ксенона, который испускает гамма-лучи. С помощью
счётчиков Гейгера-Мюллера отмечают, когда радиоактивный
ксенон появится в кровеносных сосудах груди, у локтей,
колен и у пальцев рук и ног. Повторяют те же измерения
после принятия больным лекарства. Если лекарство
расширяет кровеносные сосуды, то скорость движении крови
увеличивается, и время прохождения ксенона с кровью от лёгких
до локтей, колен и пальцев уменьшается-.
С помощью радиоактивных атомов можно определить
местоположение опухоли. В организм вводятся вещества,
содержащие радиоактивные атомы, которые поглощаются
опухолью. Радиоактивное излучение показывает, где
находится опухоль. Особенно важно точно определить положение
опухоли в головном мозге перед операцией, так как при
операции необходимо вскрывать череп.
8. КОК-САГЫЗ
Кок-сагыз — это кустарник. Корни кок-сагыза являются
ценнейшим отечественным сырьём, из которого получают
каучук. До последнего времени не было известно, каким
образом в корнях кок-сагыза образуется млечный сок, содержащий
каучук.
С помощью меченых атомов было установлено, что в
листьях кок-сагыза углекислый газ, извлечённый из воздуха,
45
превращается в сахар, а этот сахар переходит в млечный
сок. В млечном соке из сахара образуется каучук. Это было
доказано следующим образом. Листья кок-сагыза смазывались
раствором сахара, в составе молекул которого были атомы
радиоактивного углерода. Листья впитывали сахар. Из корней
кок-сагыза через определённые промежутки времени брали
по капельке млечный сок. Радиоактивность капелек
измерялась с помощью счётчика Гейгера-Мюллера. Радиоактивность
капелек была тем больше, чем больше времени прошло от
момента смазывания листьев сахаром.
9. ПРИРОДА МЕТИТ АТОМЫ
Из межпланетного пространства к земле идут потоки
лучей, которые получили название космических.
Космические лучи представляют собой поток быстродви-
жущихся протонов и ядер атомов некоторых других элементов.
На своём пути в атмосфере эти лучи разбивают атомы азота
и других газов, находящихся в воздухе. В результате
такого процесса образуются осколки атомов — протоны, нейтроны,
электроны, позитроны и мезоны — частицы с массой,
приблизительно равной 200 и 300 массам электрона, и зарядом,
равным заряду электрона.
Таким образом, в составе космических лучей
оказываются все перечисленные виды частиц. Эти частицы летят
с огромной скоростью и вновь взаимодействуют с
встречающимися на их пути атомами. Взаимодействие мезонов с
веществом заключается в полном разрушении отдельных атомов
и образовании нейтронов, протонов, электронов и позитронов.
Нейтроны и протоны несут большую энергию. Взаимодействие
их с атомами ведёт к образованию радиоактивных элементов.
В результате столкновения нейтронов с атомами азота
получается радиоактивный углерод с массой 14 и периодом
полураспада, равным приблизительно 6000 лет (рис. 20). Этот
процесс происходит в земной атмосфере в огромных
масштабах.
Космические лучи идут из мирового пространства с
одинаковой интенсивностью и днём, и ночью, и зимой, и летом.
Интенсивность космических лучей не меняется с веками. Это
привело к тому, что в нашей атмосфере в течение длительного
времени с одинаковой скоростью образуется из азота
радиоуглерод, а из него — радиоактивный углекислый газ.
46
Углекислый газ, находящийся в атмосфере, поглощается
растениями и превращается в углеводы. Из растений
углеводы, содержащие радиоуглерод, вместе с пищей
попадают в организмы животных. Сама природа метит
вещества так, как их метят исследователи в лабораториях.
Количество радиоактивного углекислого газа в атмосфере
неизменно, так как постоянны и скорость его образования
и скорость его распада (см. стр. 23). Поэтому и доля
Ядро {атома
1азотал
ф Протон
О Нейтрон
Ядро атома
радиоуглерода
Ядро атома
азота соединяет
с нейтроном
Рис. 20. Схема образования радиоуглерода при действии
космических лучей на атомы азота.
радиоактивного углерода в живых организмах совершенно
определённа. В одном грамме углерода клетчатки, взятого
из любого растения, содержится одно и то же количество
атомов радиоуглерода, а именно, около 50 миллиардов атомов,
вне зависимости от того, что это за растение и где оно
произрастает.
Из 50 миллиардов атомов радиоуглерода за две минуты
распадается только 21 атом (распад сопровождается
излучением бета-частиц). Такую небольшую активность обнаружить
чрезвычайно трудно.
В растениях на место распадающихся атомов
радиоактивного углерода приходят новые из углекислого газа атмосферы,
В животных организмах пополнение углерода идёт за счёт
растений.
А если растение или животное погибнет? В этом случае
на место распадающихся атомов радиоактивного углерода не
будут поступать новые атомы из атмосферы. Число атомов
47
радиоуглерода в умершем организме будет уменьшаться
в соответствии с законом радиоактивного распада: через
6000 лет количество радиоуглерода убавится вдвое, через
12 000 лет — вчетверо, через 18 000 лет — в 8 раз и т. д.
Поэтому радиоуглерод может служить своего рода часами, по
которым можно определить время смерти животного или
растения.
Учёные воспользовались этими часами для определения
возраста древних поселений.
Представим себе, что в раскопках древнего поселения
найден кусок дерева. С помощью счётчика Гейгера-Мюллера
мы можем определить количество атомов радиоуглерода,
приходящееся на один грамм чистого углерода в дереве, а
затем рассчитать, когда это дерево было срублено, и таким
образом определить, к какому времени относится древнее
поселение. Таким путём был определён возраст целого ряда
раскопок.
Описанным методом несомненно можно определить
возраст пород, заключающих в себе соединения углерода,
имеющие растительное или животное происхождение, если возраст
не превышает нескольких десятков тысяч лет.
Это-ограничение связано с тем, что через 60 тысяч лет, то-есть через
время, равное 10 периодам полураспада, от имевшегося в
образце количества атомов радиоуглерода остаётся лишь
тысячная доля и обнаружить её будет невозможно.
10. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЧАСЫ
Радиоактивные атомы могут быть использованы и для
определения возраста горных пород. Геологическими часами
является соотношение урана и свинца в урановых рудах.
Природный уран состоит из трёх изотопов с массовыми
числами 234, 235 и 238. Уран с массовым числом 234
называется ураном вторым. Он получается из урана первого,
массовое число которого 238, в результате ряда превращений,
показанных на рисунке 6. Дальнейший распад приводит к
образованию устойчивого элемента свинца. Уран-235 (он
называется актиноураном) не связан с рядом урана-238,
но также в результате ряда превращений переходит в свинец.
В урановой руде содержится 99,28% урана-238, 0,714%
урана-235 и 0,006% урана-234. Но это соотношение миллиард
48
лет назад было иным, так как скорости распада урана-235 п
урана-238 различны. Образование свинца из урана происходит
чрезвычайно медленно, так как периоды полураспада урана-238
и урана-235 очень велики. За 900 миллионов лет количество
атомов урана-235 уменьшилось в два раза, а от имевшегося
количества урана-238 осталось 86%. За 2 миллиарда лет
.количество урана-235 уменьшилось в 4,65 раза, а количество
урана-238—в 1,36 раза. Следовательно, один грамм
природной смеси урана, находящейся в настоящее время в земной
коре, получился из 1,35 грамма урана-238 и 0,03 грамма
урана-235.
Накопление свинца в урановой руде подчиняется закону
радиоактивного распада. Расчёт показывает, что за один миллион
лет из 1 грамма природной смеси изотопов урана образуется
0,000137 2 свинца, а за 10 миллионов лет—0,00136 г
свинца. Если учесть изменение соотношения изотопов в смеси
с течением времени, то можно рассчитать количество свинца,
которое могло образоваться из урана и за более
продолжительное время. Можно, очевидно, решить и обратную задачу:
определить количества урана и свинца в урановой руде, и
по соотношению этих количеств рассчитать время, которое
прошло с момента образования руды. В этих рассуждениях
предполагается, что весь свинец, который находится в урановой
руде, образовался из урана.
Эта интересная задача решается следующим образом.
Кусочек урановой руды растворяется в смеси кислот.
Из полученного раствора свинец осаждается химическим путём.
Но весь свинец осадить очень трудно. Как же узнать, какое
количество свинца было в руде? Для этого приходится
использовать меченые атомы. Перед осаждением свинца к
раствору урановой руды добавляется ничтожное по весу количество
радиоактивного изотопа свинца—радия D. Радий D — продукт
распада радия. Он имеет период полураспада, равный 22 годам.
Химические свойства радия D и свинца одинаковы. И если
из раствора выделяется, допустим, одна двадцатая часть всего
имеющегося радия D ,то и свинца выделяется такая же часть.
Определить относительное количество радия D в
растворе и в осадке легко по радиоактивности. Зная
соотношение между растворённым и выделенным радием D и определив
количество выделенного свинца, рассчитывают его общее
количество, а затем вычисляют время образования уранового
минерала. Если этот минерал образовался вместе со всей
4 Ан. Н. Несмеянов
49
массой земной коры, то тем самым определяется возраст
земной коры. По таким подсчётам возраст земной коры равен
приблизительно 2 миллиардам лет.
Определение геологического возраста можно производить
не только по свинцу. При переходе урана в свинец в цепи
превращений выделяется 8 альфа-частиц, 8 атомов гелия.
За один год из одного грамма урана образуется 1,1 • 10~7
кубических миллиметров гелия. Гелий скапливается в урановой руде
и может быть из неё извлечён. Определив количество гелия
в руде, можно также рассчитать время, прошедшее с момента
образования урановой руды. Однако такой расчёт менее
точен, чем по свинцу, так как газообразный гелий частично
теряется минералами.
Возраст земной коры можно определить и другим путём.
Деление урана происходит не только под действием нейтронов,
но медленно идёт и самопроизвольно. Это явление было открыто
советскими физиками Флеровым и Петержаком. По накоплению
продуктов самопроизвольного распада урана можно определить
возраст минерала, содержащего уран.
П. ПОИСКИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Как определить наличие того или иного вещества в земной
коре? Для этого необходимо исследовать пробы, взятые с
различных глубин земли, например из буровой скважины.
Но анализ проб — сложная и трудоёмкая работа. На помощь
геологам могут прийти радиоактивные атомы.
Если в буровую скважину опускать ионизационную камеру,
соединённую с прибором, записывающим активность (см. стр.
37), то легко можно обнаружить залегание минералов,
содержащих радиоактивные элементы уран, торий, калий и др.
Исследования показали, что сланцы и фосфорные известняки
обладают высокой радиоактивностью, а песчаные образования
и известняки, в которых может залегать нефть, — низкой.
Таким образом с помощью ионизационной камеры можно
обнаружить залегание нефти.
Ценные результаты даёт измерение излучения, которое
появляется при спускании в скважину нейтронного источника
из смеси радия и бериллия. Источник нейтронов подвешивается
снизу ионизационной камеры и изолируется от неё.
Ионизационная камера регистрирует нейтроны, отражающиеся от
пород, в которых проходит скважина.
50
Представьте себе, что движущийся биллпардный шар
стукнулся о неподвижно стоящий крокетный. Что произойдёт?
Большой крокетный шар пошевелится, а биллиардный
отскочит от него. А что произойдёт в том случае, если биллиардный
шар столкнётся с другим биллиардным? В этом случае
первый замедлится, а второй начнёт двигаться. То же происходит
с нейтронами. Сталкиваясь с ядрами тяжёлых элементов,
нейтроны отскакивают, отражаются от них и попадают в
ионизационную камеру. Наталкиваясь же на равные им по массе
атомы водорода, которые входят в состав нефти и воды,
нейтроны замедляются и после трёх — пяти столкновений
останавливаются в породе. Таким образом, если
скважина проходит через породу, в которой содержится вода или
нефть, то движение нити электрометра ионизационной камеры
замедляется.
12. АТОМЫ В РАСТВОРАХ
Всыплем в стакан с водой ложку поваренной соли и
размешаем. Соль растворится в воде; её частицы равномерно
распределятся между молекулами воды, образуя однородную
жидкость.
Если мы прибавим к полученному раствору ещё ложку
соли, то и она растворится. В 100 граммах воды при температуре
20° можно растворить 35,77 грамма поваренной соли. Но если
к такому раствору прибавить ещё порцию соли, она уже не
будет растворяться, как бы долго мы её ни перемешивали.
Раствор, который уже не может растворить новые порции вещества,
называют насыщенным, а количество граммов вещества,
которое содержится в 100 граммах насыщенного раствора, —р а с-
творимостью.
Одни вещества растворяются лучше, другие хуже. Сахар
растворяется в воде очень хорошо, столовая соль хуже, а
мел совсем плохо.
Происходят ли какие-нибудь изменения с кристаллами
соли, если их бросить в насыщенный раствор? На первый взгляд
кажется, что нет. Однако меченые атомы говорят иное.
Представим себе, что к насыщенному раствору обычной столовой
соли прибавлены кристаллы соли, содержащей в своём
составе радиоактивный натрий. Через несколько минут мы
обнаружим, что в растворе появились радиоактивные атомы натрия,
которые можно легко обнаружить, отделив раствор и вставив
4*
61
в него счётчик Гейгера-Мюллера. Через несколько
десятков минут радиоактивность раствора достигает наибольшего
значения.
Это явление можно объяснить только следующим
образом. Молекулы хлористого натрия отрываются от
поверхности кристалла и переходят в насыщенный раствор, но их
место сейчас же занимают молекулы из раствора. Значит, в
насыщенном растворе всё время идёт обновление
кристаллов.
Если вещество растворяется в воде более или менее
хорошо, то определить его растворимость нетрудно. Для этого
получают насыщенный раствор, взвешивают небольшое его
количество, а затем выпаривают из него воду и взвешивают
сухие кристаллы. После этого рассчитывают, сколько
вещества содержится в 100 граммах раствора.
А как быть, если вещество растворяется в воде очень
плохо? На современных точных аналитических весах можно
взвесить 0,0002 грамма, на микровесах 0,000002 грамма, на
специальных весах, представляющих собой кварцевую
пружинку, можно взвешивать 0,000000001 грамма, но не более
0,000000025 грамма, а для определения растворимости надо
взвесить и вещество, и сосуд, а сосуд всегда весит несколько
граммов. Поэтому с помощью весов определить растворимость
мало растворимых веществ нельзя. В таких случаях на помощь
снова приходят меченые атомы.
Предположим, что нам нужно определить растворимость
мела. Как известно, мел в воде практически не растворяется.
Мел — это углекислый кальций; молекулы мела состоят из
кальция, углерода и кислорода. Для опыта мы можем взять
мел, в котором часть атомов кальция радиоактивна.
Определим с помощью счётчика Гейгера-Мюллера, какое количество
радиоактивных атомов кальция содержится в одном
миллиграмме мела. Затем приготовим обычным путём насыщенный
раствор, выпарим определённое количество его и найдём с
помощью счётчика Гейгера-Мюллера активность остатка
после выпаривания, а из неё количество атомов кальция.
Дальше вычислим, сколько радиоактивного кальция, всего
кальция я, наконец, мела содержится в 100 граммах раствора.
Таким способом была определена растворимость многих
плохо растворимых веществ, которые считаются практически
нерастворимыми. Еще в 1917 г. В« И. Спицыя методом
меченых атомов определил растворимость ряда соединений тория.
52
13. УСТОЙЧИВЫ ЛИ МОЛЕКУЛЫ?
На столе лежит белый порошок. Это бариевая соль угольной
кислоты, углекислый барий (ВаС03). В его состав введён
радиоактивный углерод.
Измерим величину его радиоактивности с помощью
счётчика Гейгера-Мюллера и оставим углекислый барий на столе.
Мы заметим, что активность соли будет постепенно
уменьшаться. Уменьшение происходит за счёт распада
радиоактивного углерода.
Что же происходит с углекислым барием?
Находящийся в воздухе углекислый газ (С02) переходит
в молекулы соли, а радиоактивный углерод постепенно уходит
в воздух:
ВаС*03 + С02=ВаС03 + С*02
(звёздочками помечены атомы радиоактивного углерода).
Молекулы углекислого бария, оказывается, неустойчивы;
они всё время обновляются, так же как обновляется
кристалл в насыщенном растворе.
Рассмотрим ещё один пример. Йодистый этил (C2H6J) —
это жидкость, которая кипит при 72°. Йодистый этил можно
испарить, а затем снова перевести в жидкость — молекулы
его при этом не изменятся. Растворим йодистый этил,
содержащий в своём составе радиоактивный иод, в спирте и
добавим к нему йодистый натрий (NaJ). Покипятив
некоторое время смесь и поместив её в фарфоровую чашку,
выпарим йодистый этил и спирт. В чашке останется только
йодистый натрий. Соберём оставшийся йодистый натрий и
с помощью счётчика Гейгера-Мюллера измерим его активность.
При этом мы обнаружим, что соль стала радиоактивной. Это
значит, что радиоактивный иод из йодистого этила
перешёл в йодистый натрий. Произошла реакция обмена;
C2H5J* + NaJq=t C2H5J-f NaJ*.
Внешне ничего в смеси не изменяется, но атомы
меняются местами. Таким образом могут обмениваться атомы во
многих соединениях, которые обычно считаются вполне
устойчивыми.
Все ли атомы в молекулах ведут себя подобным образом?
Нет. Многие атомы в молекулах являются устойчивыми.
Например, атомы серы в молекулах серной кислоты не меняются
53
местами с атомами серы в других соединениях; углерод
органических молекул также устойчив и не меняется с углеродом,
находящимся в молекулах других веществ.
С помощью меченых атомов, таким образом, можно
определить способность атомов к обмену. От этой способности
зависят многие природные, лабораторные и производственные
процессы. Вспомните опыты по распределению фосфора в
организме. Это распределение связано с обменом.
14. ДВИЖЕНИЕ АТОМОВ В ГАЗАХ
Вы сидите в комнате, а в соседней комнате пролили духи.
Через очень небольшой промежуток времени вы почувствуете
их запах. Как он передаётся?
Душистое вещество испаряется, его молекулы смешиваются
с непрерывно движущимися молекулами воздуха, рассеиваются
в нём и постепенно проникают во все уголки помещения.
Процесс распространения одного вещества по объёму,
занятому другим веществом, носит название диффузии. Если
вещество имеет запах или окрашено, то за его диффузией
легко проследить по запаху или окраске. Но за бесцветным
газом, не имеющим запаха, проследить трудно. В этом
случае можно использовать меченые атомы. С помощью счётчика
Гейгера-Мюллера легко определяется скорость движения газа.
Используя газы, в модекулах которых есть радиоактивные
атомы, удалось проследить за движением вредных газов в
вентиляционных системах на промышленных предприятиях.
С помощью радиоактивного газа радона было исследовано
движение газов в доменной печи.
С помощью меченых атомов исследуются и процессы
диффузии в жидкостях.
15. КАК ВЕДУТ СЕБЯ АТОМЫ В ТВЁРДЫХ ТЕЛАХ?
Атомы в твёрдых телах также находятся в непрерывном
движении. Принято считать, что они прочно связаны со
своими соседями и совершают только колебательное
движение около определённых точек. Но это не совсем верно.
Одними колебаниями движение атомов в твёрдом теле не
ограничивается.
Если привести в соприкосновение гладкие поверхности
двух кусков какого-либо металла, например золота, и нагреть
54
их так, чтобы они не расплавились, то оказывается, что
атомы золота из одного куска перемещаются в другой.
Но как об этом можно узнать? Для- этого учёные
бомбардировали один из кусков золота нейтронами. При такой
бомбардировке идёт процесс образования радиоактивных атомов
золота:
79Au^ + 0tH ^79Au^+ у
золото нейтрон золото гамма-лучи
Золото-198 радиоактивно, оно распадается, испуская
электроны. Период полураспада золота-198 равен 56 часам.
Атомы радиоактивного золота постепенно проникают из
одного куска золота во второй и тем глубже, чем дольше
они соприкасаются и чем сильнее нагреты. За этим легко
проследить, счищая с куска золота небольшие слои и
измеряя радиоактивность полученных опилок счётчиком Гейгера-
Мюллера.
Следовательно, атомы в металлах также способны к
диффузии или, как принято называть этот процесс, к самодиффу-
зин. Но диффузия в твёрдых телах происходит гораздо
медленнее, чем в жидкостях и газах. Для изучения диффузии
советский учёный Загрубский впервые в мире применил
искусственные радиоактивные элементы.
16. ИСПАРЕНИЕ ТВЁРДЫХ ВЕЩЕСТВ
Обоняние является самым тонким инструментом, с помощью
которого можно обнаружить присутствие в воздухе неизмеримо
малых количеств пахучих веществ. Но обонянием невозможно
определить количество вещества, а если вещество не обладает
запахом, то и его присутствие.
Запахом обладают не только газы, но жидкости и твёрдые
тела, например бензин, нафталин и т. п. Несомненно, что
ощущение запаха связано с попаданием молекул пахучего вещества
в нос, а из этого следует, что не только жидкие, но и
твёрдые тела способны испаряться.
Испарение твёрдых тел идёт весьма медленно, и в воздух
попадает ничтожное количество молекул твёрдого вещества.
Способность твёрдых тел к испарению оценивается по давлению
образуемых ими паров.
В связи с широким применением радиоактивных элементов
в различных областях науки и техники вопрос об испарении
55
твёрдых веществ приобрёл большое значение. Это связано
с тем, что радиоактивные вещества, попадая при вдыхании
в организм даже в самых незначительных количествах, могут
привести к тяжёлым заболеваниям вследствие вредного
действия их излучения на живые ткани.
Для измерения давления воздуха пользуются барометрами,
для определения давления газа в закрытых сосудах —
манометрами. С помощью этих приборов давление пара твёрдых тел
измерять нельзя — оно очень мало. Как же можно определить
малые давления пара?
На помощь приходят радиоактивные атомы. Если взять
какую-нибудь соль радиоактивного элемента плутония и
поместить её в сосуд с маленьким отверстием (диаметр его
равен долям миллиметра), то через отверстие непрерывно
будут проходить молекулы испаряющейся соли. Количество
соли, испаряющейся за единицу времени через это отверстие,
тем больше, чем больше давление пара. Эти молекулы можно
собрать на пластинке, охлаждаемой жидким воздухом. Пары
соли плутония оседают на охлаждённой жидким воздухом до
минус 190° металлической пластинке, так же как горячий водяной
пар оседает на холодной ложке. Достаточно оседания на
пластинке 10~*5 грамма соли плутония, чтобы можно было
определить это количество с помощью разновидности счётчика
Гейгера-Мюллера — счётчика альфа-частиц, а затем вычислить
давление пара.
Таким образом можно определить давление паров солей
радиоактивных элементов, а также и нерадиоактивных элементов,
если к последним подмешать некоторое количество
радиоактивного изотопа.
17. СТРОЕНИЕ СПЛАВА
Металлургам очень важно знать скорость диффузии
различных атомов в сплавах, так как сплав меняет свои свойства, если
составляющие его атомы изменяют взаимное расположение.
Что такое обыкновенная сталь? Это сплав железа с
углеродом. Небольшая примесь углерода делает железо твёрдым.
Атомы железа и углерода в стали располагаются в
определённом порядке.
Если приготовить закалённую сталь, содержащую
радиоактивный углерод, и гладкую поверхность куска стали
приложить к фотопластинке, завёрнутой в чёрную бумагу, то на
56
пластинке получится изображение куска. Излучение
радиоуглерода вызывает почернение пластинки, и поэтому места
вкрапления радиоуглерода будут отмечены более тёмными
пятнами.
Теперь отпустим сталь, то-есть нагреем её, а затем
медленно охладим. От этого она станет более мягкой. Повто-
р'ш радпографирование. Новый снимок покажет уже иное
расположение атомов радиоактивного углерода в куске.
Атомы углерода перемещаются в куске стали и с течением
времени. Сталь, как говорят, стареет, её прочность
изменяется.
За перемещением атомов в сплавах можно легко
проследить с помощью меченых атомов. Эти исследования очень
важны для всех отраслей промышленности, использующих
сплавы.
Сплавы — тела кристаллические. От величины отдельных
кристаллов и их расположения зависят многие свойства
сплавов. Как же выявить строение сплава? Как определить
величину кристаллов? Для этого применяют различные способы.
Один из них заключается в следующем. Гладко отшлифован,
ную поверхность сплава подвергают действию кислоты, травят.
Кислота по-разному действует на различные части сплава.
После травления поверхность сплава рассматривают в
микроскоп и устанавливают размеры отдельных кристаллов.
Меченые атомы также позволяют определить структуру
сплава. Кроме того, они позволяют установить, какие
кристаллы выделяются из расплавленной массы первыми. Опыт
производится таким образом. Кусок стали помещается в
закрытом сосуде над радиоактивным элементом радиоторием.
Радиоторий после ряда превращений образует атомы тория В
с периодом полураспада 10,6 часа. Атомы тория В
осаждаются на поверхности стали.
Подготовленный таким образом кусок стали расплавляют,
а затем расплаву дают остыть. В жидком расплаве начинается
образование кристаллов. Торий В выделяется из расплава только
к концу затвердевания слитка и располагается по границам
кристаллов или в примесях. Поверхность металла шлифуют и
прикладывают к фотопластинке, которая чернеет в тех местах,
где расположен торий В.
Точно так же можно исследовать строение самых
разнообразных сплавов, выявив расположение и величиау отдельных
кристаллов при радиографировании.
57
18. АТОМЫ-КОНТРОЛЁРЫ
Химики умеют определять состав вещества, узнают, какие
элементы и в каком количестве содержатся в исследуемом
веществе. Определение качественного и количественного
состава веществ при их промышленном производстве весьма
важно. Не зная, насколько химически чист полученный
продукт, нельзя говорить о его пригодности для тех или
иных целей.
В промышленности часто приходится вести анализ сплава,
содержащего золото, платину и иридий. Однако работа по
разделению этих трёх металлов друг от друга очень
сложна.
Для проверки одного из способов разделения металлов
химики приготовляли смесь, содержащую заранее известные
количества золота, платины и иридия, а затем производили
их разделение. Оказалось, что вес выделенного золота был
выше взятого, а вес иридия и платины ниже. Казалось, что
при разделении золото загрязняется иридием и платиной, а
иридий и платина выделяются чистые.
Так ли это? Нет, не так,—говорят меченые атомы. Если
к смеси трёх металлов прибавить атомы радиоактивного золота,
а затем их разделить, то в иридии и платине оказывается
радиоактивное золото. Это легко определить счётчиком
Гейгера-Мюллера.
С помощью меченых атомов химики проверили многие
способы химического анализа и методы промышленного
разделения веществ.
Много исследований в этой области проведено академиком
В. Г. Хлопиным с сотрудниками.
19. МАРКА СТАЛИ
Перед вами несколько брусков стали, среди которых
имеются образцы марганцовой стали. Можно ли отличить эти
образцы, не прибегая к химическому анализу?
Да, можно, используя радиоактивные атомы.
Если образцы облучить нейтронами, то атомы
элементов, входящих в состав стали, будут поглощать нейтроны,
образуя радиоактивные элементы. Но не все атомы
одинаково легко вступают в подобную реакцию. Атомы марганца
вступают в эту реакцию гораздо легче, чем атомы железа.
58
И, несмотря на то, что железа в стали больше, чем
марганца, нейтроны будут взаимодействовать именно с
атомами марганца.
Ядро атома марганца захватывает нейтрон и превращается
в радиоактивное ядро с массой на единицу большей. Из
марганца с массой 55 образуется его изотоп с массой 56, который
распадается с испусканием электронов и гамма-лучей. Пери*
од полураспада радиоактивного марганца равен 2,6 часа.
Обнаружить радиомарганец легко: нужно поднести к
облучённой нейтронами поверхности бруска счётчик
Гейгера-Мюллера. Количество электронов, попадающих в счётчик, будет
тем больше, чем больше образовалось в стали
радиоактивного марганца, а радиоактивного марганца образуется при
одинаковых условиях облучения тем больше, чем больше марганца
в стали. Следовательно, можно не только ответить на вопрос
о том, какой образец стали является марганцовой сталью,
но и определить количество марганца в стали. Приём этот прост,
и с его помощью можно легко и быстро определить состав
сплава, не разрушая детали.
Мы привели только один пример распознавания состава
сплава с помощью облучения его нейтронами. Таким же
способом можно установить содержание различных элементов в
самых сложных комбинациях. Можно определить, например,
содержание серы и фосфора в бумаге, углерода в
поверхностных слоях стали и т. д. Этот способ получил название
активационного анализа (материал активируется
нейтронами или другими ядерными частицами).
Активационный анализ применяется в тех случаях, когда
нужно определить незначительные количества примесей в
чистых металлах или быстро установить состав сложной
смеси.
20. ТРЕНИЕ И СМАЗКА
Движущиеся части машины при работе изнашиваются из-
за трения. При смазывании трущихся частей маслом трение
и износ уменьшаются.
Вспомните поездку по железной дороге. Узловая станция.
Вдоль поезда проходит смазчик и заливает масло в каждое
гнездо у колёс вагонов, в подшипники» Многие из вас
видели дым, идущий от горящих подшипников. Это бывает при
плохой смазке: трение возрастает, металл сильно нагревается
69
и масло загорается. Без смазки металл быстро изнашивается,
и деталь теряет прочность.
Как найти металлы, которые менее всего изнашиваются?
Как найти смазки, лучше всего предохраняющие металл от
износа? Метод меченых атомов даёт в руки исследователей
этих вопросов необходимое оружие.
Для испытания износа того или другого металла
приготовляют из него платформу и ползун (брусок). В ползун
вводят радиоактивный изотоп металла, а затем заставляют
его двигаться по платформе. При движении атомы металлов
вследствие трения переходят с одной поверхности на
другую. Вместе с нерадиоактивными атомами перемещаются и
радиоактивные, и это перемещение можно проследить,
исследуя поверхность платформы с помощью счётчика Гейгера-
Мюллера или радиографии. В последнем случае на
платформу накладывают фотопластинку и, выдержав определённое
время, проявляют её. Чем больше металла перенесено на
платформу, тем сильнее почернеет фотопластинка.
Испытания проводятся в отсутствии смазки, с различными
сортами смазывающих материалов и при различных нагрузках
на ползун.
Эти испытания дают ценнейший материал для выбора
металлов и смазок. Испытания трудно провести без помощи
меченых атомов, так как при трении, в условиях испытания,
переносятся столь ничтожные количества вещества, что их
нельзя обнаружить другими методами.
С помощью меченых атомов можно испытывать качество
не только куска металла или сплава, но и готовых деталей
машин.
Например, для испытания автомобильного двигателя на
его поршень надевают кольцо, приготовленное из сплава,
содержащего радиоактивный кобальт. Двигатель пускают в
ход. При этом частички металла, отрывающиеся от кольца,
попадают в масло, которым смазывается машина. Затем
берут пробу масла и, опустив в него счётчик Гейгера-Мюллера,
определяют количество радиоактивного кобальта, по которому
и судят об износе поршневых колец. Здесь же можно
установить, как влияет качество топлива на износ поршневых
колец. Если топливо содержит в своём составе большое
количество серы, то износ металлов резко увеличивается.
Описанный способ прост, быстр и безусловно имеет большие
перспективы при испытании материалов и машин.
60
21. О ШЁЛКОВЫХ НИТЯХ
Всем знаком искусственный, шёлк. Многие знают, как его
делают, но мало кто знает, что качество шёлка во многом
зависит от тончайшего покрытия, которое наносится на нить
при её полученип; от этого тончайшего покрытия зависит
равномерность окраски нити и качество вязки. Если нить
покрыта неровным слоем вещества, то краска ложится
неровно, и нить при дальнейшей обработке путается. Вещество
это называется олеатом натрия и является натриевой солью
олеиновой кислоты.
Равномерность покрытия нити олеатом натрия можно
контролировать с помощью радиоактивного натрия, который
вводится в состав соли. Нить проходит вблизи специально
сконструированного счётчика Гейгера-Мюллера. Если слой
олеата натрия слишком тонок, радиоактивность будет меньше
контрольной величины; если же слой толстый, то и
радиоактивность будет больше. Всё это регистрирует счётчик
Гейгера-Мюллера. Он соединён с особым автоматическим
устройством, которое тотчас же изменяет в нужную сторону
толщину наносимого слоя.
22. ПОВЕРХНОСТЬ ПОРИСТЫХ ВЕЩЕСТВ
Противогаз защищает человека от вдыхания отравляющих
веществ. В коробке противогаза лежит уголь, который
поглощает отравляющие газы. Уголь может поглощать и
загрязнения из растворов. Углём можно очистить, например, сахарный
сироп. Не только уголь, но и многие другие вещества
способны поглощать газы и примеси из растворов.
Поглотительная способность веществ в значительной
степени зависит от величины их поверхности. Поэтому вещества,
применяемые для поглощения газов и загрязнений, обычнэ
измельчают на мелкие зёрна. Определить поверхность
угольного зерна нетрудно. Но в каждом зёрнышке может быть
большое количество очень мелких внутренних пор. Как же
определить их поверхность?
Учёные нашли способ определения поверхности с помощью
радиоактивных элементов.
Представим себе, что получено какое-то пористое вещество.
В его состав введено ничтожное количество радия. Атомы
радия в этом веществе распределены равномерно.
61
При распаде радия выделяется радиоактивный газ радон.
Если атомы радия находятся на поверхности пор, то радон
выделяется в воздух, если же атомы радия заключены внутри
вещества, то радон остаётся в самом Ееществе. Ясно, что
количество радона, выделяющегося в единицу времени, тем
больше, чем больше поверхность всех пор. Количество радона
можно определить с помощью электрометра, вводя газ,
содержащий радон, в ионизационную камеру.
23. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Многие производства перед спуском отработанных
жидкостей в канализационную сеть производят их обезвреживание
фильтрованием. Специальные фильтры поглощают ядовитые
вещества. Фильтры с течением времени насыщаются и
перестают поглощать отравляющие вещества. В таком случае их
нужно менять, временно пропуская канализационные воды
через запасные фильтры.
Контролировать работу фильтров можно с помощью
радиоактивных атомов. Для этого в сточные воды примешивается
небольшое количество поглощаемого ядовитого вещества,
имеющего в своём составе радиоактивные атомы. Когда
отработанную жидкость спускают в канализацию, за фильтром
ставят счётчик Гейгера-Мюллера, который присоединён к
прибору, переключающему ток жидкости из одного трубопровода
в другой. Если через фильтр начинает проникать ядовитое
вещество, счётчик отмечает присутствие радиоактивных атомов
в сточной воде и включает прибор автоматического
переключения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прочитав эту книжку, читатель познакомился с явлением
радиоактивности и с небольшим количеством примеров
использования радиоактивных элементов в научных изысканиях.
Меченые атомы дают возможность биологам и врачам
глубоко исследовать процессы, происходящие в живых организмах,
быстрее находить новые способы лечения болезней.
С помощью меченых атомов химики могут изучать
механизм различных химических реакций, следить за течением
тех или иных промышленных процессов, проверять методы
химического анализа различных веществ. Геологи могут ис-
62
пользовать меченые атомы для определения возраста горных
пород и при поисках полезных ископаемых.
Область использования меченых атомов растёт с каждым
годом, радиоактивные элементы становятся широко применяемым
средством исследования.
Советские учёные внесли большой вклад в науку о
радиоактивности и в разработку методов использования меченых
атомов.
Нельзя ли пометить атомы иначе, чем это описано в
нашей книге? Да, можно. Учёные нашли способы выделять
некоторые нерадиоактивные изотопы ряда элементов,
например «тяжёлый водород» — изотоп водорода с массой, равной
двум, азот с массой 15, углерод с массой 13, кислород с
массой 18 и т. д. Вещества, в состав которых эти изотопы
входят в большом количестве, отличаются от природных
веществ. Так, например, вода, содержащая тяжёлый водород,
кипит не при 100°, а при 101,42°, замерзает не при 0°, а
при 3,8°; удельный вес «тяжёлой воды» при 4° равен не
единице, а 1,11.
Отличительные свойства веществ, содержащих такие
изотопы, дают учёным возможность изучать многие явления.
«Меченые» нерадиоактивные изотопы также используются
советскими учёными.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
ИМЕЮТСЯ В ПРОДАЖЕ:
1. Болдаков Е. В., Жизнь рек.
2. Буянов А. Ф., Новые волокна.
3. Гладков К. А., Дальновидение.
4. Китайгородский А. И., Кристаллы.
5. Погумирский А. И. и Каверин Б. П.,
Производственный чертёж.
6. Реутов О. А., Органический синтез.
7. Фёдоров А. С, От чего ржавеют металлы.
Цена 1 p. 05 к.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
Вып. 20. Проф. Б. Б. КУДРЯВЦЕВ. Движение молекул.
Вып. 21. Г. Н. БЕРМАН. Счёт и число.
Вып. 22. О. А. РЕУТОВ. Органический синтез.
Вып. 23. К. А. ГЛАДКОВ. Дальновидение.
Вып. 24. Н. Г. НОВИКОВА. Необыкновенные небесные явления.
Вып. 25. Н. В. КОЛОБКОВ. Грозы и бури.
Вып. 26. А. И. ПОГУМИРСКИЙ и Б. П. КАВЕРИН.
Производственный чертёж.
Вып. 27. Проф. Р. В. КУНИЦКИЙ. День и ночь. Времена года.
Вып. 28. Е. В. БОЛДАКОВ. Жизнь рек.
Вып. 29. А. В. КАРМИШИН. Ветер и его использование.
Вып. 30. Г. А. ЗИСМАН. Мир атома.
Вып. 31. В. С. СУХОРУКИХ. Микроскоп и телескоп.
Вып. 32. Н. В. ГНЕДКОВ. Воздух и его применение.
Вып. 34. В. Д. ОХОТНИКОВ. В мире застывших звуков.
Вып. 35. С. Г. СУВОРОВ. О чём говорит луч света.
Вып. 36. Г. В. БЯЛОБЖЕСКИЙ. Снег и лёд.
Вып. 37. М. С. ТУКАЧИНСКИЙ. Как считают машины.
Вып. 38. С Д. КЛЕМЕНТЬЕВ. Управление на расстоянии.