Юрий Фиалков - Свет невидимого
Быть может, в моих словах не содержится достаточной почтительности к испытанным и верным солдатам — ветеранам ядерной физики: альфа-частице и протону. Но полагаю, они меня извинят. Извинят, потому что сами признают свою малую эффективность для получения сколь-нибудь больших количеств искусственных элементов.
В самом деле, представим себе, как происходит обстрел атомных ядер этими снарядами. Вот летит нацеленная в ядро положительно заряженная альфа-частица. Первое препятствие на ее пути — электронная оболочка атома: каждый из вращающихся вокруг ядра электронов, притягиваясь (закон Кулона!) к ядерному снаряду — альфа-частице, — урывает свою долю ее энергии движения.
Прорвавшись через ограду, воздвигнутую электронами, альфа-частица продолжает путь к ядру уже значительно менее резво, чем прежде. Однако главные испытания альфа-частицы еще предстоят — ведь мишень, в которую она направлена, атомное ядро, заряжена так же, как и снаряд — положительно. И поэтому мишень всеми силами отталкивает летящий в нее снаряд. Отталкивание может быть настолько сильным, что снаряд подходит к цели, совсем потеряв скорость. Понятно, что ядерная реакция при этом произойти не может.
Но случается подчас и совсем неожиданное: подойдя к ядру, альфа-частица разворачивается и летит в обратном направлении (энергия отталкивания значительно превысила энергию, с которой альфа-частица подлетала к ядру). Не сомневаюсь, что такие снаряды смутили бы самого отважного из артиллеристов.
Однако физикам не приходится ни смущаться, ни унывать: они сконструировали ускорители, в которых ядерные снаряды разгонялись до таких скоростей, что без труда преодолевали все кулоновские преграды — и электроны, и ядра.
В начале 30-х годов был открыт превосходный снаряд для целей ядерной бомбардировки — нейтрон. Не обладая никаким зарядом, он с полным равнодушием проходит через рой суетящихся вокруг ядра электронов, невозмутимо приближается к ядру и так же спокойно внедряется в него, увеличивая его атомную массу на единицу. При этом энергия ядра, естественно, увеличивается, и это становится причиной его последующей радиоактивности.
Радиоактивности — в этом все дело. Потому что при ядерных реакциях, в частности реакциях с участием нейтронов, образуются искусственные радиоактивные изотопы химических элементов.
Впрочем, сдается, я несколько идеализировал свойства нейтрона как ядерного снаряда. Чтобы осуществилась ядерная реакция, нейтрон все же должен двигаться с хорошей скоростью, иначе при столкновении с ядром он не внедрится в него, а отскочит, подобно теннисному мячику. Поэтому нередко нейтронам необходимо для целей ядерной бомбардировки сообщать энергию, и притом довольно значительную. Значит, и нейтроны следует разгонять в ускорит… Стоп, нейтроны ведь в ускорителях не разгонишь! Оно и понятно: нейтроны не заряжены и поэтому не реагируют на внешнее электрическое поле.
Вот почему физики должны были изыскивать какие-то способы ускорения нейтронов. Один из них был найден достаточно быстро. Я бы назвал этот способ биллиардным. Не претендую на то, чтобы это определение вошло в учебники, но суть дела оно все-таки передает.
Берут сплав какого-либо естественного радиоактивного элемента, испускающего альфа-частицы (например, радия или полония), с бериллием — элементом, ядра атомов которого богаты нейтронами. Альфа-частицы, ударяясь о ядра бериллия (а вылетают альфа-частицы из ядер атомов радия либо полония со скоростью около 15 тысяч километров в секунду — об этом уже упоминалось в одной из предыдущих глав), выбивают из них нейтроны, которые при этом также приобретают солидную скорость.
Но много нейтронов, или прибегая к терминологии физиков, солидный поток нейтронов таким способом не получить. Радий — один из редчайших элементов, полоний — и вовсе экзотика. Для лабораторных экспериментов подобные источники нейтронов еще годятся, но для промышленного получения искусственных радиоактивных изотопов конечно же нет.
Теперь понятно, почему химики сочли такими благодатными возможности, которые представили им ядерные реакторы. При делении урана в реакторах высвобождается громадное количество нейтронов. Даже в сравнительно небольших по размеру атомных реакторах через квадратный сантиметр его сечения проходят за секунду десятки, а то и сотни миллиардов нейтронов.
Достаточно поместить в реактор (либо в специальную камеру, куда отводятся нейтроны) какой-либо элемент, как в большинстве случаев, спустя определенное время, образуется искусственный радиоактивный изотоп этого элемента.
* * *
Сейчас трудно назвать область человеческой деятельности, куда в той или иной мере не проник химический анализ. Анализируют пищевые продукты, прежде чем отправить их потребителям; анализируют лекарства, прежде чем предложить их больному; анализируют воздух в шахте, прежде чем разрешить шахтерам спуск под землю; анализируют духи и серную кислоту, металлические сплавы и мороженое, воду для бассейнов и гранит для памятников. И почти всегда химикам нужно определять малые и даже сверхмалые примеси «чего-то» к «чему-то другому, основному». И главное, проводить это определение быстро. Очень быстро. И еще быстрей.
* * *Достаточно одного примера. Металлургический завод. Идет плавка, и надо знать, когда ее завершать — в полной ли мере прошли все химические процессы, в результате которых образуется металл; все ли и в необходимом ли соотношении компоненты присутствуют в готовом металле и еще многое другое, о чем подробно повествуют специальные учебники и монографии.
Решающее слово о готовности металла на заводах вопреки распространенному в литературе и кинематографе средней руки штампу принадлежит не усатому сталевару, а молоденькой лаборантке из цеховой контрольно-аналитической лаборатории. Именно она, отобрав пробу металла, относит ее в лабораторию, откуда через … минут поступает решение: металл готов, необходимо добавить молибден и т. п.
Точки перед словом «минуты» в предыдущем абзаце поставлены намеренно. Потому что число перед этим словом кажется производственникам непомерно большим, а химикам — жалко мизерным.
Правы и те, и другие. Металлургам необходимо знать содержание в сплаве 8–10 элементов, а нередко — и больше. Химики же должны провести анализ сплава, причем по каждому из компонентов; причем с должной точностью; причем как можно быстрее. Последнее требование особенно драматично. Пока не выдан анализ, металлурги не могут выпускать жидкий сплав. А ведь за это время можно было бы начать новую плавку.
— И вообще химическая лаборатория держит меня за горло! — с трагедийными интонациями любит говаривать на производственных совещаниях начальник цеха. При этих словах все присутствующие неизменно оборачиваются и осуждающе сурово смотрят на заведующую химлабораторией, худенькую девчушку, закончившую университет в прошлом году и умудрившуюся воздействовать на самого начальника цеха.
Завершает свою обличительную речь начальник цеха, как правило, требованием, чтобы химики, наконец, взяли обязательства проводить свои анализы быстрее.
Выступление заведующей лабораторией воспринимается как неприкрытое намерение безответственно оправдаться.
— Химический анализ основан на реакциях, скорость которых зависит от природы участвующих в них веществ, — начинает свою речь заведующая лабораторией, пытаясь этой непреложной истиной воздействовать на разгневанных металлургов. Но потом не выдерживает и срывается: — Что я могу сделать, если реакции не хотят идти быстрее?
Над этим риторическим вопросом задумывалась не только героиня нашего маленького рассказа, но и размышлял каждый из химиков, имевших отношение к химическому анализу. И именно поэтому известия о том, что облучение нейтронами приводит к образованию искусственных радиоактивных изотопов, вызвали у них повышенный интерес.
Идея метода анализа, основанного на образовании радиоизотопов при облучении нейтронами — радиоактивационного, или просто активационного анализа, — достаточно проста. Пусть в исследуемом веществе имеется в качестве составной части или примеси какой-либо элемент, содержание которого требуется узнать. Образец подвергается облучению нейтронами, активации, определяемый элемент превращается в соответствующий радиоактивный изотоп, причем уровень наведенной радиоактивности будет тем выше, чем больше этого элемента в исследуемом образце. И поэтому сложные химические манипуляции: растворение, взвешивание, фильтрование, упаривание и т. п. — можно заменить всего одной операцией — измерением радиоактивности. А это свойство, как мы помним, определяется быстро и, главное, точно.
