От рентгеновской трубки до синхрофазотрона

Еще долгое время после открытия рентгеновских лучей и явления радиоактивности рентгеновская трубка и естественно радиоактивные вещества, встречающиеся в природе в относительно небольших количествах, были единственными источниками ионизирующих излучений. Получение радиоактивных элементов сопровождалось значительными трудностями и большими затратами.

Для получения одного грамма радия требовалось добыть и переработать 3 т урановой соли. Не удивительно поэтому, что радий стоил чрезвычайно дорого и приобретать даже небольшие количества его могли только наиболее богатые учреждения. Общее количество добытого во всем мире радия не превышало 1 кг.

Поэтому с радиоактивными элементами и излучениями сталкивалось очень небольшое количество лиц. Защита от излучений, с которыми приходилось иметь дело, не представляла особых трудностей - количества радиоактивных элементов были невелики, а энергия рентгеновских лучей не превышала 200 - 300 кэв.

Это продолжалось до середины 30-х годов, пока не научились получать радиоактивные изотопы искусственным путем и не началось строительство мощных ускорительных установок, дающих излучения высоких энергий.

В настоящее время большинство радиоактивных изотопов получают искусственным путем. Это не только обходится во много раз дешевле, но и позволяет значительно расширить круг применяемых изотопов - ведь в природе встречается только небольшое количество радиоактивных элементов.

Искусственное получение радиоактивных элементов стало возможным после того, как люди научились проводить такие реакции, в которых принимают участие ядра атомов.

При обычных химических реакциях взаимодействуют только электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов. Эти взаимодействия не касаются ядер атомов. Поэтому химическим путем невозможно решить ту задачу, которую в течение ряда столетий пытались решить алхимики древности и средневековья - превратить один элемент в другой.

Особенность радиоактивного распада в том, что, как уже говорилось выше, никакие внешние причины не могут заметно повлиять на его скорость. Причина этого заключается в очень большой величине ядерных сил. Чтобы освободить ядерную частицу из ядра, нужно затратить энергию в миллионы электрон-вольт, В то же время энергия, освобождаемая в результате, например, химических реакций, не превышает 3 - 4 эв. Поэтому то количество энергии, которое принимает участие в обычных химических и физических процессах, может воздействовать на электронную оболочку, но его недостаточно, чтобы повлиять на ядро атома.

В 1919 г. английскому физику Резерфорду впервые удалось показать, что стабильные ядра могут быть разрушены, если в качестве снарядов для бомбардировки ядер использовать излучаемые радиоактивными элементами альфа-частицы, обладающие энергией 3 - 5 млн. эв, Бомбардируя азот быстрыми альфа-частицами, Резер-форд превратил азот в изотоп кислорода с атомной массой 17. Эту реакцию, называемую ядерной, так как в ней принимают участие ядра атомов, можно представить в следующем виде:

Открытие ядерных реакций доказало возможность превращения одних элементов в другие. Первое время, однако, такие превращения ограничивались ядрами наиболее легких элементов.

В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, проводя эксперименты с бомбардировкой алюминия альфа-частицами, впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора. Это открытие имело огромное значение, дав в руки ученым удобный способ получения радиоактивных изотопов любых элементов.

Однако альфа-частицы естественных радиоактивных элементов малоудобны для подобных экспериментов, так как их энергии достаточно для внедрения только в ядра атомов легких элементов, имеющих небольшой заряд ядра. Ядра тяжелых элементов имеют большой положительный заряд, поэтому они сильно препятствуют проникновению в них положительно заряженных альфа-частиц. Кроме того, для получения значительных потоков альфа-частиц необходимо большое количество естественно радиоактивных изотопов.

Для проведения ядерных реакций более перспективна бомбардировка ядер атомов протонами и дейтронами, обладающими единичным положительным зарядом. Вследствие того, что радиоактивные изотопы не испускают ни протонов, ни дейтронов, были созданы специальные приборы, в которых этим частицам сообщалось большое количество энергии. В таких приборах, получивших название циклотронов, фазотронов, синхротронов, синхрофазотронов, заряженные частицы, получая энергию в несколько миллиардов электрон-вольт, приобретают большие скорости.

Для получения искусственных радиоактивных изотопов особенно удобно применять нейтроны. Действительно, нейтроны не обладают электрическим зарядом и не подвержены силам электрического отталкивания при приближении к ядрам атомов: они беспрепятственно могут проникать в любые ядра, вплоть до самых тяжелых. Вероятность захвата нейтрона ядром зависит от времени его пребывания вблизи ядра, поэтому чем медленнее движется нейтрон, тем она больше. В результате захвата нейтрона в ядре нарушается устойчивое соотношение между протонами и нейтронами, вследствие чего атом становится радиоактивным.

Большое количество нейтронов возникает в атомных реакторах, в которых ядро изотопа урана-урана - 235 под действием нейтронов делится на два ядра с атомными номерами, близкими к 30 - 49 и 50 - 63. В процессе деления из ядра урана вылетает два-три нейтрона. Некоторые из этих нейтронов затрачиваются на поддержание цепной реакции деления ядер атомов урана, а остальные, разлетаясь в разные стороны, могут служить для активации различных материалов. В современных реакторах возникают мощные потоки нейтронов - до 10¹³ - 10¹⁵ нейтронов на 1 см² в секунду.

Реактор является удобным прибором для получения искусственно радиоактивных изотопов. В настоящее время большинство их получают на атомных реакторах. Ускорителями пользуются для получения тех изотопов, которые не могут быть получены в атомном реакторе.

Если мы посмотрим в таблицу радиоактивных изотопов, то увидим, что некоторые из них имеют очень короткий период полураспада, измеряемый минутами, а иногда даже и секундами. Такие изотопы нужно как можно быстрее извлекать из реактора. Для этой цели служит так называемая пневмопочта - специальное быстродействующее устройство, в котором давлением сжатого воздуха за 0,1 сек образец может быть введен в канал реактора либо перемещен из зоны облучения реактора в лабораторию для исследования.

За пять лет (1964 - 1968 гг.) Всесоюзная контора Изотоп поставила народному хозяйству различных искусственно радиоактивных изотопов на сумму 49 млн. рублей. В числе потребителей - свыше 500 лечебных учреждений^*.

^* ("Атомная энергия", 1969, т. 26 № 2, стр. 112.)

Итак, за каких-нибудь 30 лет мы являемся свидетелями небывалого скачка в области развития науки о радиоактивности и практического использования радиоактивных изотопов и ядерных излучений в медицине, биологии, народном хозяйстве. В миллионы раз возросло количество радиоактивных изотопов, применяемых в науке и промышленности. Возникла совершенно новая область техники - атомная энергетика. Многочисленные ядерные реакторы используются для проведения научных исследований, изготовления радиоактивных изотопов, промышленного получения электроэнергии, движения морских судов, опреснения морской воды и т. д.

Изменилась энергия частиц и квантов, с которыми работают в лабораториях. Сравним хотя бы рентгеновскую трубку начала 30-х годов, работающую при напряжении несколько сотен тысяч вольт, с современными ускорительными установками, создающими потоки частиц и квантов с энергиями порядка сотен миллионов и даже миллиардов электрон-вольт. В СССР работает крупнейший в мире Серпуховский синхрофазотрон на 70 гэв (семьдесят миллиардов электрон-вольт).

Все это привело к тому, что в настоящее время во много раз возросло количество лиц, работающих с радиоактивными изотопами и ядерными излучениями. Возникли новые серьезные задачи по изучению биологического действия различных видов излучений на человека и окружающую его природу, защите от излучений, предохранению природы от радиоактивных загрязнений.