Юрий Фиалков - Свет невидимого
В последних фразах выражена «соль» активационного анализа, которая, однако, далеко не исчерпывает всех его возможностей и преимуществ.
Доведенная едва ли не до пределов возможного чувствительность приборов по измерению радиоактивности дает химикам возможность обнаруживать в анализируемых образцах настолько малые примеси посторонних элементов, что и эпитет к слову «примесь» подобрать, честно говоря, трудно.
В таблице, где приводятся данные по минимальным количествам различных элементов, которые могут быть обнаружены с помощью активационного анализа, против мышьяка значится 5·10-11 г. на грамм исследуемого образца. Пять стомиллиардных грамма на грамм образца! Поверьте, что восклицательный знак в последней фразе я поставил не зря. Ни один иной метод анализа, а современная аналитическая химия насчитывает их не один десяток, не может не только сравниться по чувствительности с радиоактивационным анализом, но даже и стать рядом с ним. Ведь если предположить, что химик решится проанализировать вещество с таким содержанием мышьяка обычным, традиционным способом и сможет полностью выделить мышьяк из анализируемого образца, то для того, чтобы ничтожно слабо качнулись стрелки аналитических весов, на чашу которых он положит выделенный мышьяк, ему надо будет взять для переработки и выделения мышьяка… 10 (десять!) тонн (тонн!) исследуемого образца.
Понятно теперь, почему вспоминался атомный реактор в истории с раскрытием обстоятельств смерти Наполеона?
В волосах давно скончавшегося императора следовало отыскать мышьяк, накапливающийся там при поступлении этого яда в организм человека. Но это только так говорится — «накапливающийся». О «накоплении» здесь можно вести речь лишь в том смысле, что в волосах человека, отравленного мышьяком, этого элемента больше, чем в волосах человека, не вкусившего этого сомнительного продукта. А слово «больше» означает в данном случае одну миллионную долю процента, а скорее всего, и того меньше. Но такое малое содержание этого элемента в исследуемом образце, как мы видели, для радиоактивационного анализа не помеха.
Помещая волосы из негустой шевелюры Наполеона в ядерный реактор и облучая их там нейтронами, исследователи превратили обычный мышьяк в его радиоактивный изотоп и по интенсивности излучения определили содержание искомого элемента, а определив, пришли к выводу об обстоятельствах смерти человека, который сумел покорить почти всю Европу, но кончил плохо — задолго до того, как его решили отправить на тот свет с помощью опробованного веками средства…
Эта с детективным привкусом история о Наполеоне понадобилась мне для «затравки» разговора о радиоактивационном анализе. В подавляющем же большинстве случаев этот метод анализа находит гораздо более прозаическое, но зато и более полезное применение.
Сегодня чистые и сверхчистые вещества применяются во многих областях науки и техники. Достаточно назвать лишь одну область их применения — полупроводники, чтобы важность проблемы сверхчистых веществ стала очевидной.
Но далеко не все знают, чего стоит химикам получить материалы, которые могут быть использованы для полупроводников. Вот хотя бы такой распространенный полупроводниковый материал, как германий. Отличный полупроводник, но прибавьте к нему ничтожную примесь некоторых элементов — и его полупроводниковые свойства станут значительно хуже, а то и вовсе исчезнут. Эти примеси «убивают» полупроводник, как убивает человека цианистый калий. Пример этот тем более уместен, что и в том, и в другом случае для рокового исхода необходимо очень малое количество яда.
Впрочем, для германия «яда» нужно гораздо меньше. Человек погибает от доз цианистого калия весом приблизительно в одну десятую долю грамма. Полупроводниковые свойства германия «убивает» примесь сурьмы в два атома на… тысячу миллиардов атомов германия.
Для того чтобы обезвредить врага, надо его выследить. Попробуйте отыскать злоумышленника, если он затерялся среди миллиардов людей, живущих на Земле. И может с равным успехом находиться на Аляске или в Сингапуре, в Лхасе и в Сиднее. Полагаю, что от подобных заведомо безуспешных поисков отказался бы и знаменитый Шерлок Холмс, даже если бы его помощником был не простодушный Ватсон, а видящий на две сажени в глубь человеческой психики Мегрэ.
Но радиоактивный анализ позволяет любому химику стать куда более проницательным, чем прославленному английскому детективу.
Химик при этом использует различное отношение германия и сурьмы к нейтронам. В то время как германий пропускает мимо себя нейтроны, испытывая к ним глубокое равнодушие, сурьма жадно захватывает каждый нейтрон, попавший в ее владения. Вот почему при облучении потоком нейтронов образца германия, содержащего примесь сурьмы, преимущественно радиоактивными становятся атомы именно примеси.
Если же некоторая часть германия тоже станет радиоактивной — не беда! Период полураспада образующегося при этом искусственного радиоактивного изотопа германия немногим больше суток. Искусственный же радиоактивный изотоп сурьмы распадается наполовину почти за 100 дней. Можно поэтому выждать немного, пока распадется весь радиоактивный германий, и ничто уже не помешает измерить радиоактивность сурьмы.
Таким образом, при облучении нейтронами ничтожнейшая примесь сурьмы к германию выдаст себя с неизбежностью. Ну, а если враг обнаружен, половина дела сделана.
О радиоактивационном анализе можно рассказывать много, и такой разговор будет неизменно поучительным, потому что приложения этого метода анализа, основанного на наведенной радиоактивности, многообразны и разносторонни. Поэтому, вспомнив, что мы покинули начальника цеха на металлургическом комбинате и заведующую цеховой лабораторией в разгар конфликта между ними, попробуем наладить психологический климат в этом коллективе.
При облучении вещества нейтронами активируется, конечно, не один определенный элемент, а большинство элементов, составляющих массу исследуемого образца. Как ни странно, это обстоятельство играет на руку методу активационного анализа. Дело в том, что каждый радиоактивный элемент испускает лучи строго определенной энергии. Энергия, которую несут на себе кванты гамма-лучей радиоактивного кобальта, отличается от энергии лучей радиоактивного цезия.
Физики разработали устройства, которые называются многоканальными анализаторами. Канал — это счетчик радиоактивного излучения, регистрирующий кванты строго определенной энергии, иными словами, каждый канал регистрирует излучение только одного радиоактивного элемента. И если вам предстоит проанализировать металлический сплав, состоящий даже из 15 компонентов, — не беда. Нейтроны активируют все 15 металлов, а затем многоканальный анализатор разложит «по полочкам» излучение от каждого из элементов и сообщит вам результаты анализа, напечатанные красивым шрифтом на перфорационной ленте. И все это за несколько минут.
Для того, чтобы осуществить активационный анализ, нет нужды прибегать к ядерному реактору, что очень важно — ведь не будешь строить это громоздкое и дорогое устройство в каждом цехе. Давно придуман еще один, так сказать, нерадиоактивный, метод добычи нейтронов. Это особые лампы, заполненные тритием — сверхтяжелым изотопом водорода с массовым числом 3. Понятно, что в ядрах трития имеется явный избыток нейтронов (ядро атома водорода состоит из одного протона; в тяжелом водороде — дейтерии — на каждый протон приходится по одному нейтрону, а в тритии на один протон — по два нейтрона). Вот почему если разогнать ион трития в магнитном поле, а затем направить его на какую-нибудь преграду, то при последующем соударении из трития, как семечки из спелого арбуза, брызнут нейтроны.
Тритиевые лампы невелики, недороги и просты в обращении, а для широкого распространения их в промышленности — это обстоятельство немаловажное.
От выявления причин смерти Наполеона до анализа полупроводников и металлических сплавов — таков диапазон применения радиоактивационного анализа. Удивительно? После всего рассказанного — вряд ли. А может быть, все же удивительно?
* * *
На нескольких страницах будет рассказано о меченых атомах, о том, как, кто и чем их пометил. Всего на нескольких страницах. А интересного и поучительного здесь столько, что можно было бы посвятить меченым атомам целую книгу. Собственно, такие книги уже написаны. И не одна. Жаль, правда, что эти книги адресованы, главным образом, специалистам. Но даже из того, о чем здесь будет рассказано, пусть и без подробностей, станет очевидным, что меченые атомы принесли современной науке очень многое.
* * *Пожилые профессора, поднаторевшие во всякого рода заседаниях и дискуссиях, знали: если начинается спор о реакции этерификации, можно уходить. Вот почему, когда после очередного научного доклада кто-нибудь из сотрудников произносил сакраментальное выражение «механизм реакции этерификации», добрая половина аудитории покидала свои места и направлялась к выходу. При этом на лицах выходящих было написано: «И охота же людям терять время попусту!»
