Файл: Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация.pdf

Однако напряжение на дуантах со временем изме­

падает в ускоряющее поле и получает небольшой прирост энергии. Затем процесс повторяется.

Каждый раз, проходя зазор, ион получит лишь не- <- большую порцию энергии. Но так происходит много раз и в конце пути накопляется значительная энергия. Этот

процесс можно сравнить с раскачиванием качелей. Радиус, по которому движется заряженная частица в

магнитном поле, зависит от энергии частицы: чем боль­ ше энергия, тем больше радиус. Поэтому, получая все новые порции энергии, частица каждый раз увеличивает радиус движения, она продвигается по спирали. Услови­ ем ускорения частицы в циклотроне является своевремен­ ное появление ее в зазоре между дуантами в зависимости от изменения напряжения на дуантах. Движение части­ цы в циклотроне определяется ее массой, величиной маг­ нитного поля и частотой изменения напряжения на ду­ антах.

Существуют разнообразные циклические ускорители. В одних ускорителях изменяется частота напряжения на дуантах, это — синхроциклотроны. В других частица движется не в однородном магнитном поле, а в поле бо­ лее сложного вида, это — изохронные циклотроны. Принципы работы этих и многих иных ускорителей опи­ саны в специальной литературе.

Итак, можно создать такие устройства, в которых ядерным частицам сообщается энергия, достаточная для того, чтобы они вызвали разнообразные ядерные реак­ ции. Ядерными «снарядами» служат: протон (1Н1), дей­ трон (1Н2), альфа-частица (гНе4). В последние годы в ядерной «артиллерии» используются тяжелые ионы —

59

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

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

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

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

III.13А127 + „п1-> 1SA128.

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

Источником нейтронов могут служить различные

ядерные реакции. Наиболее мощные источники нейтро-

60

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

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

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

61

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

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

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

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

величиной а пяпч [см2].

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

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

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

62

дет пропорциональна вероятности попадания при хаоти­

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

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

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

145129 + ¡¡Не4 -> 15Р32 + 1Н1,

^ - Ь Н ^ Р ’и + зНе4,

63

15Р» + х№ -> 15Р32 + 1Н1,

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

Сигналы из микромира

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

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

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

64

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

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

Рис. 15. Регистрация излучения:

1 — радиоактивный источник, 2 — счетчик.

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

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

66