Радиоактивные изотопы и их применение

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.

Изотопный анализ. Чтобы найти содержание того или иного элемента или вещества в смеси, необходимо провести химическое отделение этого вещества или элемента в виде какого-либо известного соединения в чистом виде. Эта задача в ряде случаев является невыполнимой или очень трудно выполнимой.

Если из сложной смеси удается выделить все интересующие исследователя вещества, то оно выделяется загрязненным другим веществом, сходным с ним по свойствам. Если выделяют чистое вещество, то не удается его выделить без потерь. Благодаря этому определение количества вещества оказывается затрудненным. Меченые атомы помогают решить эту задачу.

Представим себе, что необходимо провести определение содержания металла рубидия в его руде. Полное выделение рубидия из руды практически невозможно. Однако несложно выделить из руды небольшую часть рубидия в виде чистой соли. Для анализа изотопным методом возьмем определенное весовое количество руды, растворим ее в кислоте, добавим к раствору определенное весовое количество соли рубидия, содержащее известное количество радиоактивного изотопа рубидия. Добавленный рубидий смешается с тем, который был в растворе. При этом доля радиоактивных атомов рубидия в растворе уменьшится во столько раз, во сколько раз рубидия в растворе стало больше, чем было добавлено. Далее химическим путем выделим из раствора небольшое количество чистой рубидиевой соли и определим вес выделенного рубидия и относительное содержание радиоактивного изотопа. Для этого определим с помощью счетчика, какое количество отсчетов дает миллиграмм выделенной рубидиевой соли. Разделив эту величину на число отсчетов, которое давал миллиграмм рубидиевой соли, добавленной к раствору, и умножив на количество добавленной соли, получим содержание рубидиевой соли в растворе после добавления. Отсюда, вычтя количество добавленной соли, нетрудно найти содержание рубидия во взятом растворе и, следовательно, в руде.

Активационный анализ. Перед вами несколько брусков стали, среди которых имеются образцы марганцовой стали. Можно ли отличить эти образцы, не прибегая к химическому анализу?

Да, можно, используя радиоактивные атомы.

Если образцы облучить нейтронами, то атомы элементов, входящих в состав стали, будут поглощать нейтроны, образуя радиоактивные элементы. Но не все атомы одинаково легко вступают в подобную реакцию. Атомы марганца, 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 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 облучения тем больше, чем больше марганца в стали. Следовательно, можно не только ответить на вопрос о том, какой образец стали является марганцовой сталью, но и определить количество марганца в стали. 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).

Активационный анализ применяется тогда, когда нужно определить малые количества примесей в чистых металлах или быстро установить состав сложной смеси.

Особенно легко активационным анализом определить содержание редкоземельных элементов, так как они обладают очень большой способностью к поглощению нейтронов. Например, европий и гольмий могут быть определены в количествах до 10-11 грамма на грамм вещества. Определение же редкоземельных элементов в таких материалах, как графит, висмут, свинец и т. п., употребляемых в современной атомной промышленности, очень важно, так как редкоземельные элементы нарушают правильное течение процессов в ядерном реакторе.

Редкоземельными элементами называют 15 родственных по своим химическим свойствам металлов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. В периодической системе Д. И. Менделеева эти химические элементы имеют порядковые номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций). Иногда к редкоземельным элементам относят также иттрий и (реже) скандий.

Название редкоземельные элементы, или элементы редких земель, устарело. В действительности многие из редкоземельных элементов, такие как церий, лантан, неодим, по своей распространенности в природе превосходят хорошо известные элементы, играющие большую роль в технике. Долгое время редкоземельные элементы находили применение лишь в виде смеси. В последнее время произошли коренные сдвиги в использовании этих элементов. В настоящее время установлены новые области их использования в промышленности. Четко наметилось индивидуальное применение отдельных металлов этой группы.

В свободном состоянии редкоземельные элементы — это металлы, быстро тускнеющие на воздухе. Воду они разлагают на холоде медленно, а при нагревании — быстрее. Они очень активны и способны непосредственно взаимодействовать с кислородом, водородом, азотом и другими неметаллами. Редкоземельные элементы легко сплавляются с большинством металлов. Многие из сплавов редкоземельных элементов при трении дают раскаленные искры, что находит практическое применение. Окислы редкоземельных элементов применяются для обесцвечивания, окрашивания и изготовления оптических и других стекол и для окрашивания фарфора. Их окислы применяются также как абразивы для полировки оптических стекол.

Добавление редкоземельных элементов улучшает пластичность, структуру, ударную вязкость и другие свойства сталей, увеличивает жаропрочность нихрома, улучшает свойства алюминия и магния. Стекла с церием не темнеют под действием излучения радиоактивных элементов. Вот почему в ядерных реакторах цериевые стекла употребляются для защиты обслуживающего персонала от вредного действия радиации.

Гадолиний, самарий, прометий, европий и диспрозий активно поглощают медленные нейтроны. Этим элементам, особенно гадолинию, предсказывается большое будущее в ядерных реакторах на самолетах и подводных лодках, где важное значение имеет экономия объема и веса.

В настоящее время использование редкоземельных элементов открывает новые возможности для техники, медицины, геологии и многих других областей.

Изучение катализаторов. 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 неизменной. Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами остаются химически неизменными, называются катализаторами.

Процессов, происходящих с участием катализаторов, известно чрезвычайно много. Бóльшая часть химической промышленности работает, используя катализаторы. Реакции получения аммиака, азотной кислоты и многих других веществ протекают 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 слаборадиоактивными. Следовательно, карбид железа не участвует 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.

Изотопы в хроматографии. 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 разделение смеси на отдельные вещества. Из колонки последовательно вытекают растворы чистых веществ. Этот метод разделения был разработан в 1903 г. 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, в частности, условия разделения близких по своим свойствам редкоземельных элементов.

Как протекает химическая реакция. Течение химической реакции или, как говорят химики, механизм химической реакции совершенно необходимо знать для управления ею и для построения технологии получения тех или иных химических продуктов.

Механизм химических реакций можно изучать при помощи меченых атомов. Простейшим примером является окисление ряда органических кислот, при котором образуется углекислота, но этот процесс идет в различных условиях по-разному. Если получить пропионовую кислоту, в состав которой введен радиоактивный углерод, то в кислой среде при окислении выделяется радиоактивный углекислый газ, а в щелочной среде — нерадиоактивный.

В первом случае углекислый газ получается за счет углеродного атома Ⅲ (см. схему), а во втором случае — за счет окисления углеродного атома I.

В этих формулах черточки, соединяющие символы атомов, обозначают химические связи между атомами.

Вторым примером исследований механизма химических процессов методом меченых атомов может послужить окисление этилена на катализаторе, в качестве которого взято серебро.

Продуктами этой практически важной реакции являются окись этилена и углекислый газ. Не было ясно: образуется ли углекислый газ непосредственно из этилена или в результате окисления окиси этилена? Для проверки этого к смеси этилена и окиси этилена был добавлен этилен, содержащий радиоактивный углерод. Проводилось наблюдение за ростом радиоактивности окиси этилена и углекислого газа, пробы которых отбирались от смеси, разделялись и просчитывались на счетчике. Если бы реакция получения углекислого газа шла через образование окиси этилена, то активность единицы веса окиси этилена возрастала бы быстрее, чем активность единицы веса углекислого газа. Однако на самом деле активность углекислого газа возрастает быстрее, чем активность окиси этилена, что ясно показывает образование углекислого газа непосредственно из этилена.

Мы привели лишь простейшие примеры изучения механизма химических реакций методом меченых атомов. Таких работ можно найти сотни, и значение их трудно переоценить.

5. Меченые атомы в археологии

Метод меченых атомов проникает во все новые и новые области науки. Даже в такой науке, как археология, меченые атомы помогают определять возраст раскопок.

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 протоны, нейтроны, электроны, позитроны и мезоны. Мезоны — частицы с массой, в сотни раз большей, чем масса 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 5570 годам. Этот процесс происходит в земной атмосфере в огромных масштабах.

Космические лучи идут из мирового пространства и днем, и ночью, и зимой, и летом. Интенсивность космических лучей заметно 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 из него, воды и других веществ получаются углеводы, жиры и белки. 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 недавно полученной клетчатки, взятого из любого растения, содержится одно и то же количество атомов радиоактивного углерода, а именно, около 75 миллиардов атомов вне зависимости от того, что это за растение и где оно произрастает.

Из 75 миллиардов атомов радиоактивного углерода за две минуты распадается только 17 атомов (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 11440 и 5720 тысяч лет назад, на один грамм углерода приходится такое количество радиоактивного углерода, которое дает 170 и 340 распадов за 40 минут, а грамм углерода из образца свежесрезанного дерева дает 680 распадов за тот же промежуток времени. Таким путем был определен возраст целого ряда образцов дерева, найденных при проведении раскопок.

Описанным методом можно определить возраст пород, заключающих в себе соединения углерода, которые образовались в результате отмирания растений или животных, если их 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.

6. Меченые атомы в геологии

Исследование истории образования земли и горных пород, залежей и минералов, изучение богатств недр нашей планеты — вот те необъятные задачи, которые входят в предмет изучения геологии.

Меченые атомы нашли большое применение в исследованиях геологов. В этом разделе будет рассказано о применении радиоактивных изотопов в геологии.

Геологические часы. Радиоактивные атомы могут быть использованы 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 рис. 5. Дальнейший распад приводит к образованию устойчивого изотопа свинца. Другой изотоп урана — уран 235 (актиноуран) не связан с рядом урана 238, но также в результате ряда превращений переходит в свинец.

Соотношение количества изотопов в природном уране, а следовательно, и в урановой руде соответствует 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, природная смесь урана, находящаяся в настоящее время в земной коре, получилась из урана 238 и 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 1,1∙10-7 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.

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 опустить ионизационную камеру, соединенную с прибором, записывающим активность, то можно обнаружить залегание минералов, содержащих радиоактивные элементы уран, торий, калий и др. (рис. 20).

Рис. 20. Схема прибора для поисков радиоактивных минералов:

а — разрез скважины; 1 — счетчик; 2 — регистрирующий прибор; б — график изменения активности по мере спускания счетчика в скважину

Исследования показали, что глины, сланцы и фосфорные известняки обладают высокой радиоактивностью, а каменный уголь, песчаные образования и известняки, в которых может быть нефть, и газы — 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 полония и бериллия. Альфа-лучи полония взаимодействуют с бериллием с образованием нейтронов. Источник нейтронов подвешивается снизу счетчика гамма-лучей и изолируется от его излучения. Счетчик регистрирует гамма-лучи, получающиеся при взаимодействии нейтронов с элементами породы. При взаимодействии нейтронов с большинством химических элементов происходит их захват с испусканием гамма-лучей, происходят так называемые n, γ-реакции. Эти реакции сопровождаются образованием радиоактивных изотопов. Последние при распаде также испускают гамма-лучи. Ядерные реакции захвата нейтронов зависят от состава породы, через которую проходит источник нейтронов. В пористых породах, содержащих нефть, наведенная гамма-радиоактивность будет низкой, в плотных рудных породах — высокой. Нейтронным гамма-корротажем можно, следовательно, искать нефть, руды многих элементов, особенно таких как бор, марганец, вольфрам, ртуть, редкоземельные и другие элементы, сильно взаимодействующие с нейтронами. Радиоактивные изотопы нашли широкое применение в нефтяной промышленности при бурении скважин.

Для определения местоположения в скважине пористых пород, в которых можно ожидать скопления нефти и газа, при бурении употребляют раствор, содержащий некоторое количество радиоактивного изотопа натрия. Раствор накачивается в скважину и проникает в пористые легкопроницаемые породы. В этом случае при опускании в скважину счетчика повышение радиоактивности будет соответствовать пористым, легкопроницаемым породам.

Радиоактивные изотопы позволили обнаружить нефтяные пласты в толще пермских отложений, найти продуктивные горизонты среди толщи известняков и доломитов ряда нефтяных месторождений. При помощи радиоактивных изотопов удалось ввести в действие много заброшенных скважин Апшеронского полуострова и улучшить буровую разведку нефти и другого ценного сырья.

7. Меченые атомы в металловедении и металлургии

За последние годы меченые атомы нашли большое применение в металлургии и металловедении. Исследование процессов выплавки металлов и изучение свойств сплавов металлов широко проводится с применением радиоактивных изотопов. Это легко понять из описанных ниже примеров.

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.

Для этой цели ампула с радиоактивным газом радоном вводилась в фурму доменной печи. В определенный момент ампула взрывалась и радон вместе с воздухом поступал в домну. Пробы газа, начиная с момента введения радона в печь, отбирались в колошнике доменной печи на различных расстояниях от стенок. Радиоактивность проб газа измерялась с помощью счетчика. Таким образом устанавливалось время, а следовательно, и скорость прохождения газов в доменной печи в разных ее сечениях. Этим путем было установлено, что скорость движения газов у стенок печи больше, чем в ее центре.

Как ведут себя атомы в твердых телах. Атомы в твердых телах, так же как в жидкостях и газах, 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 из одного куска золота во второй и тем глубже, чем дольше они соприкасаются и чем сильнее нагреты. За этим легко проследить, счищая с куска золота небольшие слои и измеряя радиоактивность полученных опилок счетчиком.

Следовательно, атомы в металлах также способны к диффузии или, как принято называть этот процесс, к самодиффузии. Но диффузия в твердых телах происходит гораздо медленнее, чем в жидкостях и газах.

Металлургам очень важно знать скорость диффузии различных атомов в сплавах, так как сплав меняет свои свойства, если составляющие его атомы изменяют взаимное расположение.

Советскими учеными за последние годы разработан ряд методов измерения скорости диффузии металлов в твердом состоянии. Эти методы основаны на использовании радиоактивных изотопов. Один из методов заключается в следующем. На исследуемый металл путем электролиза наносится тонкий слой металла, содержащего радиоактивный изотоп. Металл подвергается в печи отжигу при определенной температуре заданное время. В результате диффузии атомы радиоактивного изотопа проникают внутрь металла. Чем глубже мы будем удаляться от поверхности металла, тем меньше должно быть там радиоактивного изотопа. Для определения содержания радиоактивного изотопа на разных глубинах в металле, с его поверхности электролитическим методом снимают тонкие слои металла, сначала один, затем второй такой же слой, третий и т. д. Для этой цели пластинку металла присоединяют к положительному электроду источника постоянного тока и опускают в раствор кислоты. При пропускании тока определенной силы в течение определенного времени происходит растворение пластинки и снятие с нее слоя определенной толщины. Далее определяют радиоактивность каждого снятого слоя, выделяя растворенный металл химическим путем и измеряя радиоактивность на счетчике. На основании полученных данных вычисляют скорость диффузии.

Другой метод заключается в том, что по мере отжига пластинки металла с нанесенным на нее слоем радиоактивного металла радиоактивность, измеренная сначала со стороны, на которую был нанесен слой радиоактивного металла, а затем с противоположной, будет меняться. Радиоактивность стороны, на которую был нанесен слой радиоактивного металла, будет уменьшаться, а противоположной стороны — увеличиваться вследствие того, что радиоактивные атомы будут проникать вглубь, и излучение, идущее с лицевой стороны, будет поглощаться в слое металла. Излучение же, идущее с противоположной стороны пластинки, будет расти, так как слой металла, препятствующий прохождению бета-лучей, по мере проникновения изотопа внутрь пластинки будет уменьшаться. Данные измерения радиоактивности обеих сторон пластинки со временем при постоянной температуре дают возможность вычислить скорость диффузии.

В помощь металловедам. С диффузией в твердом состоянии связаны многие свойства сплавов металлов.

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 нагреем сталь, а затем медленно охладим. От этого она станет более мягкой. Повторим радиографирование. Новый снимок покажет уже иное расположение атомов радиоактивного углерода в куске.

С течением времени атомы углерода в куске стали перемещаются. 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 рис. 21 дан радиоавтограф стали, содержащей большое количество радиоактивного фосфора (белые пятна).

Рис. 21. Радиоавтограф стали, богатой фосфором (позитив увеличен в 60 раз). Фосфор радиоактивен

Изучение металлургических процессов. 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.