Радиоактивные элементы
и их применение

DjVu

      ВВЕДЕНИЕ

      Конец девятнадцатого и начало двадцатого веков ознаменовались рядом больших научных открытий в области физики и химии. К этому периоду относится открытие лучей Рентгена, электронов и, наконец, радиоактивности.
      Не прошло и полстолетия со времени открытия радиоактивных элементов, как в результате бурного развития физики и химии они нашли самое широкое применение в науке и технике.
      Можно наметить три основных вида применения радиоактивных элементов. Они используются, во-первых, в качестве нового оружия научного исследования — меченых атомов в различных областях науки — физике, химии, биологии, медицине, геологии и даже археологии. Во-вторых, как излучатели — вместо лучей Рентгена, для устройства приборов автоматического контроля производства, изготовления измерительных приборов и т. п. В-третьих, для получения атомной энергии.
      Получение и использование атомной энергии — великое достижение человеческого гения, открывающее огромные перспективы в деле дальнейшего развития производительных сил общества. Однако не секрет, что влиятельные круги в США и некоторых других капиталистических странах задались целью поставить атомную энергию на службу планам войны. Жизненные интересы народов требуют того, чтобы использование атомной энергии для целей разрушения и массового уничтожения людей было запрещено, чтобы эта могучая сила природы использовалась исключительно в интересах созидания, в интересах прогресса человечества. Советская наука добилась выдающихся успехов в деле использования атомной энергии в мирных целях: в СССР уже работает электростанция па атомной энергии.
      В этой книге рассказывается о применении радиоактивных элементов для мирных целей и возможном использовании их в военном деле. Но прежде чем рассказать обо всем этом, необходимо вспомнить, из чего слагается вещество, как построены молекулы и атомы, что такое явление радиоактивности и какими свойствами обладают радиоактивные элементы.
     
     
      I. СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ
     
      1. Вещество
     
      Все окружающие нас предметы состоят из того или О иного вещества. Дома построены из железа, бетона, кирпича и дерева, в оконные рамы вставлено стекло, части машин и станков сделаны из железа и других металлов и т. д. Мир веществ многообразен. Вещества обладают самыми различными свойствами. Одни тверды, другие мягки, одни прозрачны, другие не прозрачны, цвет одних отличается от цвета других и т. п. Различие свойств зависит от состава вещества.
      Вещество не является сплошным. Оно может быть разделено на очень мелкие частички, которые называются молекулами. В свою очередь молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов. Так, чистая вода состоит из молекул, в состав которых входят атомы водорода и кислорода; молекулы серной кислоты состоят из атомов водорода, кислорода и серы и т. д. Состав молекул и взаимная связь атомов в них определяют свойства вещества. Все молекулы данного вещества имеют одинаковый состав и отличаются от молекул другого вещества входящими в их состав атомами.
      Молекулы газа метана и ацетилена, например, состоят из углерода и водорода, ню в состав молекул метана входит один атом углерода и четыре атома водорода, а в состав молекул ацетилена — две молекулы углерода и две молекулы водорода. Молекулы древесного спирта отличаются от молекул метана тем, что в их состав, кроме атомов водорода и углерода, входит атом кислорода.
      В настоящее время известно около ста различных видов атомов, или, как принято называть, совокупность атомов — около ста различных химических элементов. Водород, кислород, азот, сера, углерод, железо, медь, цинк и т. д. — все это химические элементы.
      Все многообразие окружающих нас веществ, следовательно, слагается всего из ста видов атомов, которые, соединяясь между собой, образуют бесчисленное множество различного состава молекул.
     
      2. Открытие Д. И. Менделеева
     
      Все известные в настоящее время элементы представлены в приведенной ниже таблице, называемой периодической системой элементов Д. И. Менделеева. В каждой клетке этой таблицы приведены условный знак химического элемента (символ), его название и цифры, верхняя из которых показывает порядковый номер элемента, а нижняя — его атомный вес.
      С помощью символов химических элементов легко можно изображать молекулы различных веществ. Например, молекула воды изображается формулой Н2О. Это обозначает, что в состав молекулы входят два атома водорода (Н2) и один атом кислорода (О). Символами можно изобразить течение того или другого химического процесса. Взаимодействие железа с серной кислотой изображается следующим образом:
      Железо + серная кислота —
      железный купорос + водород
      Расположение элементов в периодической системе не является случайным. Оно подчиняется одному из важнейших законов природы, открытому великим русским ученым 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 еще ничего не было известно, и Менделеев выразил свой закон так: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величин атомных весов элементов». При расположении элементов в порядке возрастания их атомных весов через определенные периоды будут следовать элементы со сходными свойствами. Если элементы этого 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 убежденный в справедливости найденного им закона, сумел правильно расположить все известные элементы, оставив свободными те клетки таблицы, которые должны были занять еще 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 еще не открытых элементов.
      Все свободные клетки периодической системы впоследствии были заполнены новыми элементами, и предсказания русского ученого подтвердились.
      Без периодической таблицы Менделеева были бы невозможны многие великие открытия двадцатого века. В свою очередь эти открытия показали всю глубину значения найденного великим ученым закона. Так, например, порядковый номер элемента в таблице оказался не просто очередным номером, он получил глубокий физический смысл.
     
      3. Мир атомов
     
      Размеры атомов и молекул и их веса ничтожно малы, так что если их выражать в обычных единицах измерения — граммах и сантиметрах, то получатся цифры, совершенно неудобные для обращения. Так, вес атома кислорода равен 0,000 000 000 000 000 000 000 026 грамма.
      Самый легкий атом — атом водорода — весит в 16 раз меньше атома кислорода, а атом калифорния, одного из самых тяжелых известных в настоящее время элементов, — всего в 15 раз тяжелее атома кислорода.
      В состав молекул входит небольшое число атомов, поэтому и веса молекул выражаются такими же маленькими числами, как и веса атомов. Даже гигантские молекулы некоторых белковых веществ, которые в 1000 раз тяжелее атома кислорода, имеют очень маленький вес.
      Если подсчитать, какое число атомов или молекул содержится в грамме какого-либо вещества, то мы получим грандиозные цифры. Например, в грамме железа содержится 10 000 000 000 000 000 000 000 атомов. Но грамм железа — это кубик с ребром длиною в 1/2 сантиметра. Отсюда нетрудно найти, что по линии длиною, равной одному сантиметру, вплотную друг к другу разместится 40 миллионов атомов железа. В грамме железа так много атомов, что если их все разместить по прямой линии, то реактивный самолет должен лететь в течение 300 лет, чтобы преодолеть это расстояние.
      Чтобы еще лучше представить себе грандиозность числа атомов в самых небольших количествах вещества, рассмотрим такой пример. Если из трубы дома или завода, находящегося в Москве, вылетит 1 грамм сажи и равномерно распределится на всей площади, занимаемой городом, то на каждом квадратном сантиметре окажется по 500 миллиардов атомов углерода, из которого состоит сажа.
      Обычно на практике пользуются системой так называемых атомных и молекулярных весов. По этой системе вес атома любого элемента выражается через вес атома кислорода, условно принятый равным 16 атомным единицам массы. Вес самого легкого атома — атома водорода — по этой системе весов приблизительно равен единице, а самого тяжелого природного элемента — урана — примерно 238. Молекула воды по этой системе имеет так называемый молекулярный вес, равный 18.
     
      4. Открытие радиоактивности
     
      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 фотографическую пластинку, вызывая засвечивание светочувствительного слоя. Но в отличие от солнечных новые лучи оказывают свое действие на пластинку и в том случае, когда она завернута в черную бумагу.
      Изучением лучей, открытых Беккерелем, занялись многие ученые. Особенно плодотворными были работы Марии Склодовской-Кюри и ее мужа Пьера Кюри. Сначала они нашли, что лучи Беккереля испускаются только теми веществами, которые содержат уран или торий. Для обнаружения этих лучей Пьер Кюри построил специальный прибор. Действие прибора основано на том, что лучи Беккереля делают воздух проводником электрического тока. Прибор действует по схеме, показанной на рис. 1. Металлическая пластинка 1 присоединяется к отрицательному полюсу электрической батареи, а пластинка 2 — к положительному. Если на пластинку 1 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 интенсивное, 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 свое имя в честь Польши — родины Марии Кюри, — а радий — за его излучение («радиус» в переводе с латинского — луч). Само излучение было названо радиоактивным.
     
      5. Радий
     
      Радий дает лучи, подобные урану, но излучение радия более интенсивное. 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. 2,а), а все остальные лучи поглощаются свинцом. Если лучи радия проходят между двумя сильно электрически заряженными пластинками, то они делятся на три составные части. Это легко обнаружить с помощью фотопластинки. Вместо одного пятна на ней появляются три: одно в центре, другое рядом с ним, а третье несколько дальше, с другой стороны от центра (рис. 2, б).
      Альфа-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц, поэтому она отклоняются в сторону
      отрицательно заряженной пластинки, бета-лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, вследствие чего притягиваются к положительно заряженной пластинке, а гамма-лучи не меняют своего направления в электрическом поле потому, что они не несут заряда.
      Ученые нашли, что альфа-лучи — это поток положительно заряженных ядер атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из ядра атома радия с огромной скоростью — примерно 17 000 километров в секунду. Они способны проникать через слой воздуха в несколько сантиметров толщиной. Проходя через воздух, они делают его проводником электричества.
      Бета-лучи — это поток электронов1, некоторые из которых вылетают из ядра атома радия со скоростью, достигающей величины близкой к скорости света (300 000 километров в секунду). Они проникают через вещества значительно лучше, чем альфа-лучи. Если альфа-лучи задерживаются пластинкой алюминия в 0,05 миллиметра толщиной, то бета-лучи радия способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Так же, как и альфа-лучи, электроны делают воздух проводником электричества, только в меньшей степени.
      1 Электроны — это составные части каждого атома, несущие отрицательный электрический заряд. Электрон приблизительно в 1860 раз легче атома водорода. Он представляет собою наименьшее (известное на сегодня) количество электричества — атом электричества.
      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: они способны проникнуть через слой свинца толщиной в несколько сантиметров.
      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.
     
      6. Строение атома
     
      Исследование свойств радия и ряд других опытов привели ученых 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 электрически нейтрален, то число окружающих его электронов равно заряду ядра.
      Расстояния электронов от ядра значительно больше размеров самого ядра. Если увеличить ядро до размеров горошины, то электроны окажутся на расстоянии до 100 метров от ее центра. На самом же деле диаметр ядра атома имеет размер порядка 0,0001 ангстрема, а сам атом — от одного до пяти ангстремов1.
      1 Ангстрем — единица длины, употребляемая для измерения размеров атомов и молекул, она равна одной стомиллионной доле сантиметра.
      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 3 показаны упрощенные схемы строения некоторых атомов. Электроны в атомах располагаются слоями. 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 ионами. Атомы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительными ионами, а принявшие один или несколько электронов, — отрицательными.
     
      7. Строение ядра атома
     
      Советский физик Д. Д. Иваненко в 1932 году сделал предположение, что ядро атома состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов.
      Протоны — это ядра атомов водорода, масса протона равна приблизительно одной атомной единице, и протон имеет один положительный заряд.
      Нейтроны имеют примерно такую же, как и протоны, массу, но не несут электрического заряда. Это электрически нейтральные частицы.
      Протонно-нейтронная теория строения атома лежит в основе современной ядерной физики.
      Так как веса протона и нейтрона в атомных единицах приблизительно равны единице, то округленный до целого числа вес атома в атомных единицах равен сумме числа нейтронов и протонов всего ядра. Это число называется массовым числом.
      Число же протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Таким образом, ядро атома углерода, имеющего массовое число 12 и заряд, равный 6 единицам, содержит 6 протонов и 6 нейтронов (рис. 4). Ядро атома урана с массовым числом 238 и зарядом 92 содержит 92 протона и 146 нейтронов.
      Предположение Иваненко было подтверждено всеми опытами, проведенными в дальнейшем с атомными ядрами.
     
      8. Изотопы
     
      Открытие Марией и Пьером Кюри полония и радия направило ученых на поиски других радиоактивных элементов. Эти поиски увенчались успехом: в рудах урана и 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 IV 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 В 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.
      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.
      Таким образом, атомы данного элемента содержат одинаковое число протонов, но могут содержать различное число нейтронов. В этом случае получаются изотопные атомы (изотопы).
      Изотопы были обнаружены и среди нерадиоактивных элементов. Удалось доказать, например, что газ неон представляет собою смесь атомов с различной массой.
      Впоследствии изотопы были обнаружены или получены искусственным путем у всех элементов.
      С помощью химических символов можно легко обозначать изотопы различных элементов. Например, изотопы натрия с массовыми числами 22, 23 и 24 записываются следующим образом:
      Na22, Na23, Na24
      Ниже приводится таблица природных изотопов некоторых элементов. Алюминий, фосфор и марганец имеют только по одному природному изотопу.
     
     
      II. РАДИОАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
     
      1. Радиоактивный распад
     
      Теперь рассмотрим, что происходит с радиоактивными атомами при альфа-, бета- и гамма-излучении. Ученые нашли, что при радиоактивном излучении изменяются ядра атомов и происходит превращение атомов одного элемента в атомы другого элемента. Явление это получило название радиоактивного распада.
      Каждый радиоактивный атом рано или поздно пре» вращается 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 определенная для каждого элемента.
      Этот закон ученые установили опытным путем, наблюдая за изменением интенсивности излучения радиоактивных элементов со временем.
      Доля атомов, претерпевающих превращение за единицу времени, называется постоянной распада.
      Если, например, мы имеем 8 000 000 радиоактивных атомов и постоянная 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, и т. д.
      Продолжительность существования радиоактивного элемента обычно выражают периодом полураспада. Период полураспада — это промежуток времени, в течение которого наличное количество атомов уменьшается вдвое. Например, период полураспада радия D равен 22 годам. Это значит, что из 6 400 000 атомов через 22 года останется 3 200 000 атомов, еще через 22 года — 1 600 000 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 радия D за 22 года может не распасться ни один, а могут распасться и оба.
      Изучение превращения элементов при радиоактивном распаде дало возможность ученым установить правило перемещения элемента в периодической системе при этом процессе. Оно было названо «правилом сдвига». Когда радиоактивный атом излучает альфа-частицу, заряд его ядра уменьшается на 2 единицы, так как заряд самой альфа-частицы равен 2. При этом получается новый элемент, который должен занять в периодической системе место через одну клетку влево. Например, когда радий, занимающий 88-ю клетку периодической системы, излучает альфа-частицу, то он превращается в радиоактивный газообразный элемент радон, который находится в клетке под номером 86.
      Бета-частицы, так же как и альфа-частицы, являются продуктами распада ядра радиоактивного атома; они освобождаются в результате превращения нейтрона в протон:
      нейтрон — протон + электрон
      Заряд ядра при бета-излучении увеличивается Ha одну единицу; нa единицу увеличивается и порядковый номер, и поэтому образовавшийся новый элемент должен занять в таблице место в следующей клетке справа. Уран Х1, получающийся из урана-238, 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.
      Альфа- и бета-распад сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.
      При гамма-излучении ядро атома теряет энергию, но состав ядра остается неизменным.
      Правило сдвига дало возможность найти место в периодической системе элементов Менделеева для всех вновь открытых изотопов.
     
      2. Семейства радиоактивных элементов
     
      Использование правила сдвига позволило ученым 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 идет 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, ученые 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 нерадиоактивным изотопом свинца.
      Одним из важных членов, семейства урана является изотоп радия с массовым числом 226; он широко применяется в медицине, технике и в научных изысканиях.
      Позднее искусственным путем было получено новое семейство радиоактивных элементов — семейство нептуния; оно заканчивается устойчивым изотопом висмута.
      На рисунках 5 и 6 приведены радиоактивные семейства. В кружках указаны названия элементов, масса атома и заряд ядра. Стрелки показывают, в каком направлении идет превращение, значки а и (3 около стрелок — род излучения, а цифры — периоды полураспада.
     
      3. 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 практически нельзя заметить. Период полураспада радия — 1590 лет, а радия А — всего 3 минуты.
      С течением времени в смеси элементов радиоактивного ряда наступает так называемое радиоактивное равновесие. Это значит, что количество атомов того или иного радиоактивного элемента в смеси остается практически неизменным: сколько атомов получается, столько же распадается. Если из смеси удалить один из элементов, то равновесие нарушается, но через определенное 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. Представим, что количество воды в них соответствует количеству радиоэлементов, а сечения соединяющих труб — постоянным их распада. Учтем, что скорость вытекания зависит от напора воды: чем выше уровень воды в бассейне и чем шире труба, тем быстрее течет из него вода. Допустим, что в первом бассейне находится такое большое количество воды, что убыль ее практически не влияет на уровень воды. Из первого бассейна вода протекает во второй по трубе с сечением, равным 2 кв. см. Из второго бассейна вода течет в третий по трубе с сечением, равным 1 кв. см. Труба, соединяющая третий бассейн с четвертым, имеет сечение 4 кв. см.
      Вначале вода во втором бассейне будет прибывать, но одновременно она будет вытекать в третий бассейн.
      Когда высота уровня во втором бассейне станет вчетверо больше, чем в первом, скорость притока воды во второй бассейн будет равна скорости вытекания из него в третий. В первом бассейне уровень в 4 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 можно сказать про третий бассейн. Вода в нем будет прибывать до тех пор, пока уровень ее не достигнет высоты в 4 раза меньшей, чем в первом бассейне.
      Когда уровни будут находиться в соотношении 4:16:1, 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 уменьшится и в третьем бассейне вода начнет убывать. Однако через некоторое время уровень во втором бассейне повысится и равновесие наступит вновь.
      Подобное этому равновесие имеет место и при радиоактивном распаде. Чем больше период полураспада элемента, тем больше его находится в смеси. В семействе тория, например, из тория образуется в единицу времени столько атомов мезотория-1, сколько их распадается с образованием мезотория-2.
      Однако скорость вытекания воды из бассейнов пропорциональна корню квадратному из высоты уровня воды, а скорость распада радиоактивного элемента пропорциональна первой степени его количества.
      Уран, торий и актиноуран находились в земной коре многие тысячелетия, и за это время в рядах урана, тория и актиноурана установилось равновесие.
     
      4. 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 многие ученые перестали верить в возможность превращения элементов. В XIX веке в науке 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 XX веке, после того как было изучено явление радиоактивности и выяснилось сложное строение атома, ученые 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 Резерфорд решил использовать для разрушения атомов энергию радиоактивного излучения, именно энергию альфа-частиц. Быстролетящие сравнительно тяжелые 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. 7). Затем ядра раскалывались на два новых ядра: ядро атома кислорода и ядро атома водорода (или протон). Так впервые был проведен процесс превращения элементов. С помощью химических символов он может быть записан следующим образом:...
      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 нижних цифр — общее количество протонов в ядрах — также не меняется.
      Вес искусственно полученного атома кислорода равен 17 атомным единицам. Это один из изотопов кислорода.
      Вскоре с помощью альфа-частиц удалось расщепить ядра и ряда других элементов.
     
      5. Открытие искусственной радиоактивности
     
      Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, изучая действие альфа-частиц на атомы различных элементов, сделали большое открытие. Они обнаружили, что облученный альфа-частицами алюминий испускает позитроны — частицы с массой, равной массе электрона, и зарядом, равным и противоположным по знаку заряду электрона. Испускание позитрона идет и после прекращения обстрела алюминия альфа-частицами. Число позитронов со временем убывает, и, наконец, выделение их прекращается.
      Открытое супругами Жолио-Кюри явление напоминало картину радиоактивного распада. Поэтому ученые 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.
      Таким образом, супруги Жолио-Кюри показали, что радиоактивные элементы можно создавать искусственным путем.
      Какие же элементы получались из алюминия, бора и магния при воздействии на них альфа-частиц?
      Изучение взаимодействия алюминия с альфа-частицами показало, что сначала из алюминия вылетают нейтроны, а позитроны появляются уже после бомбардировки. Ученые нашли, что процесс идет таким путем:...
      Свое предположение Ирен и Фредерик Жолио-Кюри подтвердили, выделив из алюминия радиоактивный фосфор.
      Облученная альфа-частицами пластинка алюминия была растворена в кислоте. Атомы фосфора, образовавшиеся из алюминия, попали вместе с атомами алюминия в раствор. Затеям 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?
      Из алюминия в опытах Жолио-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 и 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.
      Так же было доказано, что при облучении магния образуется радиоактивный кремний, а при облучении бора — радиоактивный азот. Полученные таким образом неустойчивые элементы были названы искусственными радиоактивными элементами, а само явление — искусственной радиоактивностью.
     
      6. Атомная артиллерия
     
      Работы по получению новых искусственных радиоактивных элементов начали вести ученые различных стран. В качестве атомных снарядов применялись нейтроны, получаемые при действии альфа-частиц радия или радона на бериллий:…
      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 грамм радия, например, в течение секунды испускает 3,7х1010 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 объема вещества.
      Для получения заметных количеств искусственных радиоактивных элементов ученые построили аппараты, с помощью которых можно создавать потоки альфа-частиц, протонов, нейтронов и дейтеронов, с большим количеством частиц и большой энергией (дейтероны — ядра изотопа водорода, состоящие из протона и нейтрона).
      Одним из аппаратов для получения ядерных снарядов является циклотрон (рис.8).
      Циклотрон представляет собой камеру в форме цилиндра, из которой удален воздух. (Камера находится между полюсами огромного электромагнита. Внутри камеры помещены металлические коробки с сечением в виде полукруга (рис. 9 и 10). 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 или гелий. Между дуантами находится вольфрамовая нить. Она накаливается и испускает электроны, которые при своем движении вырывают электроны из оболочек атомов газа, ионизируют этот газ. Положительные ионы, образующиеся вблизи вольфрамовой нити, начинают двигаться к отрицательно заряженному дуанту и по инерции проскакивают внутрь его.
      Внутри дуантов нет электрического поля, но на ионы действует магнитное поле электромагнита и заставляет 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 ювижутся с большей 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 свое направление и выводятся из дуантов через окошечко (см. рис. 9) на облучаемое вещество.
      Если в камеру циклотрона» впускают газообразный гелий, то получаются гелионы — альфа-частицы, если водород, то протоны, если тяжелый водород (изотоп водорода с массой 2), то дейтероны.
      В настоящее время построены 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 в циклотроне, и в сотни раз — энергию частиц природных радиоактивных элементов. С помощью таких частиц разрушить атом так же легко, как разбить камнем стеклянный предмет.
      Ha описанных установках можно получать не только быстрые заряженные частицы, но и нейтроны, направляя дейтероны на бериллиевую пластинку. В этом случае происходит следующая реакция:…
      Большой циклотрон может дать несколько тысяч миллиардов нейтронов в секунду.
      С помощью циклотрона и других аппаратов было исследовано 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 после урана в периодической системе) элементы с порядковыми номерами от 93 до 1100.
      Большое практическое значение имеют те радиоактивные элементы, период полураспада которых не слишком мал и которые легко могут быть получены. Ниже приведены некоторые искусственные радиоактивные изотопы, используемые при различных исследованиях.
      Таблица некоторых искусственных радиоактивных изотопов, использующихся в практике
      Название элемента
      Символ изотопа
      Период полураспада
     
     
      III. МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ
     
      1. Как можно узнать
      о присутствии радиоактивных элементов
     
      При радиоактивном распаде происходит излучение альфа- или бета- (электроны, позитроны) и гамма-лучей. Из опытов Беккереля мы знаем, что эти лучи действуют на фотографическую пластинку так же, как действует на нее свет. Обнаружение радиоактивных излучений с помощью фотопластинок начало развиваться на заре исследований радиоактивности.
      Уже в 1904 году русский врач Лондон применял фотопластинки для регистрации наведенной радиоактивности тела животных, помещенных в сосуды с газом радоном. Эта активность в теле животных получалась за счет осаждения радиоактивных изотопов — продуктов распада радона.
      Теперь ученые широко используют фотографический способ для обнаружения радиоактивных элементов. Он 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 негатива печатается снимок. На снимке светлые места соответствуют участкам, где скапливается радиоактивный элемент. На рисунке 111 показан негатив и позитив коренных зубов собаки, концентрировавших радиоактивный натрий, а на рисунке 12 — радиоавтограф минерала, содержащего уран.
      Радиоактивное излучение может быть обнаружено еще следующим путем. Представим себе, что в цилиндр с поршнем введен чистый водяной пар. С помощью поршня увеличим объем, 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 начнется образование тумана — ионы служат центрами, вокруг которых образуются мельчайшие водяные капельки. Так как альфа- и бета-лучи ионизируют воздух, то на пути каждой альфа-частицы или электрона возникнет полоска тумана. Полоски можно наблюдать или сфотографировать (рис. 13) и по ним считать отдельные частицы, выбрасываемые из ядер атомов. На этом принципе построен специальный прибор — камера Вильсона.
      Рис. 13. Следы альфа-частиц, сфотографированные в камере Вильсона.
      Радиоактивное излучение ионизирует воздух, делает его проводником электрического тока. Поместим радиоактивное вещество в металлическую камеру, в центре которой укреплен металлический стержень, не соприкасающийся с ее стенками. Такая камера называются ионизационной. Присоединим к камере и стержню электрическую батарею. Благодаря присутствию радиоактивного вещества воздух ионизируется и между стержнем и стенкой цилиндра 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, соединенная со стержнем металлической камеры, находится между двумя пластинками, заряженными электричеством противоположного знака. Если нить соединена с землей, то электрический ток течет в землю. Если же нить отъединить от земли, то на стержне и на нити будет накопляться электрический заряд, и нить будет перемещаться к пластинке, заряженной электричеством противоположного знака. Перемещение нити идет тем быстрее, чем больше радиоактивного вещества находится в камере. Движение нити наблюдают в микроскоп. Скорость движения нити является мерой излучения.
      В настоящее время наиболее распространенным прибором для регистрации радиоактивного излучения является счетчик Гейгера-Мюллера. Конструкций счетчиков много. Одна из них представляет собой тонкостенный стеклянный баллон диаметром, равным 1—2 сантиметрам и длиной в 10—20 сантиметров. Стенки баллона изнутри покрыты слоем металла, концы баллона запаяны, и по оси его натянута металлическая нить, изолированная от покрытия стенок (рис. 14). Баллон наполнен смесью аргона и паров спирта при давлении, равном 10 сантиметрам ртутного столба. Покрытие стенок присоединяется к источнику высокого напряжения в 1500 — 2000 вольт, а нить через высокое сопротивление заземлена (рис. 15).
      Если в такой счетчик проникает электрон, то он ионизирует некоторое количество молекул газа. Образовавшиеся при этом электроны вследствие высокой разности потенциалов с большей скоростью устремляются к нити, производя при этом ионизацию новых молекул. Таким образом, число электронов растет подобно снежной лавине, начинающейся с падения небольшого комка снега. Происходит разряд, и к земле по сопротивлению протекает импульс тока. Этот импульс воспринимается усилителем тока, который передает его на регистратор — электросчетчик. Регистратор отвечает на каждую проникшую в счетчик частицу перемещением стрелки на одно деление. При помощи счетчика Гейгера-Мюллера можно определить интенсивность излучения или количество распадающихся атомов радиоактивного элемента по числу зарегистрированных в единицу времени импульсов тока.
      Гамма-фотоны выбивают из стенок счетчика электроны, которые и вызывают в нем разряд. Счетчик фотонов может быть толстостенным. Для регистрации альфа-частиц и электронов малой энергии, которые не могут проникнуть внутрь счетчика через его стенку, применяют счетчики специальной конструкции с окошками, покрытыми тонкой слюдой, или препарат вводят внутрь счетчика. На рис. 16 показан общий вид установки для регистрации излучения радиоактивных элементов с помощью счетчика Гейгера-Мюллера.
      Альфа-частицы могут быть обнаружены и сосчитаны и по сцинтилляциям — световым вспышкам, которые получаются при попадании альфа-частиц на экран из сернистого цинка. Сцинтилляции можно наблюдать в темноте с помощью микроскопа.
     
      2. Что такое метод меченых атомов
     
      В основе большинства явлений природы и искусственных процессов, проводимых в лабораториях и промышленности, лежит движение атомов и молекул. С движением атомов и молекул связаны: течение рек, движение воздуха, рост растений, разложение их при гниении, усвоение пищи животным и человеком, горение ракеты, взрыв динамита и т. д. Атомы во многих из этих процессов не только перемещаются, но и меняют партнеров, с которыми они были соединены, образуют новые химические соединения, новые вещества. Изучение природных и лабораторных процессов, следовательно, связано с наблюдением за перемещением атомов. Наука нашла много тончайших методов исследования, однако один из этих методов отличается такими возможностями, которые не таят в себе другие. Он позволяет наблюдать движение в самых сложных и скрытых химических и физических процессах и называется методом «Меченых атомов».
      Ученые давно мечтали о том, чтобы пометить атомы, как метят птиц и других животных, за которыми хотят провести наблюдение. Кольцо на ноге птицы или какая-либо другая отметка на теле животного дает возможность определить, далеко ли животное уходит от места метки, куда и какими путями улетают на зиму птицы, как долго живут рыбы и т. д. С помощью таких меток удалось, например, установить, что щуки живут по несколько сот лет, что угри из рек Европы и Америки уходят метать икру в Саргасово море, где умирают и откуда через несколько лет молодое поколение угрей приплывает в реки Западной Европы и Америки.
      Метод меток распространен довольно широко. Так, в поисках подземного пути рек в горных местностях гидрологи примешивают к воде рек краски, которые позволяют доказать по выходу окрашенной воды из-под земли в нескольких километрах ниже по течению от места, где была вылита краска, связь двух рек между собою. Так г помощью флуоресцина — краски, которая даже при очень сильном разбавлении легко заметна, удалось доказать подземную связь Дуная с рекой, текущей от нее в нескольких километрах.
      Недавно способ метки был применен пчеловодами. В улье находится до сорока тысяч пчел, и наблюдение за отдельными группами пчел невозможно без их метки. Пчеловоды делают улей с прозрачной крышей, а пчел, вылетающих на сбор корма, метят краской у поставленных на разных расстояниях и в разных направлениях от улья кормушках. За поведением отмеченных краской пчел легко проследить в улье с прозрачной крышей. Пчеловодам удалось таким путем узнать многие тайны жизни пчел.
      Но не можем же мы превратиться в микроскопических гномов, уменьшиться в миллиард раз, чтобы атомы стали для нас подобны пчелам и мы смогли бы их видеть и пометить. Что же делать? Как можно пометить атомы? Только ли глазом можно следить за движением тел? Вспомните прогулку в лесу за грибами. Вы потеряли своего товарища, но вот слышите повторяющийся возглас «ау!» и по этому возгласу легко определяете его местоположение. Значит, по звуку можно следить за движением так же, как с помощью зрения. Теперь представьте себе самолет, который в тумане или ночью ищет место посадки. Посадочный аэродром непрерывно посылает в эфир радиосигнал, а летчик принимает этот сигнал с помощью специального приемника и ведет самолет к месту посадки так же точно, как если бы он его видел. Представьте себе корабль, затерянный во льдах арктики; его радиостанция непрерывно посылает сигналы бедствия. Эти сигналы позволяют установить местопребывание судна. Представьте себе, наконец, чудо современной техники — радиолокационную станцию, которая на огромном расстоянии может проследить за движением самолета, корабля, подводной лодки, воспринимая отражение посылаемой ею волны от отыскиваемых целей.
      Читателю уже известно, что радиоактивные атомы способны посылать сигнал в виде излучения и что этот «сигнал» с помощью приборов, описанных в предыдущем разделе, может быть принят — зарегистрирован.
      Впервые, как уже было рассказано выше, этот «сигнал» атомов — радиоактивное излучение, был принят и зарегистрирован Анри Беккерелем при исследовании соединений элемента — урана. Этим же воспользовались и Мария и Пьер Кюри при поисках радия и полония. Излучение радия и полония являлось, следовательно, природ-, ной меткой, по которой супруги Кюри обнаружили и выделили эти элементы.
      Описанные примеры показывают, что радиоактивное излучение может служить для атомов меткой, с помощью которой можно проследить их местонахождение. Но надо иметь в виду, что радиоактивное излучение — это результат радиоактивного распада, и, следовательно, мы можем зарегистрировать только гибель атома, его превращение в другой атом. Вспомним, что радиоактивному распаду подвергаются не все радиоактивные атомы одновременно, распад происходит постепенно, в течение времени, которое зависит от свойств данного радиоактивного элемента, от его периода) полураспада. Например, количество атомов радиоактивного фосфора -32 убавится наполовину за 14 дней, радиоактивного золота -198 за 2,7 дня, радиоактивной меди -64 за 12,9 часа и т. д.
      Однако в процессах, за которыми производят наблюдение с помощью метода меченых атомов, участвует такое большое количество атомов, что превращение даже десятков и сотен тысяч их практически не меняет общего числа! атомов, общего количества вещества, убыль его остается незаметной для наблюдателя.
      Как уже было сказано, в природных и лабораторных процессах обычно участвуют огромные количества атомов. При этом поведение одинаковых атомов — атомов одного и того же элемента — в одном и том же процессе одинаково. Например, атомы элемента кальция и фосфора, попадающие с пищей в организм человека, идут на построение костных тканей, атомы иода скапливаются в щитовидной железе и т. д. Неотличимо ведут себя и изотопы одного и того же элемента. Если приготовить смесь радиоактивных и нерадиоактивных атомов одного и того же элемента — смесь изотопов, то отделить атомы радиоактивного изотопа от атомов нерадиоактивного изотопа очень трудно. В большинстве природных и лабораторных процессов радиоактивные изотопы ведут себя совершенно так же как и нерадиоактивные. Например, при сжигании серы, содержащей смесь атомов радиоактивного и нерадиоактивного изотопа, с кислородом соединяются и радиоактивные и нерадиоактивные атомы. При попадании смеси радиоактивных и нерадиоактивных атомов какого-либо элемента внутрь организма человека или животных оба вида атомов ведут себя химически! и физически неотличимо.
      Однако каждый атом радиоактивного изотопа рано или поздно распадается и дает «сигнал» в форме излучения. Если же в смеси атомов имеется достаточно большое количество радиоактивных атомов, то они распадаются непрерывно один за другим, все время сигнализируя о местопребывании и движении всей массы атомов данного элемента.
      Мы теперь видим, что достаточно к веществу, за которым хотят провести наблюдение, подмешать молекулы этого вещества, содержащие в своем составе атомы радиоактивного изотопа, чтобы в течение всего процесса знать местопребывание всей массы данного вида атомов по испускаемому атомами изотопа излучению. Метод меченых атомов, следовательно, — это способ наблюдать за поведением данного вида атомов в каком-либо процессе с помощью его радиоактивного изотопа.
      Для проведения опыта с использованием метода меченых атомов получают радиоактивные элементы, а из них — вещества, необходимые для исследования, часть молекул которых содержит радиоактивные атомы. По излучению, исходящему от радиоактивных молекул, следят за поведением и движением таких же молекул, но не содержащих радиоактивных атомов, — следят за всей массой вещества.
      Метод меченых атомов в настоящее время широко применяется в различных областях науки, в ряде случаев он облегчает наблюдение за происходящими процессами, и часто без применения этого метода наблюдение становится невозможным.
     
      3. От корней к тканям растения
     
      Одной из самых больших тайн природы, в которую удалось проникнуть с помощью метода меченых атомов, является поведение химических элементов в. живом организме.
      Фосфор является одним из важнейших элементов, необходимых для жизни растений и животных. Он входит в состав многих тканей, в больших количествах содержится в костях животных, в плодах и семенах растений.
      В организм животных фосфор попадает с пищей, а растения всасывают его корнями из почвы в виде солей фосфорной кислоты. Если почву у корней растения полить раствором соли фосфорной кислоты, в состав которой введены атомы радиоактивного фосфора, то легко проследить, как фосфор проникает в корни растения, затем поднимается по его стеблю и распространяется в листьях по их жилкам. Наблюдение за движением фосфора осуществляют следующим образом: для опыта используют несколько растений, подкормленных радиоактивным фосфором. Одно из них срезают через час, другое через два часа, третье через пять часов после начала опыта и т. д. Затем от различных частей срезанных растений отделяют по грамму ткани; ткань высушивают и сжигают. В оставшейся золе содержится фосфор, который был в отделенной части растения. Теперь с помощью счетчика можно легко подсчитать, в каких тканях растения находится больше радиоактивного фосфора, как влияет время на изменения количества радиоактивного фосфора в листьях, плодах или других частях растения. Вместо описанного способа можно растения, впитавшие в себя радиоактивный фосфор, срезать и приложить в темноте к фотографической пластинке. Контуры тех частей растения, в которых находится радиоактивный фосфор, будут зафиксированы почернением на фотографической пластинке. Почернение оказывается неравномерным, оно тем больше, чем больше радиоактивного фосфора содержится в той или иной части растения. Таким способом легко можно изучить направление движения атомов фосфора и других элементов в растении. Можно показать, что в табаке, зараженном вирусной мозаикой, фосфор особенно интенсивно поглощается именно больными листьями (рис. 17), в плодах томата он скапливается в семенах (рис. 18), калий и радий устремляются в растущие побеги и кончики листьев (рис. 19 и 20) и т. д.
      Можно проследить также, как быстро сказывается влияние удобрений, внесенных в почву, и расположение удобрений по отношению к корням. Так, листья растения, которое внесено корневой системой непосредственно в удобрения, содержащие радиоактивные элементы, становятся радиоактивными уже через 20 минут. Если удобрения расположены на 3 — 4 см от корней, то содержащиеся -в них элементы оказываются в листьях через 3 дня, а при расстоянии от корней до удобрения, равном 5 — 6 см, только через 3 — 4 недели.
      Рис. 19. Радиоавтограф (позитив) томата, подкормленного радиоактивным калием. Скопление калия в кончиках листьев.
      Рис. 20. Радиоавтограф (позитив) гороха, впитавшего радий. Скопление радия в верхних растущих частях растения.
      Очевидно, используя радиоактивные вещества, внесенные в почву на различные расстояния от растения, можно проследить за ростом корневой системы, не вынимая растение из земли, а измеряя радиоактивность листьев.
     
      4. Фотосинтез
     
      Углерод, идущий на построение клеток тканей, растения получают из воздуха в виде углекислого газа, который в листьях на свету претерпевает ряд сложнейших превращений. Процесс этот носит название фотосинтеза».
      Фотосинтез сложен и многообразен. Исследования А. К. Тимирязева и его учеников положили основу учения о фотосинтезе, но только с помощью метода меченых атомов удалось показать, как углекислый газ и вода превращаются в углеводы. Оказалось, что кислород, выделяющийся при синтезе углеводов, образуется из воды, что листья растений способны накоплять солнечную энергию, то есть процесс фотосинтеза продолжается некоторое время и в темноте. В этих исследованиях растения выдерживались в различных условиях в атмосфере углекислого газа, содержащего радиоактивный углерод, затем с помощью счетчика определялось количество радиоактивного углерода в тканях листьев. Более сложные опыты заключались в том, что исследовалось не просто содержание радиоактивного углерода, а определялось, в какие химические соединения и при каких условиях он входит. После выдерживания в атмосфере радиоактивного углекислого газа растения убивались спиртом. При этом образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические соединения переходили в раствор, который наносился на угол вертикально висящего листа фильтровальной бумаги.
      Верхний край бумаги опускался в ванночку с органическим веществом — фенолом. Фенол впитывался бумагой и проникал в нее, перемещаясь все ниже и ниже. По мере смачивания бумаги фенолом вещества, нанесенные на ее угол, также передвигались сверху вниз. Скорость передвижения различных веществ при таком способе промывания бумаги различная, поэтому, если выдержать край бумаги в феноле определенное время, определенное вещество переместится на определенное расстояние от края. Затем лист бумаги поворачивался на 90° и ее край опускался в ванну с раствором пропионовой кислоты в спирте. Снова происходило движение жидкости по бумаге сверху вниз, а вместе с ней и находящихся на бумаге веществ. Благодаря такому приему каждому веществу при стандартных условиях промывания соответствует определенный участок бумаги. После промывания с помощью счетчика или фотографическим методом исследовали, на каких частях бумаги находятся соединения, содержащие радиоактивный углерод, то есть тем самым определялось, какие вещества образовались из радиоактивного углекислого газа в условиях; опыта (рис.21).
      Источником углерода для растений является не только углекислый гав воздуха. Используя радиоактивный углерод, русским исследователям удалось обнаружить проникновение углекислоты через корни в ткани растений, удалось установить новое назначение корневой системы. Эти опыты показали, что построение углеродистого скелета растений происходит не только через листья из воздуха, но через корни из почвы.
      Советскими учеными были найдены сложнейшие пути образования углеродистых веществ в растениях и роль углерода, поступающего из воздуха в листья и из земли через корни. Углекислый газ воздуха в листьях превращается в сахар, который спускается в корни растения, где он переходит в пировиноградную кислоту. Последняя с углекислотой, извлекаемой корнями из земли, дает щавелево-уксусную и затем яблочную кислоту. Яблочная кислота идет вверх: в листья, плоды и т. д., и превращается в них в белок и углеводы.
      В то же время углекислота почвы, превращаясь в органические кислоты, проникает во все уголки растения и под влиянием хлорофилла разлагается и выделяет кислород. Таким образом осуществляется кислородное питание растений.
      Питание растений азотом и фосфором также осуществляется за счет углекислоты, извлекаемой корнями растения из почвы. Это происходит следующим путем: углекислота превращается в щавелево-уксусную кислоту, которая соединяется с почвенным аммиаком, содержащим азот, и превращается в аспаргиновую кислоту. Образование щавелево-уксусной кислоты идет только в присутствии фосфора, поэтому при недостатке фосфора питание растений азотом не осуществляется.
      Советские ученые установили также, что свет с различной длиной волны вызывает различное действие. Так, красный свет вызывает образование углеводов, а синий — белков.
      Ряд опытов показал, что и листья являются для растений источником не только углекислого газа — углерода, но что они способны всасывать минеральные соли, тем самым помогая корням в питании растений азотом, фосфором и другими элементами. Это открытие позволило производить внекорневую подкормку сельскохозяйственных культур, которая значительно повышает их урожайность. Например, урожайность хлопка на полях наших южных республик повышается этим путем на 10 — 20%, урожайность картофеля на 7%, ячменя на 18%, фасоли на 17% и т. д.
     
      5. Движение поваренной соли в организме
     
      Путь различных веществ в организме животных еще более сложен, чем путь их в растениях. С пищей различные элементы попадают в желудок и кишечник животного, а из него в кровь. Кровь поставляет их во все уголки тела. Проследить за движением веществ, путь которых интересует исследователя, невозможно без радиоактивных элементов. Метод меченых атомов дает возможность отличить вновь пришедшие в организм атомы от тех, которые в нем были ранее.
      Вы выпили стакан воды, в которой растворена столовая соль, то есть хлористый натрий (соединение натрия и хлора). Куда же попадают молекулы хлористого натрия из желудка? Ответ может дать радиоактивный натрий, который легко ввести в состав молекул соли.
      Если вы выпьете раствор такой соли и зажмете в руке счетчик, то уже через несколько минут он покажет, что в руке появились атомы радиоактивного натрия, которые распадаются с испусканием электронов и гамма-лучей. Радиоактивный натрий принесла! в вашу руку кровь, что легко доказать, взяв пробу крови и проверив в ней присутствие радиоактивного натрия с помощью того же счетчика.
      В течение часа большая часть попавшего в желудок хлористого натрия проникает в кровь. Затем хлористый натрий разносится кровью по всему телу и из нее попадает в так называемую межклеточную жидкость, далее постепенно уходит в почки и выделяется из организма. В моче с помощью счетчика можно обнаружить небольшие количества радиоактивного натрия уже через 10 минут после того, как он попал в желудок. Хлористый натрий всегда находится в живом организме; вновь поступающий хлористый натрий заменяет собой тот, который был в организме раньше.
     
      6. Куда идет фосфор
     
      Попробуем теперь проследить с помощью меченых атомов за движением фосфора в организме животного и установить его роль в питании. Для этого необходимо соединение фосфора — соль фосфорной кислоты, содержащую радиоактивный фосфор, — ввести в желудок. Можно ввести соль фосфорной кислоты и путем подкожного вспрыскивания. Она быстро всасывается в кровь и распределяется по всему организму. Для проведения опыта используют животных, например, крыс. Через некоторое время после подкожного вспрыскивания крысу умерщвляют.
      От различных частей ее тела отделяют по одному грамму ткани и сжигают. Затем с помощью счетчика определяют величину радиоактивности золы, полученной после сжигания каждого вида ткани. Радиоактивность, или, как мы будем говорить в дальнейшем, активность, выражают числом импульсов, отмеченных счетчиком в единицу времени. Зная вес и активность 1 грамма ткани, вычисляют активность всей ткани. Полученные активности складывают и, приняв их за 100%, рассчитывают процент активности в каждом виде ткани. Результаты одного из таких опытов приведены в таблице.
      Общая активность оказывается наибольшей у костей, но активность на миллиграмм фосфора гораздо большая у мышц и других мягких тканей, где, очевидно, идет наиболее сильный обмен фосфора
      Повторяя подобные опыты с другими крысами, умерщвляя их через различное время, можно проследить изменение этого соотношения со временем. Фосфор постепенно уносится из организма с мочой и калом. Убывание его из мягких тканей идет быстро, а в костях он медленно- накопляется. Это изменение можно характеризовать следующей таблицей, построенной на основании одного из опытов.
      Значительная часть введенного под кожу крысы радиоактивного фосфора уже через полчаса оказывается в костях; далее процесс накопления фосфора в костях замедляется, но идет непрерывно. В мышцах содержание радиоактивного фосфора доходит до максимума через 20 дней, а затем начинает падать.
      Со временем в костях происходит биологическая перекристаллизация. Кровь приносит фосфор, который образует кристаллы фосфата кальция, а старые кристаллы растворяются и уносятся кровью, кости обновляются. 97,8% фосфора, введенного в кровь, как показывают меченые атомы, уже через два часа уходит из нее.
      Радиоактивный фосфор в теле крысы легко также обнаружить путем радиографии, если приложить ее разрез к фотографической пластинке и выдержать некоторое время. Излучение радиоактивного фосфора вызовет засвечивание фотографической пластинки. На рисунке 22 показан отпечаток радиоавтографа крысы, под кожу которой был введен радиоактивный фосфор.
      Стронций, попавший в организм крысы, так же как и фосфор, накапливается в костях.
      В организме происходит непрерывный обмен одних атомов на другие и не только ® костях, но и в любых других тканях тела животного.
      Можно ли было проследить за движением фосфора или других атомов в живых тканях без метода меченых атомов? Конечно нет.
     
      7. 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 счетчик к горлу человека, где находится щитовидная железа, то уже через несколько минут счетчик обнаруживает, что атомы радиоактивного иода проникли в щитовидную железу (рис. 23). Иод постепенно накапливается в щитовидной железе.
      Биологи и врачи широко используют меченые атомы для того, чтобы изучить, какими путями проникают различные вещества в организм и как в нем распределяются. С помощью меченых атомов удалось проследить и путь лекарственных веществ в организме.
      Накопление иода в щитовидной железе здоровых и больных людей происходит не одинаково, благодаря чему можно распознавать и лечить заболевание щитовидной железы с помощью радиоактивного иода.
      Метод меченых атомов оказался чрезвычайно плодотворным для изучения различных биологических процессов, и тысячи ученых в настоящее время применяют его.
     
      8. Астатин
     
      Знаете ли вы что-нибудь об астатине?
      Астатин — это химический элемент. Менделеев еще в 1869 году, предвидя существование этого элемента, оставил для него незаполненной 85-ю клетку в периодической системе, назвал этот элемент эка-иодом и предсказал, что по свойствахМ он будет похож на иод.
      Поиски этого элемента в природе не увенчались успехом.
      Однако в 1940 году группе ученых удалось получить его при бомбардировке металлического висмута альфа-частицами, полученными в циклотроне. При этом происходила ядерная реакция и получался новый элемент с зарядохм ядра 85 и атомным весом 211:...
      Это и был эка-иод. Его назвали астатином (At), что в переводе с греческого означает неустойчивый; полученный элемент радиоактивен. Исследование его химических свойств показало, что Менделеев был прав: астатин действительно очень похож по своим свойствам на иод.
      Ученые 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 счетчика показало, что через сутки 10% введенного астатина оказывается в щитовидной железе морской свинки. Поведение его в организме такое же, как иода, но астатин накапливается щитовидной железой в относительно меньших количествах.
     
      9. Роль железа
     
      Без элемента железа не могут обходиться живые существа. Железо входит в состав гемоглобина, а гемоглобин является основным веществом, составляющим красные кровяные тельца — эритроциты. Эритроциты переносят кислород от легких во все уголки сложного организма человека и животного. Перенос этот совершается с помощью атомов железа, которые в легких присоединяют кислород, а в тканях тела отдают его.
      Как проследить за движением и распределением железа в живом организме? Где накапливаются запасы железа? Меченые атомы помогают ответить на поставленные вопросы.
      Для проведения опытов используются радиоактивные изотопы железа, которые вводятся с пищей в желудок животного в виде солей железа. Затем с помощью счетчика 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 ферритина. Ферритин накапливается главным образом в печени и селезенке.
      Если организм здоровый, то кровь, мышцы и другие органы содержат определенное количество железа. В печени и селезенке содержится запас ферритина. Новые порции железа, введенного в желудок, почти целиком выбрасываются организмом. Но стоит взять из вены животного некоторое количество крови, как начинается интенсивное всасывание железа.
      Железо ферритина в костном мозгу превращается в гемоглобин, который включается в состав образующихся там же эритроцитов. У малокровных людей идет интенсивное усвоение железа.
      Интересен также следующий опыт. Если в вену животного или человека ввести определенный объем крови, эритроциты которой содержат в своем составе радиоактивное железо, то можно определить общий объем крови. Для этого через 24 часа после введения крови у подопытного животного берут кровь в количестве, равном введенному, и измеряют ее активность. Вследствие того, что кровь, содержащая радиоактивное железо, смешивается со всей массой крови, полученная активность так относится к введенной, как количество введенной крови к ее общему количеству.
     
      10. Природа метит атомы
     
      Из межпланетного пространства к земле идут лучи, получившие название космических. На своем 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 ведет к образованию радиоактивных элементов. В результате столкновения нейтронов с атомами азота получается радиоактивный углерод с массовым числом 14 и периодом полураспада, равным приблизительно 6000 лет (рис. 24). Этот процесс происходит в земной атмосфере в огромных масштабах.
      Космические лучи идут из мирового пространства с одинаковой интенсивностью и днем, 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 радиоактивный углерод, а из него — радиоактивный углекислый газ.
      Углекислый газ, находящийся в атмосфере, поглощается растениями и превращается в углеводы. Из растений углеводы, содержащие радиоактивный углерод, 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 в результате воздействия космических лучей, и скорость его радиоактивного распада. Поэтому и доля радиоактивного углерода в живых организмах совершенно определенна. В одном грамме углерода клетчатки, взятого из любого растения, содержится одно и то же количество атомов радиоактивного углерода, a именно, около 50 миллиардов атомов, вне зависимости от того, что это за растение и где оно произрастает.
      Из 50 миллиардов атомов радиоактивного углерода за две минуты распадается только 21 атом (распад сопровождается излучением бета-частиц). Такую небольшую активность обнаружить чрезвычайно трудно, но можно. Поэтому ученым пришлось применять специальные методы измерения радиоактивности природных веществ, содержащих радиоактивный углерод.
      В живых растениях на место распадающихся атомов радиоактивного углерода приходят новые из углекислого газа атмосферы. В животных организмах пополнение углерода идет за счет питания растениями.
      А если растение или животное погибнет? В этом случае на место распадающихся атомов радиоактивного углерода не будут поступать новые атомы из атмосферы. Число атомов радиоактивного углерода в умершем организме будет уменьшаться в соответствии с законом радиоактивного распада: через 6000 лет количество радиоактивного углерода убавится вдвое, через 12 000 лет — вчетверо, через 18 000 лет — в 8 раз и т. д. Поэтому содержание радиоактивного углерода в древних остатках животных и растений может служить своего рода часами, по которым можно определить время смерти животного или растения.
      Ученые воспользовались этими часами для определения возраста раскопанных древних поселений и археологических находок.
      Представим себе, что в раскопках древнего поселения найден кусок дерева. С помощью счетчика мы можем определить количество атомов радиоактивного углерода, приходящееся на один грамм чистого углерода в дереве, а затем рассчитать, когда это дерево было срублено, и таким образом узнать, к какому времени относится древнее поселение. Например, в образцах деревьев, свалившихся при каких-либо обстоятельствах 12 и 6 тысяч лет назад, на один грамм углерода приходится такое количество радиоактивного углерода, которое дает 105 и 210 распадов за 40 минут, а грамм углерода из образца свежесрезанного дерева дает 420 распадов за тот же промежуток времени. Таким путем был определен возраст целого ряда раскопок.
      Описанным методом, несомненно, можно определить возраст пород, заключающих в себе соединения углерода и имеющих 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 радиоактивного углерода остается лишь тысячная доля и обнаружить ее будет практически? невозможно.
     
      11. 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 трех 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 5. Дальнейший распад приводит к образованию устойчивого элемента свинца. Уран-235 (актиноуран) 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 лет назад было иным, так как скорости распада урана-235 и 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. Расчет показывает, что за один миллион лет из 1 грамма природной смеси изотопов урана образуется 0,000137 грамма свинца, а за 10 миллионов лет — 0,00136 грамма 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 решить и обратную задачу: определить количество урана и свинца в урановой руде и по соотношению этих количеств рассчитать время, прошедшее 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 путем. Но весь свинец выделить 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 прибавленного 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 растворенным 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 массой земной коры, то тем самым определяется возраст- земной коры. По таким подсчетам возраст земной коры равен приблизительно 4 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 1,1х10 в -7 ст. кубических сантиметров гелия. Гелий скапливается в урановой руде и может быть из нее извлечен. Определив количество гелия в руде, можно рассчитать время, прошедшее с момента образования урановой руды. Однако такой расчет менее точен, чем по свинцу, так как газообразный гелий частично теряется минералами.
     
      12. 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 трудоемкая работа. На помощь геологам могут прийти радиоактивные атомы.
      Если в буровую скважину опускать ионизационную камеру, соединенную с прибором, записывающим активность, то 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 дает измерение излучения, которое появляется при спускании в скважину нейтронного источника! из смеси радия и бериллия. Источник нейтронов подвешивается снизу ионизационной камеры и изолируется от нее. Ионизационная камера регистрирует нейтроны, отражающиеся от пород, в которых проходит скважина.
      Представьте себе, что движущийся биллиардный шар стукнулся о неподвижно стоящий крокетный. Что произойдет? Большой крокетный шар пошевелится, а биллиардный отскочит от него. А что произойдет в том случае, если биллиардный шар столкнется с другим биллиардным? В этом случае первый замедлится, а второй начнет двигаться. Аналогичная картина происходит и с нейтронами. Сталкиваясь с ядрами тяжелых 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 трех-пяти столкновений останавливаются в породе. Таким образом, если скважина проходит через породу, в которой содержится вода или нефть, то движение нити электрометра, присоединенного к ионизационной камере, замедляется.
     
      13. Атомы в растворах
     
      Всыплем в стакан с водой ложку поваренной соли и размешаем. Соль растворится в воде; ее частицы равномерно распределятся между молекулами воды, образуя однородную жидкость.
      Если мы прибавим к полученному раствору еще немного соли, то и она растворится. В 100 граммах воды при температуре 20° можно растворить 35,77 грамма поваренной соли. Но если к тако-му раствору прибавить еще соли, она уже не будет растворяться, как бы долго мы ее ни перемешивали. Раствор, который уже не может растворять новые порции вещества, называют насыщенным, а количество граммов вещества, которое содержится в 100 граммах насыщенного раствора, — растворимостью.
      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? Представим себе, что к насыщенному раствору обычной столовой соли прибавлены кристаллы соли, содержащей в своем составе радиоактивный натрий. Через несколько минут мы обнаружим, что в растворе появились радиоактивные атомы натрия, которые можно легко обнаружить, отделив раствор и вставив в него счетчик. 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, на их место сейчас же становятся молекулы из раствора. Значит, в насыщенном растворе все время идет 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. Здесь снова на помощь 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 счетчика, какое количество радиоактивных атомов кальция содержится в одном миллиграмме мела. Затем приготовим обычным путем насыщенный раствор, выпарим определенное количество его и найдем с помощью счетчика активность остатка после выпаривания, а из нее количество атомов кальция. Дальше вычислим, сколько радиоактивного кальция, всего кальция и, наконец, мела содержится в 100 граммах раствора.
      Так была определена растворимость многих веществ, которые считаются практически нерастворимыми. Еще в 1917 году Вл. И. Спицын методом меченых атомов определил растворимость ряда соединений тория.
     
      14. Устойчивы ли молекулы
     
      На столе лежит белый порошок. Это бариевая соль угольной кислоты — углекислый барий (ВаСО3). В его состав введен радиоактивный углерод.
      Измерим величину его радиоактивности с помощью счетчика и оставим углекислый барий на столе. Мы заметим, что активность соли будет постепенно уменьшаться. Но уменьшение происходит не за счет распада радиоактивного углерода, так как период его полураспада велик.
      Что же происходит с углекислым барием?
      Находящийся в воздухе углекислый газ (СО2) переходит в молекулы соли, а радиоактивный углерод постепенно уходит в воздух:...
      Молекулы углекислого бария, оказывается, неустойчивы; они все время обновляются, так же как обновляется кристалл в насыщенном растворе.
      Рассмотрим еще один пример. Йодистый этил (C2H5J) — это жидкость, кипящая при 72°. Йодистый этил можно испарить, а затем снова перевести в жидкость; молекулы его при этом не изменятся. Растворим йодистый этил, содержащий в своем составе радиоактивный иод, в спирте и добавим к нему иодистый натрий (NaJ). Покипятив некоторое время смесь и поместив ее в фарфоровую чашку, выпарим иодистый этил и спирт. В чашке останется только иодистый натрий. Соберем оставшийся иодистый натрий и с помощью счетчика измерим его активность. При этом мы обнаружим, что соль стала радиоактивной. Это значит, что радиоактивный иод из йодистого этила перешел в иодистый натрий. Произошла реакция обмена:…
      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 местами с атомами серы в других соединениях; углерод органических молекул также не обменивается 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.
     
      15. 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 передается?
      Душистое вещество испаряется, его молекулы смешиваются с непрерывно движущимися молекулами воздуха, рассеиваются в нем и постепенно проникают ВО все уголки помещения.
      Процесс распространения одного вещества по объему, 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 счетчика легко определяется скорость движения газа.
      Используя газы, в молекулах 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.
      Методом меченых атомов исследуются и процессы диффузии в жидкостях.
     
      16. Как ведут себя атомы в твердых телах
     
      Атомы в твердых телах также находятся в непрерывном движении. Принято считать, что они прочно связаны со своими соседями и совершают только колебательное движение около определенных точек. Но это не совсем верно. Одними колебаниями движение атомов в твердом теле не ограничивается.
      Если привести в соприкосновение гладкие поверхности двух кусков какого-либо металла, например золота, и нагреть 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 ученые бомбардировали один из кусков золота нейтронами. При такой бомбардировке идет процесс образования радиоактивных атомов золота:...
      Золото-198 радиоактивно, оно распадается, испуская электроны. Период полураспада золота-198 равен 56 часам.
      Атомы радиоактивного золота постепенно проникают ив 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 счетчиком.
      Следовательно, атомы в металлах также способны к диффузии или, как принято называть этот процесс, к са-модиффузии. Но диффузия в твердых телах происходит гораздо медленнее, чем в жидкостях и газах. Для изучения самодиффузии золота советский ученый Загрубский впервые в мире применил искусственные радиоактивные элементы.
     
      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 твердым. Атомы железа и углерода в стали располагаются в определенном порядке.
      Если приготовить закаленную сталь, содержащую радиоактивный углерод, и гладкую поверхность куска стали приложить к фотопластинке, завернутой в черную бумагу, то на пластинке получится изображение куска. Излучение радиоактивного углерода засвечивает фотопластинку, и поэтому места вкрапления радиоактивного углерода будут отмечены более темными пятнами.
      Теперь отпустим сталь, то есть нагреем ее, а затем медленно охладим. От этого она станет более мягкой.
      Повторим радиографирование. Новый снимок покажет уже иное расположение атомов радиоактивного углерода в куске.
      Атомы углерода перемещаются в куске стали с течением времени. Сталь, как говорят, стареет, ее 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 отшлифованную 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 металлу 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 засвечивается в тех местах, где расположен торий В.
      Точно так же можно исследовать строение самых разнообразных сплавов, выявив расположение и величину отдельных кристаллов при радиографировании. На рисунке 25 дан радиоавтограф стали, содержащей большое количество радиоактивного фосфора (белые пятна).
      Рис. 25. Радиоавтограф стали, богатой фосфором (позитив увеличен в 60 раз). Фосфор радиоактивен.
     
      18. Качество стали
     
      Для изготовления качественной стали, то есть стали, обладающей какими-либо особенно ценными свойствами, например, нержавеющей или подшипниковой, при плавке добавляют те или иные металлы. Процесс плавки стали связан с выгоранием и отшлаковыванием вредных примесей, таких, как сера и фосфор.
      Все эти процессы легко контролировать с помощью меченых атомов. Степень и скорость удаления серы и фосфора из стали, например, можно определить путем введения в плавку определенного количества радиоактивного фосфора и серы. Используя радиоактивный кальций, можно также найти степень загрязнения стали шлаком и материалами футеровки печи. Количество радиоактивного кальция в выплавленном металле показывает степень загрязнения металла шлаком и материалами печи. Так, 1270 примесей, имеющихся в подшипниковых сплавах, попадает в них из шлака и до 20% из футеровки печи,
      Методом меченых атомов можно решать и многие другие вопросы металлургии и металловедения, например распределение лигирующих металлов в сплавах, изменение структуры сплавов при термической и механической обработке и т. п.
     
      19. Атомы-контролеры
     
      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 разделить эти три металла друг от друга очень сложно.
      Для проверки одного из способов разделения металлов приготовляли смесь, содержащую заранее известные количества золота, платины и иридия, а затем производили их разделение. 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, — показывают меченые атомы. Если к смеси трех металлов прибавить атомы радиоактивного золота, а затем их разделить, то в иридии и платине оказывается радиоактивное золото. Это легко определить счетчиком.
      С помощью меченых атомов химики проверили многие способы химического анализа и методы промышленного разделения веществ. Важные исследования в этой области проведены академиком В. Г. Хлопиным и его сотрудниками.
     
      20. Активационный анализ
     
      Перед вами несколько брусков стали, среди которых имеются образцы марганцевой 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 всё атомы одинаково легко вступают в подобную реакцию. Атомы марганца, например, вступают в эту реакцию гораздо легче, чем атомы железа.
      Хотя железа в стали больше, чем марганца, нейтроны будут взаимодействовать главным образом с атомами марганца.
      Ядро атома марганца захватывает нейтрон и превращается в радиоактивное облучения тем больше, чем 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. Период полураспада радиоактивного марганца равен 2,6 часа.
      Обнаружить радиоактивный марганец легко: нужно поднести к облученной нейтронами поверхности бруска счетчик. Количество электронов, попадающих в счетчик, будет тем больше, чем больше образовалось в стали радиоактивного марганца, а радиоактивного марганца образуется при одинаковых условиях 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. Прием 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).
      Так, сталь, содержащая мышьяк, при облучении нейтронами активируется, мышьяк становится радиоактивным. Радиоавтограф такой стали показан на рисунке 26.
      Активационный анализ применяется тогда, когда нужно определить малые количества примесей в чистых металлах или быстро установить состав сложной смеси.
     
      21. 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 колес вагонов, в подшипники. /Многие из вас видели дым, идущий от горящих подшипников. Это бывает при плохой смазке: трение возрастает, металл сильно нагревается 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 дает 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 специального счетчика или радиографии. В последнем случае после проведения опыта по трению на платформу накладывают фотопластинку и, выдержав определенное время, проявляют ее. 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 важный 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 они не могут быть обнаружены никакими 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, облученное нейтронами, в котором образовалось радиоактивное железо. Двигатель пускают в ход. При этом частички металла, отрывающиеся от кольца, попадают в масло, которым смазывается машина. Масло приходит в соприкосновение со счетчиком, с помощью которого легко определить количество радиоактивного железа, по последнему судят об износе поршневых колец (см. рис. 27). Здесь же можно установить, как влияет качество топлива на износ поршневых колец. Если топливо содержит в своем составе большое количество серы, то износ деталей резко увеличивается.
      Путем облучения режущих инструментов нейтронами можно получить в них ряд радиоактивных изотопов. Употребление таких режущих инструментов позволяет определить их износ по радиоактивности стружек, на которые радиоактивные элементы попадают в результате износа во время работы. Точность такого метода испытания в несколько раз выше стандартной, а время испытания в 25 раз меньше.
      Описанный способ прост, быстр и, безусловно, имеет большие перспективы при испытании материалов и машин.
     
      22. О шелковых нитях
     
      Всем знаком искусственный шелк. Многие знают, как его делают, но мало кто знает, что качество шелка во многом зависит от тончайшего покрытия, которое наносится на нить при ее получении; 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 счетчика Гейгера-Мюллера. Если слой олеата натрия слишком тонок, радиоактивность будет меньше контрольной величины; если же слой толстый, то и радиоактивность будет больше. Все это регистрирует счетчик. Он соединен с особым автоматическим устройством, которое тотчас же изменяет в нужную сторону толщину наносимого слоя.
     
      23. Испарение твердых веществ
     
      Обоняние является тонким инструментом, с помощью которого обнаруживается присутствие в воздухе крайне малых количеств пахучих веществ. Но обонянием невозможно определить количество вещества. Если же вещество не обладает запахом, то трудно обнаружить и его присутствие.
      Запахом обладают не только газы, но и жидкости и твердые 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 твердые тела способны испаряться.
      Испарение твердых тел идет весьма медленно, и в воздух попадает ничтожное количество молекул твердого вещества. Способность твердых тел к испарению оценивается по давлению образуемых ими паров.
      Для измерения давления воздуха пользуются барометрами, для определения давления газа в закрытых сосудах — манометрами. С помощью этих приборов давление пара твердых тел измерять нельзя — оно очень мало. Как же можно определить малые давления пара?
      На помощь приходят радиоактивные атомы.
      Обычно малые давления паров измеряют методом испарения в вакуум или по истечению пара сквозь маленькое отверстие. В первом случае количество вещества, испаряющегося в секунду, тем больше, чем больше поверхность, с которой оно идет. Во втором случае оно зависит от величины отверстия сосуда, в котором помещено твердое вещество. В обоих случаях количество испарившегося вещества прямо пропорционально температуре, при которой выдерживается твердое вещество, и времени испарения. Определив вес испарившегося вещества за некоторый промежуток времени с одного квадратного сантиметра поверхности или через отверстие известной площади, можно рассчитать давление паров. Масса испарившегося вещества так мала, что непосредственно его взвесить невозможно.
      Однако -можно собрать все испарившееся вещество на поверхность, охлаждаемую жидким воздухом.
      На рисунке 28 приведены упрощенные схемы приборов для определения давления пapa твердых веществ. Пары конденсируются на поверхности сосудов, охлажденных жидким воздухом. Пары твердого вещества на этой поверхности будут осаждаться так же, как осаждаются пары воды на холодной ложке, поднесенной к горячему чаю. Если твердое вещество содержало радиоактивные атомы, то при помощи счетчика можно обнаружить их присутствие на охлаждаемой поверхности. По числу отсчетов счетчика в минуту можно рассчитать число радиоактивных атомов и при его помощи вес испарившегося вещества на охлаждаемой поверхности, так как заранее известна доля радиоактивных атомов в данном веществе.
      Если, например, известно, что 1 миллиграмм исходного вещества дает на счетчике 100 тысяч отсчетов в минуту, а при измерении излучения от испарившегося металла получается 100 отсчетов, то на последней содержится 0,001 миллиграмма вещества. Таким путем удалось измерить давление паров многих твердых веществ.
     
      24. Катализаторы
     
      Каждому знакома серная кислота, но, может быть, не все помнят, что ее получают соединением сернистого газа с кислородом воздуха, с последующим растворением полученного таким образом серного ангидрида в воде. Но сернистый газ очень медленно соединяется с кислородом в обычных условиях. Этот процесс очень сильно ускоряется присутствием платины. Платина необходима в процессе образования кислоты, но она остается химически неизмененной. Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами остаются химически неизмененными, называются катализаторами.
      Процессов, происходящих с участием катализаторов, известно чрезвычайно много. Большая часть химической промышленности работает, используя катализаторы. Реакции получения аммиака, азотной кислоты и многих других веществ идут в присутствии катализаторов.
      При помощи меченых атомов в ряде случаев удается установить, принимает ли участие катализатор в процессе перехода атомов от одной молекулы к другой.
      При взаимодействии окиси углерода с водородом в присутствии железа в качестве катализатора образуется метан и другие углеводороды. Ученые считали, что окись углерода с железом образует карбид, то есть соединение железа с углеродом, а карбид железа взаимодействует с водородом, образуя углеводороды. Эта точка зрения до последнего времени излагалась в учебниках.
      При помощи меченых атомов удалось доказать, что эти взгляды неправильны. К катализатору подмешивали карбид железа, содержащий радиоактивный углерод. После этого над катализатором пропускали смесь водорода и окиси углерода с нерадиоактивным углеродом.
      Получающийся метан вводился в счетчик, и измерялась его активность. Оказалось, что радиоактивный углерод остается в катализаторе, а углеводороды получаются нерадиоактивными. Следовательно, атомы карбида железа не участвуют в переносе углерода от окиси углерода к углеводородам. Процесс в этом случае идет на поверхности катализатора, так же как он идет при образовании серной кислоты на платине.
     
      25. Хроматография
     
      Разделение многих смесей веществ в настоящее время производится с помощью адсорбционной колонки. Адсорбционная колонка представляет собою трубу, заполненную веществом, способным поглощать (адсорбировать) из раствора различные химические соединения. При фильтровании через такую колонку все растворенное вещество поглощается в ее верхней части. Затем колонка промывается растворителем, при этом адсорбированные вещества перемещаются вдоль колонки сверху вниз с различной скоростью. По мере перемещения вдоль колонки происходит равделение смеси на отдельные вещества. Из колонки последовательно вытекают растворы чистых веществ. Этот метод разделения был разработан в 1903 году русским ученым Цветом на примере растительных пигментов и был назван хроматографическим. В качестве наполнителя колонки Цвет употребил белую окись алюминия, а за ходом разделения следил глазами, так как разделяемые им вещества образовывали окрашенные кольца. Колонка Цвета была сделана из стекла. Проконтролировать степень разделения неокрашенных веществ, особенно установить контроль разделения в самой колонке, трудно без меченых атомов. Если в состав разделяемой смеси добавить вещества, содержащие радиоактивные элементы, то за их разделением можно легко проследить по излучению, передвигая счетчик вдоль колонки или контролируя радиоактивность вытекающей жидкости. Таким путем ученые установили условия разделения близких по своим свойствам так называемых редкоземельных элементов.
     
     
      IV. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ
     
      1. Материя и энергия
     
      Как известно, ядра всех атомов, за исключением легкого водорода, состоят из нейтронов и протонов. Нейтроны и протоны в ядре прочно связаны друг с другом, поэтому разрушить ядро очень трудно. Тем не менее удается осуществить ядерные реакции, то есть такие реакции, при которых ядра атомов одних химических элементов превращаются в ядра атомов других химических элементов. Ядерные реакции в природе осуществляются под действием космических лучей или в лаборатории с помощью протонов, нейтронов, дейтронов и альфа-частиц. В последнем случае необходимо, чтобы перечисленные выше частицы имели очень высокую энергию.
      Чтобы расщепить ядро атома на протоны и нейтроны, необходимо затратить большую энергию. Наоборот, в случае соединения протонов и нейтронов с образованием ядра атома будет происходить выделение энергии. Закон сохранения энергии говорит, что энергия не может исчезнуть и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую. Согласно этому закону энергия, которую необходимо затратить на то, чтобы разложить-ядро атома ни протоны и нейтроны, равна энергии, выделяющейся при образовании этого ядра из протонов и нейтронов. Такая энергия называется полной энергией связи ядра атома. Если ее разделить на число протонов и нейтронов в ядре, то получится средняя энергия связи нуклона (протона или нейтрона) в ядре.
      Для того чтобы подсчитать энергию связи ядра, можно воспользоваться уравнением, определяющим взаимосвязь массы и» энергии:
      е = mс2
      энергия = масса X скорость света X скорость света.
      Гению великого русского ученого М. В. Ломоносова принадлежит открытие одного из основных законов природы — закона сохранения веса веществ. По определению Ломоносова вес веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу веществ, получающихся в результате реакции. Однако в такой формулировке указанный закон не является полным. В процессах, происходящих с веществом, масса может изменяться, но при этом изменяется и запас энергии вещества.
      Если мы нагреем тело или, толкнув, заставим его двигаться, то, придавая телу энергию, мы увеличим его массу. Наоборот, если тело передает энергию другому телу, то оно само потеряет некоторую массу и эту массу приобретет другое тело. С помощью уравнения взаимосвязи можно подсчитать величину изменения массы вещества при изменении его энергии и, наоборот, величину передаваемой телом внешней среды энергии при изменении массы вещества. Так, если 1 тонну воды нагреть от 0° до 100°, то масса воды вырастет на величину, эквивалентную 100 миллионам калорий, то есть на 0,004 мг. Изменение массы так мало, что определить его на опыте невозможно.
      Изменение массы при ядерных реакциях сравнительно велико, поэтому оно может быть определено на опыте. Так, при бомбардировке лития протонами происходит превращение его в гелий по уравнению:...
      Сумма масс ядра атома лития и протона составляет 8,02634, а масса двух ядер атомов гелия — 8,0078 атомных единиц массы; следовательно, масса продуктов реакции на 0,01854 атомных единиц массы или 3,07х10-26 грамма массы меньше массы исходных ядер атомов лития и водорода. Такая масса эквивалентна 27 миллионным долям эрга. Этой энергией должны обладать ядра атомов гелия. Измерения показывают, что энергия каждого ядра гелия равна 13,6 миллионным долям эрга, a обоих ядер приблизительно 27 миллионным долям эрга, то есть равна энергии, вычисленной по уравнению взаимосвязи массы и энергии.
      Смысл современного материалистического понимания закона сохранения материи состоит в том, что материя не может бесследно исчезнуть или возникнуть из ничего. Материя вечна. В различного рода процессах она меняет свою форму — из одного вещества получается другое вещество. Изменение массы вещества связано с изменением запаса его энергии.
      Попытки буржуазных ученых использовать взаимосвязь массы и энергии для опровержения основ диалектического материализма! — вечности материи — не состоятельны. Они лишь извращают смысл взаимосвязи массы и энергии. Энергия не мыслима без материи и материя без энергии.
      Мы видели, что при образовании из ядра атома лития и протона двух ядер атомов гелия выделяется ядерная энергия, равная приблизительно 27 миллионным долям эрга.
      Эта кинетическая энергия ядер атомов гелия при их торможении превращается в тепло. Так как 1 грамм лития содержит приблизительно 1023 атомов лития, то при его превращении в гелий под действием протонов выделяется 27х1017 эргов, или 64 миллиарда калорий тепла.
      Однако, чтобы произошло образование из атома лития и протона двух атомов гелия, необходимо выстрелить в литий 10 миллионами протонов с энергией протона, равной 6 десятимиллионным долям эрга. Только один из 10 миллионов протонов попадет в цель — ядро атома лития — и вызовет ядерную реакцию, то есть придется затратить энергию, в 220 тысяч раз большую, чем та, которая выделяется при реакции. Аналогичные явления происходят и при других ядерных реакциях.
     
      2. Энергия связи
     
      Представим себе, что происходит образование ядра атома! гелия из двух протонов и двух нейтронов. Физики с большой точностью измерили массу протона и нейтрона: первая равна 1,0076, а вторая — 1,0089 атомных единиц массы. Масса ядра атома гелия, определенная как сумма масс двух протонов и двух нейтронов, должна быть равна 4,0330 атомных единиц массы. Однако на самом деле она равна 4,0023 атомных единиц массы, то есть ядро атома гелия на 0,0302 атомных единиц массы легче массы двух протонов и двух нейтронов, составляющих это ядро. Отсюда следует, что при образовании атома гелия из протонов и нейтронов произошло изменение массы и выделилась энергия. Для того чтобы атом гелия вновь превратить в два протона и два нейтрона, необходимо затратить энергию, которая эквивалентна 0,0302 атомным единицам массы. Величину этой энергии — энергии связи, можно найти, воспользовавшись уравнением взаимосвязи массы и энергии. Она равна 4,5 стотысячным долям эрга. Легко подсчитать, что при образовании грамма гелия из протонов и нейтронов выделится энергия, эквивалентная 1,62 1011 калориям тепла или 190 000 киловатт-часов электроэнергии.
      Подобная картина получается и при сравнении масс ядер атомов других элементов с суммой масс входящих в их состав протонов и нейтронов. Эта разность позволяет легко рассчитать энергию связи ядра
      В качестве единицы энергии в атомной физике принят электрон-вольт (эв) — кинетическая энергия, приобретенная электроном при прохождении им электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Используются также более крупные единицы: 1 килоэлектрон-вольт (Кэв), равный 1000 эв, и 1 мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный 1 000 000 эв. В лабораторных условиях большая энергия заряженных частиц, необходимая для осуществления ядериых реакций, может быть получена в специальных установках, называемых ускорителями.
      Оказывается, что полная энергия связи ядра тем больше, чем больше нуклонов в ядре. Энергия же связи, приходящаяся на один нуклон, изменится неравномерно, что видно из приводимой таблицы. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше всего у элементов, расположенных в середине периодической системы элементов Менделеева, таких, например, как криптон. У более тяжелых элементов она становится меньше. Она велика у гелия и мала у лития и дейтерия.
      В то же время различна и масса, приходящаяся на 1 нуклон в ядрах различных атомов. Она больше всего у дейтерия, велика у лития, значительна у урана и других тяжелых элементов. Меньше всего значение массы, приходящейся на 1 нуклон, у элементов середины периодической системы элементов Менделеева! (атомные веса от 40 до 100).
      Фактически взяты массы атомов водорода так, чтобы цифры были сравнимы с предыдущей графой, в которой приняты во внимание не только массы ядер атомов, но и электроны.
      Если будет происходить процесс перехода ядер атомов элементов с большей массой, приходящейся на 1 нуклон, в ядра с меньшей массой на один нуклон, то в силу взаимосвязи массы и энергии будет происходить выделение атомной энергии. Эта энергия представляет собой разницу в энергиях связи конечных и исходных ядер, участвующих в ядерной реакции.
     
      3. Как получить атомную энергию
     
      Для получения атомной энергии можно идти двумя путями: во-первых, превращением легких элементов с большей массой, приходящейся на один нуклон, в элементы с меньшей массой, приходящейся на один нуклон, путем их соединения. Примерами таких процессов являются превращение водорода или дейтерия в гелий, соединение ядер лития и протонов с переходом их в ядра гелия и т. п. Второй путь заключается в превращении ядер тяжелых элементов, например, урана в осколки с средней массой, например, в ядра таких элементов, как криптон и лантан. Ядро атома урана обладает большей массой на один нуклон, чем ядра атомов элементов средины периодической системы, в частности такие, как криптон и барий.
      В этом заключается принципиальная возможность получения атомной энергии. Такого рода процессы были открыты физиками в тридцатых годах двадцатого века. Один из них — превращение лития под действием протонов в гелий — мы уже описывали. В 1938 году был открыт другой — деление ядер атомов урана под действием нейтронов на два осколка с близкими массами. Сумма масс осколков была приблизительно равна массе делящегося ядра атома урана.
      Однако для получения атомной энергии необходимо, чтобы процесс синтеза или распада ядер протекал самопроизвольно, так же как он происходит при горении каменного угля. В угле, подожженном в одном месте, горение распространяется самопроизвольно, переходя от атома к атому. Кроме условия самопроизвольного распространения ядерных процессов, идущих с выделением энергии, необходимо знать условия возникновения ядерных превращений. Эти условия в результате упорной работы ученых были найдены. В настоящее время процессы синтеза ядер и их распада используются для получения атомной энергии.
     
      4. Синтез гелия в природе
     
      В состав звезд и Солнца входит большое количество водорода и гелия. Подсчеты показывают, что Солнце давно потеряло бы свой жар, если бы в нем не существовали процессы, поддерживающие его температуру. Эти процессы могут быть только реакциями синтеза и распада элементов.
      Ученые предполагают, что одним из процессов, происходящих на Солнце и звездах, является реакция образования гелия из водорода. Водород, гелий, углерод и азот являются основными элементами, входящими в состав Солнца. Около 50% его состава приходится на водород.
      Реакция образования гелия из водорода на Солнце может протекать по следующей схеме. Атом углерода соединяется с протоном и превращается в атом радиоактивного азота:...
      В итоге атом углерода-12 остается без изменений, а из четырех атомов водорода образуется атом гелия и два положительных электрона (позитрона).
      Все остальные атомы в результате последовательно идущих реакций исчезают, а энергия, эквивалентная разности масс четырех атомов водорода! и атома гелия, выделяется. Этот процесс на звездах развивается самопроизвольно, так как для его прохождения необходимо наличие атомов водорода и углерода, температура порядка нескольких миллионов градусов и большое давление. Все эти условия имеются на Солнце и других звездах.
      Мы привели только один пример ядерного синтеза, при котором выделяется энергия. Очевидно, в природе осуществляется при высоких температурах на звездах ряд подобных процессов, о которых мы можем догадываться и которые можем попытаться осуществить на Земле.
     
      5. 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:...
      Подобные реакции происходят и с другими элементами.
      Можно было предположить, что если взять самый тяжелый природный элемент — уран, то из него при действии нейтронов также может образоваться радиоактивный изотоп урана, который, испуская электрон, превратится в следующий за ураном, не найденный в природе, элемент с зарядом ядра, равным 93. Этот элемент займет 93-ю клетку периодической системы.
      Уже первые исследования показали, что из урана получается несколько радиоактивных элементов.
      Вначале ученые предполагали, что все они были более тяжелыми, 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 нейтронами, были найдены: иод, ксенон, криптон, бром и т. д.
      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 при облучении его нейтронами?
      Ядра атомов урана под действием нейтронов делятся на два крупных осколка, представляющих собой ядра с зарядом 56 (барий) и 36 (криптон) или 57 (лантан) и 35 (бром), то есть на ядра элементов середины периодической Системы элементов. Сумма зарядов ядер каждой пары равна заряду урана-92.
      Из предыдущего ясно, что в результате такого деления высвобождается огромная энергия, в миллионы раз превосходящая энергию горения самого лучшего топлива. Если все ядра атома, находящиеся в одном грамме урана, претерпят деление, то выделится энергия, равная 8 миллиардам килограммометров, или 20 миллиардам калорий. С помощью этой энергии можно 8000 тонн груза поднять на высоту 1000 метров или 200 тонн воды нагреть до 100°. Эта энергия достаточна для того, чтобы 15 000 электролампочек по 60 ватт горели в течение суток.
      Ядро атома урана содержит больше нейтронов, чем ядра двух образовавшихся из него осколков. Избыток нейтронов выделяется в свободном состоянии. Установлено опытным путем, что каждое деление ядра атома урана сопровождается выделением двух-трех нейтронов. Естественно предположить, что эти нейтроны будут взаимодействовать с новыми ядрами атома урана и вызывать их деление. На рисунке 29 показана схема деления урана-235. В свою очередь при каждом новом делении образуется по два-три новых нейтрона, которые также могут вызвать деление последующих ядер атомов урана.
      Число нейтронов, а следовательно, и число актов деления, в этом случае будет возрастать, как лавина, охватывая все новые и новые атомы урана. Таким образом может идти так называемый цепной процесс. Однако для того, чтобы этот процесс осуществлялся на практике, необходимо, чтобы выделяющиеся при делении нейтроны вызывали новые деления, а не терялись на какие-либо посторонние процессы. Такими посторонними процессами являются: уход нейтронов из урана вовне, взаимодействие U238 с нейтроном с образованием U239, взаимодействие нейтронов с примесями, находящимися в уране.
      Если устранить по возможности посторонние процессы, то раз начавшееся деление урана будет происходить самопроизвольно, при этом будет выделяться большое количество энергии. Эти вопросы были разрешены, и практическое получение атомной энергии, выделяющейся при делении, стало реальной действительностью.
     
      6. Ядерный реактор
     
      Ученым удалось сконструировать ряд установок для получения атомной энергии, выделяющейся при делении ядер урана и подобных ему элементов. Эти установки получили название ядерных реакторов (котлов). Первый ядерный реактор был пущен в ход уже через 4 года после открытия процесса деления ядер урана, то есть в 1942 году.
      В настоящее время описан и действует ряд ядерных реакторов. Одним из наиболее распространенных и практически важных является реактор, работающий на природном уране. В состав природного урана входит три изотопа:
      U238 (99,28%), U235 (0,714%) и U234 (0,006%)
      Изучение процесса деления урана показало, что делению подвергаются главным образом ядра U235. Его деление происходит легче под действием медленных нейтронов. Ядра U238 делятся только под действием быстрых нейтронов, и деление происходит сравнительно редко. Вероятность процесса деления ядер U238 под действием нейтронов меньше, чем ядер U235 приблизительно в 1000 раз. U234 в смеси находится в таком небольшом количестве, что им можно пренебречь, он не влияет на процесс деления.
      Деление чистого урана в его куске начинается самопроизвольно, под действием внутренней неустойчивости его ядра или под действием случайных нейтронов, образованных космическими лучами. Нейтроны, выделившиеся при первом делении, легко могут вылететь за пределы урана или поглотиться в каком-либо постороннем акте. Процесс деления в этом случае не будет развиваться, он прекратится; поэтому необходимо, чтобы масса урана была велика — больше определенной величины (критической), когда практически большая часть нейтронов успевает вступить во взаимодействие с ураном. В куске урана с массой меньше критической процесс деления не будет развиваться, ибо нейтроны, выделяющиеся при делении, будут уходить за пределы этого куска и процесс затухнет. В куске урана с массой больше критической раз начавшийся процесс деления вследствие действия выделяющихся нейтронов на новые атомы урана будет развиваться со все возрастающей скоростью.
      Для того, чтобы лучше (с большим выходом) происходила реакция деления ядер U235, нейтроны необходимо замедлить. Это достигается путем размещения урана в замедлителе нейтронов — графите или тяжелой воде. Нейтроны при столкновении с атомами углерода или водорода теряют свою энергию — замедляются (см. рис. 30), не вступая в реакции с атомами углерода. Но замедление необходимо проводить так, чтобы нейтроны теряли энергию от большой к маленькой, не соприкасаясь с ураном, иначе главным образом будет происходить не деление, а образование U239. Это достигается построением решетки из урана и замедлителя (например, графита).
      Нейтроны, попавшие в графитовую прослойку, претерпевают в ней несколько десятков столкновений с атомами углерода и теряют свою энергию. После этого нейтроны, выходя из графита, попадают в уран и вызывают новые акты деления. Однако уран должен быть достаточно чистым, иначе примеси могут поглотить такое количество нейтронов, что развитие процесса деления — цепная реакция — не будет происходить.
      Одна из конструкций ядерного реактора представляет собою графитовый цилиндр или цилиндрический сосуд с тяжелой водой, в котором равномерно в виде решетки вставлены соответствующим образом расположенные урановые стержни. Размер такого цилиндра составляет несколько кубических метров. В цилиндре заключено несколько десятков тонн чистого урана. Деление каждого ядра атома урана происходит с выделением 200 миллионов электрон-вольт энергии. Эта энергия внутри ядерного реактора в результате торможения осколков деления превращается в тепло. Клинтонский ядерный реактор, сконструированный в США в 1944 году, имел такое количество урана, в котором каждую секунду происходило 6- 1016 делений атомов, то есть 23,5 миллионных долей грамма урана, при этом выделялось 11,2- 1018 миллионов электрон-вольт, или 1800 киловатт энергии. Если бы эту энергию не отводили- от ядерного реактора, то его могло бы разорвать. Для охлаждения сквозь реактор пропускают (непосредственно через уран) по трубам воду или какую-либо другую охлаждающую жидкость. Вода нагревается до высокой температуры и может быть пущена в теплообменник для получения пара, которым нетрудно привести в действие паровые машины или турбины. Однако американские ядерные реакторы практически это тепло не используют, так как их целью служит производство плутония — материала для атомного оружия. Кроме того, это невыгодно американским монополиям, владеющим источниками других видов энергии.
      Одновременно с выделением тепла в ядерном реакторе все возрастает количество нейтронов, а, следовательно, и число делений в секунду. Поэтому ядерный реактор может взорваться, если часть выделяющихся нейтронов не поглотить посторонними веществами. В качестве такого поглотителя нейтронов — регулятора скорости реакции — служат стержни из сплава кадмия или из бористой стали. Кадмий и бор легко вступают во взаимодействие с нейтронами. Если стержни вдвинуты внутрь реактора, то реакция прекращается, так как весь избыток нейтронов, получающихся при делении, поглощается кадмием. Если стержни начать выдвигать, то реакция постепенно ускоряется. Можно подобрать такое положение стержней, при котором ядерный реактор безопасно работает, и поддерживать это положение автоматически с помощью прибора, который вдвигает стержни внутрь реактора, как только скорость выделения нейтронов или температура урана превышает определенную норму. Здесь мы имеем дело с регулируемым процессом освобождения атомной энергии.
      В результате деления в ядерном реакторе образуется большое количество радиоактивных изотопов, выделяется много нейтронов. Чтобы сделать пребывание людей у ядерного реактора безопасным, его окружают защитной стенкой из бетона толщиной в несколько метров. Эта стенка поглощает нейтроны и излучение радиоактивных элементов.
      В ядерном реакторе в результате деления накапливаются продукты деления — радиоактивные изотопы, которые могут быть использованы в науке, технике и военном деле. Кроме того, в ядерном реакторе из урана-238 образуется под действием нейтронов плутоний.
      Продукты деления мешают протеканию дальнейшей реакции в ядерном реакторе. Они поглощают нейтроны и прекращают процесс деления — ядерный реактор зашлаковывается, поэтому урановые стержни приходится заменять новыми.
      Рис. 31. Схематичное изображение ядерного реактора.
      Урановый стержень, в котором накопились продукты деления и плутоний, вынимают из ядерного реактора и подвергают растворению в кислоте. Из раствора отделяют продукты деления и плутоний, тем самым добывая делящийся материал — плутоний — и очищая уран от осколков деления. Процесс отделения сложен и дорог, так как в большом количестве урана содержится ничтожное количество плутония. Это отделение проводится на полностью автоматизированном заводе, так как этот процесс опасен для здоровья людей. Чтобы получить в день 1 килограмм плутония, необходимо построить большой ядерный реактор, который выделяет огромное количество энергии. Такой реактор содержит много тонн урана. В ядерном реакторе в 1000 ватт 1 килограмм плутония может быть получен только в течение 3000 лет. Плутоний и радиоактивные изотопы, получающиеся в результате работы ядерного реактора, являются ценными продуктами. Плутоний может служить вместо урана-235 ядерным горючим, так как он подобно урану-235 делится под действием нейтронов с выделением нескольких нейтронов и большого количества энергии. На рисунках 31 и 32 приведены общий вид и схема одного из ядерных реакторов.
      Подобно плутонию и урану-235 ведет себя искусственно получаемый из тория уран-233.
     
      7. Ядерный реактор на быстрых нейтронах
     
      Мы знаем, что деление ядер урана происходит не только под действием медленных, но и под действием
      быстрых нейтронов. Но чтобы быстрый нейтрон вызвал деление ядра урана, необходимо, чтобы он проделал го-раздо больший путь среди ядер атомов, урана, чем медленный нейтрон. Следовательно, можно было бы построить ядерный реактор без замедления нейтронов, но пришлось бы его сделать так, чтобы быстрый нейтрон на своем пути встретил гораздо большее число ядер атомов урана-235, чем в обычной естественной смеси урана. Этого можно достигнуть, применяя не природную смесь изотопов урана, а обогащенный уран (уран с добавкой урана-235) или чистый уран-235.
      Реакторы, работающие на обогащенном уране и быстрых нейтронах, могут быть созданы небольших размеров. Такой реактор содержит лишь несколько килограммов обогащенного урана. Охлаждение реактора может осуществляться в этом случае металлом — натрием в жидком состоянии. Температура плавления натрия равна 98°. Температура охлаждающей жидкости при входе в реактор этого типа равна приблизительно 300°, а на выходе приблизительно 500°.
     
      8. Ядерный реактор с воспроизводством горючего
     
      Большой практический интерес представляет собою так называемый размножающий ядерный реактор. Он работает на быстрых нейтронах и обогащенном ураном-235 естественном уране. В этом реакторе потери нейтронов сводятся до минимума. В центре реактора помещается уран-235 или обогащенный ураном-235 естественный уран. Он окружается оболочкой из естественного урана, а затем идет защитная стенка. Охлаждение реактора может проводиться также жидким натрием. Регулирование процесса ведется с помощью стержней из стали, содержащей бор.
      Часть нейтронов, выделяющихся при делении урана-235, расходуется на развитие процесса! деления, ai избыток нейтронов реагирует с ураном-238, находящимся в оболочке из естественного урана. Эта реакция приводит к образованию из урана-238 плутония. Так как каждое ядро атома урана-235 при делении выделяет 2 — 3 нейтрона, на продолжение реакции расходуется один нейтрон, а потери нейтронов невелики, то один или более нейтронов, соединяясь с ядрами урана-238, образуют плутоний. Таким образом в таком реакторе исчезает уран-235 и появляется в большом количестве плутоний. В ядерном реакторе, работающем на естественном уране, также получаются плутоний, но в меньшем количестве, чем расходуется уран-235. Плутоний может быть извлечен и применен вместо урана-235 в качестве ядерного горючего. Этим путем теоретически весь уран может быть превращен в плутоний — в ядерное горючее, и, следовательно, количество ядерного горючего фактически может не уменьшаться, а накопляться в процессе сжигания. Расходоваться будет уран-238, а его в природе имеются такие количества, которые надолго обеспечат человечество энергией.
      Вместо урана-238 можно употребить еще более распространенный в природе элемент — торий, который, захватывая нейтрон, претерпевает ряд превращений и образует уран-233.
      Последний подобно ядру урана-235 делится с выделением нейтронов и может служить ядерным горючим. Таким образом, в качестве ядерного горючего могут употребляться уран-235, уран-233 и плутоний-239, а в качестве материалов для их получения уран-238 и торий-232. Все эти элементы радиоактивны. Они хотя и медленно, но распадаются, испуская альфа-частицы. Однако наименее устойчивый из них — плутоний-239 — имеет период полураспада 24 000 лет, и в течение столетий его убыль в результате распада не будет заметна. Обращение с этими элементами должно быть осторожным, так как они являются альфа-излучателями.
     
      9. Атомная энергия на службе человека
     
      Ядерные процессы таят в себе неисчислимые богатства, в них заложено счастливое будущее человечества.
      Атомная электростанция, включающая в себя ядерный реактор, может быть построена в любом месте земного шара; на высоких горах и глубоко под землей, во льдах северных стран и в пустынях юга. Она требует для своей работы перевозки лишь урановых стержней. Это количество атомного горючего очень мало по сравнению с тем, которое необходимо для получения равного количества энергии на электростанции, работающей на угле или другом топливе (рис. 33). На рисунке 34 приведено схематическое изображение подземной электростанции, работающей на ядерном горючем.
      Рис. 34. Ядерная электростанция (подземная).
      Размеры ядерного реактора зависят от его мощности и употребляемого в нем ядерного горючего. Установки большой мощности на естественном уране наиболее велики и занимают большое пространство. Они весят много тонн. В то же время могут быть сконструированы реакторы небольших размеров, которые можно устанавливать, например, на больших судах, самолетах и т. п. Такие реакторы расходуют свое тепло на парообразование. Пар приводит в движение турбину, которая передает это движение гребному винту судна. Установка ядерного реактора на подводной лодке даст возможность ей находиться длительное время под водой без всплывания, так как для сжигания ядерного горючего не нужен воздух. Такие подводные лодки могут беспрепятственно плавать в морях северного и южного полюса, пересекая их под льдом.
      Сила взрыва атомных взрывчатых веществ такова, что она способна разрушить горы, дать новые пути рекам. Эта сила может быть использована человеком для преобразования природы земли на благо человечества, для превращения пустынь в цветущие сады.
      Будущее трансконтинентальных и межпланетных перелетов связано с ядерным горючим. Можно представить себе примерные конструкции двигателей для самолетов и ракет, которые работают, потребляя самое концентрированное топливо — атомное топливо.
      Межпланетный корабль должен развить огромную скорость, чтобы вырваться из сферы притяжения земли (11,2 километра в секунду). Такую скорость можно получить в ракете, которая использует ядерное горючее. Ракета двигается под действием силы отдачи, такой же силы, которая появляется при выстреле орудия или винтовки. Ракета представляет собою замкнутый сосуд с отверстием в дне. Сквозь это отверстие вырываются газы, которые толкают ракету вперед. Газы создаются при горении. Для этого ракета начиняется горючей жидкостью и жидким кислородом. Жидкость, сгорая, превращается в газ, который с большой силой вырывается из отверстия (дюзов) ракеты и заставляет ее двигаться. Деление урана-235 или плутония может заменить в ракете процесс горения. В этом случае достаточно небольшого количества делящегося материала по сравнению с горючим материалом и жидким кислородом, чтобы ракета пролетела большое расстояние. Трудность конструирования такого рода ракеты заключается в том, что камера сгорания и выходные отверстия должны выдерживать очень высокую температуру. Ракета на атомном ядерном горючем может работать и иначе, на принципе испарения жидкости. В качестве такой жидкости может быть взят сильно охлажденный и сжатый большим давлением газ водород, который при таких условиях представляет собой жидкость. Жидкий водород из специального резервуара под давлением устремляется в ядерный реактор, где он превращается в пар, сильно нагревается и устремляется к выходному отверстию ракеты, толкая ее вперед с огромной скоростью.
      Ядерный реактор может быть использован в реактивном двигателе самолета. Самолет развивает большую скорость. При этом встречный воздух засасывается в сопла двигателя и попадает в ядерный реактор, где нагревается до высокой температуры. Нагретый воздух еще с большей скоростью вырывается из выходных отверстий двигателя и заставляет самолет лететь вперед. Схема двигателя приведена на рисунке 35.
      Турбина, работающая на паре, получаемом путем охлаждения ядерного реактора, может быть установлена на самолете. Турбина приводит в движение винт самолета. Схематическое устройство такого двигателя показано на рисунке 36.
      Широкое использование атомной энергии в мирных целях не за горами.
      За последние 15 лет были решены многие вопросы мирного применения атомной энергии. Советские ученые оказались в этих вопросах впереди. В нашей стране уже используют силу взрыва атомных взрывчатых материалов для мирных целей — целей преобразования природы. С большой радостью и удовлетворением 1 июля 1954 года советские люди восприняли сообщение Совета Министров СССР о пуске первой в мире электростанции, работающей на атомной энергии, и о работах над другими более мощными электростанциями. Народы всех стран мира высоко расценивают это величайшее событие нашего времени.
      «Мы запомним эту дату, — писала польская газета «Трибуна Люду». — Она будет определена как начало великой промышленной и технической революции, значение которой сейчас даже невозможно себе представить. Впервые в истории человечества атомная энергия, примененная в промышленных целях, начала служить не войне, не уничтожению, не смерти, а человеку».
      В январе 1955 г. Советское Правительство заявило о своей готовности передать международным органам научную информацию о построенной в СССР атомной электростанции и оказать научно-техническую и производственную помощь другим государствам в создании научно-экспериментальных баз для развития исследований в области ядерной физики, проектировании и постройке ядерных реакторов для использования атомной энергии в мирных целях.
      Сооружение в Советском Союзе электростанции, работающей на атомной энергии, говорит о несравнимых преимуществах социалистического строя перед капиталистическим.
     
     
      V. ВОЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ
     
      1. Атомная бомба
     
      Мы видели, что если деление атомов урана в ядерном реакторе не регулировать с помощью кадмиевых стержней, не поглощать избыточные нейтроны, то количество атомов урана, делящихся в единицу времени, будет беспрерывно возрастать и, наконец, станет так велико, что выделяющееся тепло разорвет ядерный реактор. Если принять, что деление одного ядра происходит в течение одной стомиллионной доли секунды и каждое деление порождает два нейтрона, идущих на деление новых ядер, то за 88 циклов, или приблизительно за миллионную долю секунды, разделятся все атомы, находящиеся в 1 килограмме урана, то есть 2,5-1024 атомов. Отсюда ясно, что деление урана можно использовать для взрывов. Американские империалисты сразу же ухватились за мысль использования деления урана в своих человеконенавистнических целях.
      В 1945 году японские города Хиросима и Нагасаки были разрушены взрывами бомб большой разрушительной силы — атомных бомб, сброшенных с военных самолетов США.
      Взрыву атомной бомбы в г. Хиросиме предшествовало испытание атомной бомбы на американском континенте. 16 июля 1945 года в пустынной местности в Ныо-Мексика была взорвана первая атомная бомба.
      Год за годом промышленность США стала производить и накоплять атомные бомбы, а американские империалисты угрожать атомной войной Советскому Союзу и всем странам лагеря мира, демократии и социализма.
      Советские ученые вырвали из рук американских империалистов монополию производства атомной бомбы. Мы знаем заявления Советского правительства о том, что СССР обладает и секретом производства водородной бомбы. © производстве водородного оружия советские люди добились такого успеха, что в положении отсталых оказался не Советский Союз, а Соединенные Штаты Америки.
      Несмотря на неоднократные предложения Советского Союза о запрещении применения атомного и других видов оружия массового уничтожения, США продолжают производство и испытания атомных и водородных бомб.
      Как же устроена атомная бомба?
      Вспомним, что практически делению подвергается только уран-235, а уран-238 мешает процессу деления, так как захватывает нейтроны с образованием плутония. Отсюда следует, что взрывчатым веществом является чистый уран-235. Но изотопы имеют столь близкие свойства, что отделить уран-235 от урана-238 чрезвычайно трудно. Однако ученым удалось найти ряд способов отделения урана-235 от урана-238. Один из таких способов заключается в том, что если пропускать газ шестифтористый уран через ряд последовательно стоящих пористых перегородок, то молекулы, содержащие более легкий уран-235, быстрее проникают через такие перегородки. По мере движения по каскаду перегородок происходит отделение урана-235 от урана-238.
      Нужно пропустить смесь газов из молекул шестифтористого урана-235 и шестифтористого урана-238 через огромное число таких пористых перегородок, чтобы отделение произошло и получился чистый шестифтористый уран-235.
      Есть и другие способы отделения изотопов урана, но мы их описывать не будем, чтобы не уводить читателя в сторону от основного вопроса.
      Если взять металлический шар из урана-235, размер которого выше критического, то он сейчас же самопроизвольно взорвется, но если масса урана-235 меньше критической, то уран-235 будет спокойно лежать. Теперь если взять два куска урана-235, каждый из которых будет иметь массу меньше критической, а в сумме их масса больше критической, то эти куски порознь могут храниться произвольно долгое время.
      Однако достаточно эти куски соединить вместе, как произойдет взрыв. Необходимо только соединить их быстро, так как по мере сближения обоих кусков уже на некотором расстоянии начнется цепная реакция деления и всю массу урана-235 разбросает в стороны раньше, чем подвергнется делению значительная часть атомов урана; вместо полного взрыва произойдет неполный. В силу этого атомная бомба заключается в толстую оболочку из прочного металла. Быстрое соединение двух кусков U235 достигается с помощью дополнительного заряда из обычного взрывчатого вещества. В нужный момент происходит взрыв дополнительного заряда, и два куска урана летят внутри бомбы навстречу друг другу с большой скоростью. При их соединении происходит атомный взрыв. На рисунке 37 представлена схема атомной бомбы. Вместо урана-235 можно применять плутоний или уран-233.
      Атомная бомба обладает большой разрушительной силой.
      Если бы все ядра атомов 1 килограмма урана-235 при взрыве атомной бомбы подверглись делению, то освободилась бы энергия, соответствующая взрыву 20 000 тонн тринитротолуола (тротила).
      Рис. 37. Принципиальная схема атомной бомбы.
      Действие атомной бомбы всячески преувеличивается американской прессой, которая тем самым пытается запугать мир наличием у американских империалистов большого запаса атомных бомб.
      Взрыв атомной бомбы сопровождается четырьмя поражающими факторами: во-первых, так же, как и при взрыве фугасной бомбы, появляется мощная ударная волна. Во-вторых, взрыв сопровождается световым излучением необычайной интенсивности. В-третьих, при взрыве происходит кратковременное испускание гамма-лучей и нейтронов — называемое проникающей радиацией. В-четвертых, при взрыве рассеиваются радиоактивные продукты деления и разбрасываются не разделившиеся ядра атомов урана или другого взрывчатого материала, приводя к радиоактивному заражению воздуха и местности.
      Два первые поражающие фактора связаны с тем, что при взрыве атомной бомбы (делении всех ядер одного килограмма урана) в течение миллионных долей секунды в небольшом объеме выделяется 20 000 миллиардов калорий энергии. Большая часть этой энергии сначала превращается в тепло, вследствие чего происходит моментальное разогревание и все вещество бомбы переходит в раскаленный пар. В результате этого образуется огненный шар с температурой, равной нескольким миллионам градусов, и сверхвысоким давлением. Нагретые и заключенные в огненном шаре газы быстро расширяются. Огненный шар растет и сжимает воздух, находящийся на его границе.
      Рис. 38. Скорость распространения ударной волны атомного взрыва.
      Сжатый воздух начинает двигаться вместе с передним краем огненного шара, затем отрывается от него, продолжая движение вперед с большой скоростью. За фронтом сжатого воздуха следует фронт разрежения. Образуется ударная волна. Скорость ее движения вблизи от места взрыва превосходит 1 километр в секунду, то есть несколько тысяч километров в час. Затем скорость постепенно падает и доходит до скорости звука. На рисунке 38 приведена схема распространения ударной волны.
      Эта схема показывает, что, увидев вспышку атомного взрыва, можно успеть занять безопасное положение в укрытии.
      Ударная волна может разрушить оборонительные сооружения, постройки, опрокинуть танки и т. д. Люди при этом могут пострадать главным образом от косвенных причин — разрушения зданий и других сооружений.
      При действии ударной волны в результате разрушения зданий, печей, нарушения электропроводки и газовой сети возможно возникновение пожаров. Радиус действия ударной волны и степень разрушений зависят от характера местности, наличия оборонительных и других сооружений, высоты, на которой произведен взрыв атомной бомбы. При взрыве атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 000 тонн тротила в Хиросиме и Нагасаки радиус поражения ударной волной незащищенных людей составлял около 750 — 800 метров.
      В случае взрыва атомной бомбы под землей происходит сотрясение земли, подобное землетрясению. Разрушения при этом происходят вследствие сотрясения и смещения почвы. Сильное землетрясение подобно взрыву миллиона атомных бомб.
      При взрыве атомной бомбы под водой так же появляется ударная волна, распространяющаяся с еще большей скоростью, чем в воздухе, и имеющая большую разрушительную силу. В радиусе 400 метров корабли могут получить повреждения и затонуть. На больших расстояниях (до 1,5 километра) происходят повреждения механизмов. Степень повреждений зависит от удаленности корабля до места взрыва.
      Особенно сильный эффект наблюдается при глубоководном взрыве. Образующиеся при этом продукты взрыва вырываются на поверхность и с большой силой, увлекая за собою воду, поднимаются кверху. Затем вся масса воды обрушивается вниз, создавая так называемую базисную волну. На рисунке 39 приведена фотография подводного взрыва атомной бомбы.
      Благодаря световой вспышке большой интенсивности взрыв атомной бомбы сопровождается поражающим действием светового излучения. Через одну десятимиллионную долю секунды на расстоянии 10 километров освещение в 100 раз интенсивнее солнечного диска. Свет уносит около трети всей энергии, выделяющейся при взрыве. Огненный шар быстро охлаждается. Через 15 десятимиллионных долей секунды он имеет температуру всего 5000°, а через 10 секунд тухнет. Поражающее действие светового излучения зависит от расстояния до места взрыва. Горючие материалы, деревянные части боевой техники, краска, чехлы и т. п. от действия светового излучения загораются или обугливаются. В лесу, степи и населенных пунктах возможно возникновение пожаров. Однако возникшие пожары часто затухают под действием ударной волны, которая сбивает пламя. На обнаженных частях тела людей, обращенных к месту взрыва, получаются ожоги. При действии света атомного взрыва на глаза возможна временная потеря зрения. Действие света распространяется в радиусе нескольких километров, но оно сильно зависит от состояния атмосферы. В снег, дождь, туман и при других условиях отсутствия прозрачности атмосферы световое действие значительно снижается. Сила действия света зависит от расстояния до места взрыва. Световое действие продолжается всего несколько секунд. Взрыв становится виден раньше, чем энергия светового излучения может причинить вред. Это происходит потому, что первоначально световое излучение взаимодействует с молекулами вблизи огненного шара, разрушая эти молекулы, и только через некоторый промежуток времени свет как бы вырывается из плена окружающего воздуха. При взаимодействии света с молекулами происходит изменение длины волны светового излучения. До тех пор, пока длина волны меньше 1860 ангстрем, свет взаимодействует с молекулами, распространяется от молекулы к молекуле. Когда длина волны света становится больше 1860 ангстрем, он распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду.
      От светового действия атомной бомбы легко укрыться за любой преградой, защищающей от прямого действия света. Свет распространяется прямолинейно, поэтому стены, крутости траншеи, броня и даже одежда защищают от светового излучения. Увидев вспышку атомного взрыва, необходимо принять безопасное положение.
      В случае подводного и подземного взрыва атомной бомбы световое действие отсутствует.
      Наряду с распространением ударной волны и остыванием огненного шара происходит его быстрый подъем вверх на высоту 10 — 15 километров в виде бурого облака.
      При взрыве атомной бомбы возникает ядерное излучение, в состав которого входят альфа- и бета-частицы, гамма-лучи и нейтроны. Альфа- и бета-частицы быстро теряют свою энергию при столкновении с атомами и поглощаются на близком расстоянии от места взрыва. Нейтроны и гамма-лучи, так называемая проникающая радиация, может распространяться на значительные расстояния (более километра). Проникающая радиация уносит несколько процентов энергии взрыва. Однако на значительное расстояние распространяется только небольшая часть этого излучения, примерно 1%, остальные нейтроны и гамма-лучи поглощаются атомами вблизи места взрыва.
      Проникающая радиация действует на организм людей и животных, вызывая так называемую лучевую болезнь. Эта болезнь в большинстве случаев кончается выздоровлением, но может иметь и смертельный исход. Степень действия лучевой болезни зависит от дозы облучения, измеряемой в рентгенах. Рентген — это такое количество энергии у-лучей, которое в кубическом сантиметре воздуха при 0° и 760 мм давления создает около 2 миллиардов пар ионов. Ионизация может вызвать нарушение функций отдельных клеток или отдельных тканей тела, что и ведет к болезни. Единовременная доза радиации, равная 100 — 200 рентгенам, вызывает сравнительно легкое заболевание, кончающееся выздоровлением. (Большие дозы могут вызвать серьезные заболевания.
      Дальше всего распространяются гамма-лучи. Нейтроны оказывают сильное действие на таких расстояниях, на которых ударная волна, световое действие и действие гамма-лучей еще более опасны и нейтроны практически не создают дополнительной угрозы. Гамма-лучи и нейтроны главным образом распространяются прямолинейно, но благодаря взаимодействию с веществом появляются рассеянные, идущие со всех сторон, лучи.
      Доза проникающей радиации может быть снижена применением защитных устройств. Различные материалы снижают интенсивность радиации по-разному. Чем тяжелее материал по удельному весу, тем сильнее его защитное действие. Можно приблизительно считать, что одинаковое действие разных материалов будет в том случае, если взять слои одинакового веса. Чтобы снизить дозу от гамма-лучей в 10 раз, необходимо укрытие из 5 сантиметров свинца или 10 сантиметров брони, 20 — 30 сантиметров бетона, 50 — 60 сантиметров грунта. На рис. 40 показано ослабление гамма-лучей в различных материалах. Даже снег может служить материалом для защиты от проникающей радиации. При прохождении через вещество происходит поглощение гамма-лучей и нейтронов. Последние замедляются при столкновении с ядрами атомов, особенно с такими, как ядра атома водорода, и поглощаются в результате ядерных реакций.
      Вследствие этого для защиты от нейтронов применяют водородосодержащие вещества (грунт, бетон). Для поглощения замедленных нейтронов лучше всего использовать бор, который, вступая в ядерную реакцию с нейтроном, образует стабильный изотоп бора.
      Одежда не является защитой от действия проникающей радиации.
      Проникающая радиация не разрушает технику, но нейтроны могут вызвать так называемую наведенную радиоактивность химических элементов, входящих в состав почвы, продовольствия, воды и многих предметов, находящихся в поле их действия. Фотопленка под действием проникающей радиации засвечивается, стекло темнеет.
      Действие радиации сильно зависит от расстояния до места взрыва. При увеличении расстояния вдвое доза радиации снижается вчетверо, если расстояние увеличивается в 5 раз, то доза уменьшается в 25 раз. Доза радиации обратно пропорциональна квадрату расстояния от места взрыва.
      Рис. 40. Толщины различных материалов, необходимые для снижения дозы гамма-лучей в 10 раз.
      Первичное ядерное излучение заканчивается при взрыве атомной бомбы в течение секунды. Оно безопасно даже вне убежища на расстоянии 2 километров от места взрыва.
      Защита от радиации на более близких расстояниях может быть осуществлена укрытием в убежищах, оборонительных сооружениях, боевых машинах, домах и т. п.
      Первичная проникающая радиация на наземные объекты при взрыве атомной бомбы под водой и под землей не действует.
      На рисунке 41 даны сравнительные радиусы различного рода действия атомной бомбы.
      При взрыве атомной бомбы происходит заражение местности радиоактивными изотопами. Продукты деления урана и плутония главным образом являются радиоактивными изотопами. Не подвергшийся делению уран или плутоний также радиоактивны. Радиоактивные изотопы появляются, кроме того, за счет действия нейтронов на окружающие элементы почвы — кремний, алюминий, натрий и другие. Все эти радиоактивные изотопы излучают бета- и гамма-лучи. Тем самым зараженная радиоактивными изотопами местность становится опасной. Заражению подвергается грунт, оборонительные сооружения, боевая техника, воздух, вода. Наличие заражения может быть определено с помощью специальных дозиметрических приборов.
      Если взрыв атомной бомбы произошел в воздухе, то большая часть радиоактивных изотопов уносится поднимающимся вверх облаком и затем через значительный промежуток времени рассеивается на большой площади. Вследствие этого в районе взрыва заражение может быть незначительным и не препятствует боевым действиям. Если взрыв произошел на земле или под землей, то радиоактивные заражения 400 — 500 метров от места взрыва и сильно заражают местность. При подводном взрыве основная масса радиоактивных веществ выбрасывается с водой и затем обрушивается вниз, заражая район взрыва или окружающие суда. В то же время содержащийся в воде хлористый натрий, захватывая нейтроны, превращается в радиоактивный изотоп. Так как большая часть радиоактивных изотопов — продуктов деления и результатов ядерной реакции с нейтронами — имеют малые периоды полураспада, то их активность быстро уменьшается и доза радиации резко падает со временем.
      Особенно опасно попадание радиоактивных веществ внутрь организма через рот и дыхательные пути. Опасно также загрязнение радиоактивными изотопами открытых участков кожи. На коже и особенно на слизистой оболочке в результате действия радиоактивных излучений могут образоваться язвы. Наиболее опасными изотопами при попадании внутрь являются такие альфа-излучатели, как, например, плутоний. Альфа-частицы имеют ионизирующую способность, во много раз большую, чем бета-частицы и гамма-лучи.
      Боевая техника не страдает от действия излучения радиоактивных веществ. Только фотографические пластинки засвечиваются. Если боевая техника загрязнена радиоактивными веществами, то люди, использующие эту технику, могут пострадать в результате облучения, при занесении радиоактивных изотопов на кожу или внутрь организма.
      Радиоактивные вещества необходимо удалить, то есть произвести дезактивацию или санитарную обработку.
     
      2. Водородная бомба
     
      Мы видели, что температура на Солнце поддерживается благодаря термоядерным реакциям. Нельзя ли использовать для военных целей реакции, подобные солнечным? Для того, чтобы пошел процесс образования гелия из водорода, необходимы следующие условия — высокая, в несколько миллионов градусов, температура и высокое давление. Такие условия на земле в настоящее время мы можем получить лишь при взрыве атомной бомбы. Очевидно, если атомную бомбу окружить, например, смесью дейтерия и трития и все это поместить в плотную массивную оболочку, то взрыв атомной бомбы приведет к термоядерной реакции — образованию гелия из водорода»:…
      При этой ядер ной реакции выделяется огромное количество энергии — примерно в десять раз превышающее количество энергии, получающейся при делении урана на единицу веса реагирующего вещества. Энергия ядерной реакции превращается в тепло. В зоне реакции поддерживается очень высокая температура и соединение дейтерия и трития распространяется от атома к атому. В водородной бомбе атомная бомба служит своеобразным взрывателем (рис. 42).
      Рис. 42. Принципиальная схема устройства водородной бомбы
      Подобных реакций известно много, и все они получили общее наименование термоядерных реакций.
      Тритий получается искусственно, путем облучения лития нейтронами в ядерном реакторе. Дейтерий в очень малых количествах содержится в природном водороде и его соединениях. Путем длительного разложения воды электрическим током можно получить так называемую тяжелую воду, в состав которой входит дейтерий. Из тяжелой воды можно выделить дейтерий в свободном состоянии.
      Отсюда ясно, что дейтерий и особенно тритий являются очень дорогостоящими продуктами.
      Бомба, использующая термоядерные реакции, может быть, в отличие от атомной, очень велика, и, следовательно-, ее действие может быть значительно сильнее действия атомной бомбы.
      Взрыв водородной бомбы подобно атомной сопровождается теми же поражающими факторами: ударной волной, световым излучением, проникающей радиацией и радиоактивным заражением. Если оболочка водородной бомбы сделана из металлического кобальта, то выделяющиеся при взрыве бомбы нейтроны взаимодействуют с кобальтом и образуют радиоактивный кобальт:...
      Кобальт-60 имеет период полураспада около 5 лет и испускает гамма-лучи.
      Империалисты открыто пропагандируют необходимость подготовки войны с применением атомного и водородного оружия. Всякая авантюра с развязыванием новой мировой войны неизбежно окончится плохо для агрессора, потому что сотни миллионов людей во всех странах будут с полным убеждением в правоте своего дела до конца бороться против агрессии. Если поджигатели войны осмелятся осуществить свои преступные планы, то погибнет не «мировая цивилизация», сколько бы она ни пострадала от новой агрессии, а погибнет прогнившая капиталистическая система, которая уже отживает свой век!
     
      3. Боевые радиоактивные вещества
     
      Как было сказано, излучение радиоактивных элементов, попавших в организм человека, может вызвать серьезные заболевания и даже смертельный исход. Безопасным является только небольшое облучение тела, облучение, не превышающее определенной нормы.
      Несомненно, что империалисты, мечтающие о завоевании мирового господства, наряду с атомной и водородной бомбами могут применить в качестве одного из средств массового уничтожения и боевые радиоактивные вещества.
      Радиоактивные изотопы — продукты деления урана и плутония — в очень больших количествах получаются в ядерных реакторах — атомных котлах, где они являются отходами производства.
      Возможно применение боевых радиоактивных веществ в виде жидкостей, дымов, порошков. Последние представляют собой твердые пористые вещества, пропитанные радиоактивными веществами. Они могут быть смешаны также с клейкими составами, которые прилипают к одежде, броне и оружию. Боевые радиоактивные вещества могут применяться и в сочетании с боевыми отравляющими веществами в виде высокотоксичных соединений.
      Боевыми радиоактивными веществами могут также снаряжаться авиационные бомбы, снаряды, торпеды, мины и т. п.
      В результате применения боевых радиоактивных веществ происходит радиоактивное заражение местности и воздуха, как и при атомном взрыве.
      На рисунках 43 и 44 изображены приведенные в иностранной печати схемы устройства снаряда и пули, начиненных радиоактивными веществами. Ранение такими пулями и осколками снарядов связано с попаданием радиоактивных веществ в кровь. Зажигательные бомбы и снаряды, начиненные радиоактивными веществами, опасны тем, что тушение пожаров в случае применения таких зажигательных средств затруднено излучением радиоактивных веществ и присутствием их в воздухе.
      Наиболее вероятно применение изотопов, обладающих гамма-излучением. Радиоактивные элементы, имеющие альфа- и бета-излучения, опасны только при их попадании на кожу или внутрь организма! через дыхательные пути и пищевой тракт.
      Пребывание людей на местности, зараженной радиоактивными! веществами, в боевых условиях не исключено. При соблюдении некоторых правил безопасности, о которых будет сказано ниже, на зараженной местности возможно ведение боевых действий, через нее могут проходить войска.
      Боевые радиоактивные вещества имеют ниже описанные свойства. Их нельзя накопить в больших количествах в мирное время, так как запасы подвергаются непрерывному радиоактивному распаду и все время будут уменьшаться. Большинство радиоактивных изотопов, пригодных для боевых целей, имеют небольшие периоды полураспада. Накопление долгоживущих изотопов мало вероятно из-за трудности их получения в больших количествах.
      Активность радиоактивного элемента! измеряется в специальных единицах, называемых кюри. Это такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37 миллиардов распадов ядер атомов в секунду. Активность 1 грамма радия, период полураспада которого около 1600 лет, равна 1 кюри, в то же время 1 кюри радиоактивного натрия (период полураспада 15 часов) равно по весу приблизительно одной десятимиллионной грамма. Чем больше период полураспада радиоактивного изотопа, тем больше вес 1 кюри этого изотопа.
      Наоборот, равные весовые количества различных изотопов имеют тем большую активность, чем меньше их период полураспада. Таким образом, вес значительных количеств боевых радиоактивных веществ может быть небольшим.
      Боевые радиоактивные вещества, следовательно, сами по себе являются компактным оружием, но их производство, перевозка, хранение и применение на месте боя требуют предохранения персонала от облучения. Поэтому боевые радиоактивные вещества! приходится заключать в массивные металлические контейнеры.
      Мы уже говорили, что радиоактивное излучение поглощается различными материалами. Альфа- и бета-лучи при этом поглощаются значительно легче. Гамма-лучи проникают сквозь большие толщи. Однако и они могут быть поглощены или ослаблены толстыми слоями вещества.
     
      4. Некоторые средства и способы защиты от атомного оружия
     
      Атомное оружие не создает условий, при которых невозможно продолжение военных действий. Выполнение
      боевой задачи является основной обязанностью солдат и офицеров.
      Ударная волна атомного взрыва отличается от ударной волны взрыва фугасной бомбы лишь силой и дальностью распространения. Поэтому любые оборонительные сооружения и складки местности снижают поражающее действие взрывной волны атомной бомбы. Но оборонительные сооружения в этом случае должны быть более прочными. Световое действие атомного взрыва опасно только вблизи от места взрыва и на некотором удалении при наличии открытых участков тела. От светового излучения полностью предохраняют оборонительные сооружения, боевые машины и т. п.
      Для защиты от действия проникающей радиации можно использовать закрытые оборонительные сооружения, складки местности, окопы, траншеи, скаты и т. н.
      На рисунке 45 показан подбрустверный блиндаж, который надежно защищает людей от действия атомного оружия. На рисунке 46 приведена подбрустверная ниша для защиты от атомного оружия для одиночного бойца.
      Рис. 47. Окоп с укрытием для орудия от атомного взрыва.
      В условиях атомного нападения важно предохранить боевую технику от загрязнения. На рисунке 47 показано укрытие для орудия во время атомного нападения. При отсутствии стационарных укрытий могут быть использованы складки местности или бронемашины (см. рис. 48).
      Для предохранения бойцов от попадания радиоактивных веществ внутрь организма и на кожу служат противогаз и защитная одежда (накидки, чулки, перчатки и т. д.), то есть индивидуальные средства противохимической защиты. Надо помнить, что продукты питания и воду необходимо предохранять от загрязнения радиоактивными веществами, сохраняя их в герметически закрытой посуде или тщательно завернутыми в непромокаемые ткани.
      Доза, получаемая человеком в зоне действия радиоактивного излучения, тем больше, чем больше время пребывания в этой зоне. В течение небольшого промежутка времени пребывание в зоне излучения может быть безопасным.
      Вследствие этого боевые действия в. зоне заражения радиоактивными веществами могут продолжаться. Через участки заражения может проходить боевая техника и войска. При таком прохождении возможно загрязнение радиоактивными веществами, поэтому люди должны применять защитную одежду и обувь.
      Границы зараженных участков местности обозначаются предупредительными знаками.
      На рисунке 49 показаны предупредительные знаки и расстановка этих знаков на местности.
      Даже в зоне, где уровни радиации составляют несколько десятков рентгенов в час, пребывание продолжительностью около часа безопасно.
      Взрыв атомной бомбы и заражение местности боевыми радиоактивными веществами может быть неожиданным. От быстроты и умелости действий бойцов зависит их здоровье и жизнь. Увидев атомную вспышку, необходимо с максимальной быстротой укрыться или принять максимально безопасное положение от ударной волны, света и проникающей радиации. По истечении примерно 20 секунд все поражающие факторы, кроме заражения местности, исчезают и можно продолжать выполнение боевой задачи. В боевых машинах должны быть лишь закрыты люки и жалюзи, но движение их может продолжаться, если они не занимают специального укрытия.
      Если необходимо действовать в зоне заражения, то надо применять все средства, которые могут уменьшить опасность облучения и заражения.
      Такими средствами являются противогаз и защитная одежда. Зараженную местность необходимо преодолевать быстро, на ней нельзя есть и курить, так как при этом можно занести радиоактивные вещества внутрь. В зоне заражения не следует касаться никаких предметов. При необходимости окопаться надо лечь на подстилку, снять верхний слой земли, осторожно отбрасывая его на подветренную сторону. При этом не следует пылить. Бруствер делается из незараженной земля. На рисунке 50 показано окапывание бойца на зараженной местности.
      Боевые машины проходят через зараженную местность с закрытыми люками и жалюзи, выключенными вентиляторами, а бойцы должны быть в противогазах и защитной одежде.
      Если радиоактивными веществами заражена! местность, строения, вооружение, боевая техника или люди, то необходимо проводить дезактивацию.
      Дезактивация производится смыванием радиоактивных веществ водой или моющими средствами, а также обтиранием, соскабливанием, с помощью пескоструйных аппаратов (мокрым способом) и т. п. Очищающие материалы при дезактивации становятся радиоактивными и должны быть зарыты в землю.
      Рис. 49. Обозначения на местности предупредительными знаками границ участков, зараженных радиоактивными веществами.
      Люди должны снять зараженную одежду и пройти санитарную обработку; при этом радиоактивные вещества полностью удаляются с поверхности тела человека.
      В ряде случаев целесообразно зараженные предметы зарыть в землю. Иногда их следует оставить в специально отведенном месте для того, чтобы произошел распад радиоактивных элементов. Время хранения таких предметов зависит от периода полураспада примененного изотопа.
     
     
      VI. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ
      ЭЛЕМЕНТОВ КАК ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
     
      Радиоактивные элементы испускают альфа- или бета-и гамма-лучи. Излучение радиоактивных элементов нашло широкое применение в науке и технике. В этой главе мы рассмотрим применение радиоактивных элементов как излучателей.
     
      1. Излучение в технике
     
      Как заглянуть внутрь металлического предмета? Как найти в таком теле пустоты, трещины, пузырьки газа и т. д.?
      Для просвечивания непрозрачных тел до последнего времени применялись только лучи рентгена. Однако рентгеновские установки, применяемые в промышленности, дают возможность просвечивать детали толщиною не свыше 5 сантиметров. Гамма-лучи радия проникают на большую глубину, однако радий дорог и его применение в связи с этим не получило большого распространения. Ряд искусственно-радиоактивных изотопов, в особенности кобальт-60, может с успехом заменять рентгеновские установки и радий. С помощью таких искусственно-радиоактивных изотопов, как кобальт-60, можно просвечивать детали большого размера толщиной до 30 сантиметров.
      Просвечиванием можно выявить дефекты в металлах, трещины в деталях машин, раковины, пузырьки и неоднородности в отливах, равномерность и качество сварного шва и разрешить ряд других вопросов, используя радиографию.
      При просвечивании гамма-лучами по одну сторону детали ставят источник излучения, а по другую фото
      пленку. Гамма-лучи задерживаются материалом детали, но в местах, где имеются пустоты и трещины, они задерживаются меньше и, попадая на фотопленку, засвечивают ее неравномерно. При проявлении пленки в местах против трещин появится почернение. На рисунках 51 и 52 представлены фотографии металлических деталей, снятые при их просвечивании гамма-лучами.
      Дефекты в деталях могут быть выявлены и с помощью счетчика и препарата, излучающего гамма-лучи, что видно из рисунка 53. Интенсивность счета резко увеличивается, если в металле против счетчика находится трещина или пустота.
      Если смешать радиоактивное вещество, испускающее альфа-лучи, с сернистым цинком, то такой состав в темноте светится. Светиться его заставляют альфа-частицы,
      которые при столкновении с молекулами сернистого цинка дают (вспышки света. Миллионы этих вспышек воспринимаются глазами как непрерывное свечение. Светосоставы обычно состоят из смеси 10 000 частей сернистого цинка и 1 части радия. Такие светосоставы могут действовать непрерывно в течение столетий. Они наносятся на стрелки и циферблаты приборов, за которыми приходится вести наблюдение в темноте, и светятся зеленоватым светом. Если на светосостав посмотреть в темноте через микроскоп, то можно увидеть вместо непрерывного свечения отдельные вспышки, похожие на звездочки.
      В ряде производств благодаря трению одних частей машин о другие происходит накопление электрического заряда. Это явление возникает, например, на текстильных машинах при движении материи или ниток в машине. Накопление заряда может вызвать искру, а от нее может возникнуть пожар. В связи с этим встает необходимость снятия заряда во время работы машины. Это легко достигается применением радиоактивных элементов, излучение которых ионизирует воздух. Радиоактивный элемент помещается вблизи трущихся частей, и заряд сам собою постепенно стекает с машины через воздух, который становится проводником электрического тока.
     
      2. Приборы контроля в производстве
     
      Излучение радиоактивных элементов используется в ряде приборов автоматического контроля в производстве.
      Представьте себе металлический бак, уровень жидкости в котором необходимо знать. Поместим в такой бак поплавок, в котором закреплено небольшое количество радиоактивного элемента. Затем наполним бак до определенного уровня и закрепим над жидкостью счетчик Гейгера-Мюллера. Подсчитаем, сколько отсчетов дает счетчик в минуту при таком уровне воды. Опустим уровень на 10 сантиметров и снова измерим количество отсчетов счетчика в минуту; так как расстояние от поплавка до счетчика стало больше, то количество излучения, попадающее в счетчик, становится меньше и он дает меньше отсчетов. Далее спустим уровень жидкости еще на 10 сантиметров и снова подсчитаем количество импульсов в минуту и так далее. После такой градуировки легко определить по количеству отсчетов (импульсов) в минуту уровень жидкости в баке. Можно счетчик соединить с прибором, который прямо будет показывать уровень жидкости в баке. Если счетчик соединить с системой автоматического устройства, которая соединяется с клапанами, впускающими жидкость в бак, то при повышении в баке уровня выше нормы счетчик выключает клапан притока жидкости (рис. 54).
      Многопудовый механический молот бьет по металлу, лежащему на наковальне, ловкие руки рабочего во время подъема молота меняют проковывающиеся детали, перевертывают их, поправляют. Если по неопытности или по другой причине рабочий замешкается и в этот момент молот опустится, последний может нанести травму рабочему. Излучение радиоактивных элементов может предотвратить несчастье. Если над молотом укрепить счетчик, а на палец рабочего надеть браслетку с радиоактивным веществом и счетчик соединить с автоматическим устройством, выключающим молот при наличии радиоактивности в зоне удара, то работа становится безопасной. Подобные счетчики могут быть применены и в ряде других случаев, где необходимо автоматическое выключение работы двигателя при опасном положении тела рабочего.
      Двигатель внутреннего сгорания обслуживает электростанцию, его поршни ведут непрерывную работу, передавая движение на маховик. Но как узнать, не останавливая машины, не пора ли менять поршень или поршневые кольца, не пришли ли они в негодность в результате износа? Для этой цели можно использовать радиоактивные элементы. Они смогут во-время дать сигнал о необходимости замены изношенных деталей. В трущейся поверхности машины высверливают маленькое отверстие, в него помещают радиоактивный элемент так, чтобы наружный край его был на такой глубине, дальше которой износ детали опасен.
      На рисунке 55 дана схема расположения радиоактивного элемента в трущейся детали машины. Когда износ превышает допустимую глубину, то в смазочное масло машины попадает радиоактивный изотоп, который легко может быть обнаружен в масле с помощью счетчика, вмонтированного в масляную систему.
      Таким путем можно контролировать износ ответственных деталей машин, которые не поддаются непосредственному наблюдению.
      Представим себе трубопровод, по которому перекачиваются на большое расстояние, допустим, различные сорта минеральных масел. Как сделать так, чтобы одно масло не могло смешаться с другим в приемнике, если процесс перекачки ведется непрерывно? Излучение радиоактивных элементов помогает решить и эту задачу. Между двумя сортами масла вливают жидкость, содержащую радиоактивное вещество. Выход из трубы соединяют с клапаном, связанным со счетчиком дозиметрического прибора, который переключает направление движения текущей жидкости в новый приемник, как только прибор начинает реагировать на протекание мимо него радиоактивной жидкости.
      Подобно этому можно контролировать с помощью радиоактивного излучения сток производственных растворов через очищающие фильтры. Для этого в сточные воды примешивается небольшое количество поглощаемого ядовитого вещества, имеющего в своем составе радиоактивные атомы. Когда отработанную жидкость спускают в канализацию, за фильтром ставят счетчик, который присоединен к прибору, переключающему ток жидкости из одного трубопровода в другой. Если через фильтр начинает проникать ядовитое вещество, счетчик отмечает присутствие радиоактивных атомов в -сточной воде и включает прибор автоматического- переключения.
      Бесконечная лента металлической фольги бежит из-под вальцов машины. Радиоактивный «глаз» внимательно следит за качеством получающейся ленты, за ее толщиной. Этот «глаз» в виде радиоактивного элемента, излучающего бета-частицы, помещается в форме полоски по одну сторону, а счетчик — по другую сторону бегущей ленты. Всякое утолщение ленты сказывается на работе счетчика, так как в ленте поглощаются бета-лучи и тем в большей степени, чем толще лента. Если счетчик отрегулировать на определенную скорость счета при заданной толщине ленты и соединить с автоматом, связанным с вальцами, то всякое утолщение вызовет понижение скорости счета и заставит автомат уменьшить расстояние между вальцами. Наоборот, утоньшение ленты против нормы вызовет увеличение скорости счета, а автомат, связанный со счетчиком, раздвинет вальцы (рис. 56).
     
      3. Приборы для измерений
     
      Теперь нетрудно представить себе прибор для измерения толщины каких-либо пластин — толстомер. Схема его показана на рисунке 57. Гамма-лучи, проходя сквозь слой материала, частично поглощаются. Поглощение идет тем сильнее, чем толще материал. Количество гамма-лучей, проникших через преграду, регистрируют с помощью счетчика или ионизационной камеры. Прибор предварительно градуируют по тому же самому материалу с известной толщиной. Сначала между счетчиком и источником гамма-лучей ставят преграду в 1 миллиметр, затем в 2 миллиметра, в 4 миллиметра и т. д., отмечая каждый раз показание прибора. После этого ставят пластину с неизвестной толщиной и по показанию прибора находят толщину. Употребляя бета-лучи, можно проводить измерение толщины тонких пластин с большой точностью.
      Радиолампы дают возможность сконструировать большое количество приборов для самых различных целей. Большое значение в настоящее время приобрела радиолокация. Радиолокационная станция имеет огромное количество радиоламп. Для таких станций, в частности, необходимы газоразрядные лампы с очень малым временем зажигания. Для уменьшения зажигания внутрь ламп вводят малые количества радиоактивного кобальта, который ионизирующим действием излучения резко уменьшает время зажигания лампы.
      Весы — это тончайший инструмент, без которого трудно себе представить современную химическую и физическую лабораторию. От их точности и чувствительности зависит в значительной мере результат многих опытов. Люди сконструировали много различных типов весов. Одним из них являются весы, в которых чувствительность повышается с помощью излучения радиоактивных элементов в 100 раз. На коромысле весов закрепляется радиоактивный препарат, а против него устанавливается счетчик. При равновесии счетчик регистрирует определенное число импульсов. Нарушение равновесия вызывает понижение счета импульсов, что видно по специально устроенному прибору, с помощью которого и можно установить равновесие (рис. 58).
      Трудно быстро найти площадь сложной фигуры. Однако, используя радиоактивные элементы, удалось сконструировать прибор для измерения таких площадей. Он позволяет в течение долей минуты измерить площадь самой сложной фигуры. Для измерения нужная фигура вырезается из бумаги и кладется в прибор на сетку, находящуюся между источником излучения альфа-частиц и ионизационной камерой. Ионизационная камера соединена со стрелочным прибором, проградуированным так, что в отсутствие препятствия между альфа-излучателем и ионизационной камерой стрелка стоит на нуле, при полностью закрытой сетке — на делении шкалы, соответствующем площади сетки в квадратных сантиметрах. Если на сетке находится фигура из бумаги, то она препятствует прохождению части альфа-лучей в ионизационную камеру и стрелка показывает то число делений, которое составляет площадь бумаги, положенной на сетку (рис. 59).
      Как заглянуть внутрь металлической трубы какого-либо трубопровода, не нарушая ее цельности, и узнать его состояние? Не проржавела ли такая труба и не грозит ли аварией? Для этой цели можно употребить специальный прибор. Он состоит из двух камер, изолированных друг от друга свинцом. В первой камере помещен радиоактивный препарат, излучающий гамма-лучи, а во второй — счетчик. Гамма-лучи от препарата через диафрагмы узким пучком направляются на трубу, проникают в нее и рассеиваются. Часть гамма-лучей отражается и попадает в счетчик. В том месте трубы, где цельность металла не нарушена коррозией, пустотами и трещинами, отражение определяется строго известным числом импульсов счетчика, а в случае разрушения трубы коррозией счет повышается и тем больше, чем больше разрушение, так как излучение проникает внутрь трубы с меньшим поглощением (рис. 60).
     
      4. Использование радиоактивных излучений в медицине
     
      Ha заре открытия радиоактивности было обнаружено, что излучение радия может вызвать тяжелые, долго не заживающие поражения тканей тела, подобные ожогу. В последующие годы удалось установить, что оно особенно сильно влияет на ткани, пораженные раковой опухолью. Иглы с препаратами радия или радона стали вводить в раковую опухоль и в ряде случаев удавалось достигнуть излечивания от этой тяжелой болезни. Лучи радия действуют подобно лучам рентгена, но с помощью радия легче провести облучение небольшого участка тела. С открытием искусственной радиоактивности появилась возможность замены радия другими радиоактивными элементами.
      Различные вещества, попадая в организм, скапливаются в различных частях и тканях тела. Зная, в каких частях тела и какие элементы скапливаются, можно производить местное облучение тех или иных органов, вводя в желудок или кровь соответствующие вещества, в составе которых находится радиоактивный изотоп. Например, при лечении некоторых заболеваний щитовидной железы вместо рентгеновских лучей применяют радиоактивный иод.
      В ряде случаев опухоли поглощают значительные количества тех или иных веществ. При помощи радиоактивного фосфора удалось доказать, что раковые ткани отличаются от нормальных по поглощению фосфора. Это видно из приводимой таблицы.
      Лечебные грязи, радоновые ванны, радиоактивные источники принесли облегчение тысячам больных. Действие природных радиоактивных вод и грязей основано на влиянии излучения на организм. Русские ученые А. П. Соколов, В. И. Баранов, Е. С. Щепотьева, Е. С. Бурксерд и другие положили много сил на исследование радиоактивных источников, а профессор В. И. Баранов предложил использовать искусственно приготовленные радоновые ванны, заменяющие природные радиоактивные воды.
      Мы говорим о благотворном влиянии радиоактивного излучения, но известно и вредное влияние излучения на организм. Однако и это явление в ряде случаев может быть применено с пользой для людей. Примером может служить стерилизация сельскохозяйственных животных под действием излучения радиоактивных элементов. Еще в большей степени, чем на ткани человека и животных, излучение радиоактивных элементов влияет на микроорганизмы. Под действием излучения бактерии погибают. Поэтому радиоактивные элементы можно применять на транспорте и в торгово-заготовительном деле для сохранения продуктов питания от порчи.
      Ученые различных стран в настоящее время широко изучают действие излучения на организм людей и животных.
     
      5. Химическое действие излучения
     
      Под действием излучения радиоактивных элементов многие вещества претерпевают большие изменения, меняют свои свойства и состав. Одни из них разлагаются, другие, наоборот, полимеризуются (молекулы их соединяются). Вода, например, под действием излучения разлагается на водород и кислород. Большинство органических соединений разлагается с выделением водорода, углекислого газа и окиси углерода. Некоторые вещества претерпевают такие превращения, в результате которых получаются пластические материалы. Под действием излучения меняются свойства известных нам веществ, например, меняется пластичность каучука. В настоящее время предполагают, что нефть образовалась в природе в результате действия излучения природных радиоактивных элементов на органические кислоты.
      Эти факты сулят исследователям большие возможности по использованию излучения радиоактивных веществ в целях их превращения, в целях создания способов получения новых материалов и изменения свойств старых.
     
      ЗАКЛЮЧЕНИЕ
     
      Радиоактивные элементы в последние годы в нашей стране находят все более и более широкое применение в науке, медицине и технике. В этой книге описаны лишь наиболее простые примеры мирного использования радиоактивных элементов. Радиоактивные элементы должны стать другом человека, помочь ему в создании материальных и духовных ценностей. Но нельзя забывать, что они могут сделаться в руках поджигателей войны величайшим бичом человечества. Нельзя забывать и о том, что мирное использование атомной энергии само по себе не может устранить угрозы ее военного использования, так как ядерный реактор дает одновременно электроэнергию и атомное взрывчатое вещество. Только запрещение применения атомного оружия и установление строгого международного контроля за соблюдением этого запрещения могут дать возможность полноценного использования атомной энергии в мирных целях.