Меченые атомы
|
| Вверху — изотопы водорода, внизу — гамма-лучи «видят» сквозь металл. |
Многие атомы окружающего нас мира имеют несколько разновидностей — изотопов. Отличаются изотопы только количеством нейтронов в их ядрах. Число протонов и, следовательно, атомный номер у них одинаковы.
Среди атомов, встречающихся в природе, только у самых тяжелых элементов да у нескольких легких изотопы радиоактивны, нестабильны. Они излучают альфа-, бета- и гамма-лучи. Но за последнее время люди научились искусственно получать радиоактивные изотопы самых разнообразных элементов. Эти искусственные изотопы широко применяются в современной науке и технике.
Фабрикой этих чудесных излучателей служат атомные реакторы. В них под действием могучего потока нейтронов из самых обычных, стабильных, нераспадающихся, атомов образуются радиоактивные. Их еще называют мечеными, так как они отличаются от своих стабильных собратьев способностью излучения. Поэтому их присутствие легко обнаружить.
С помощью радиоактивных изотопов ведутся многочисленные исследовательские работы, их применяют в самых разнообразных приборах, устройствах, широко используют в промышленности. Вот несколько характерных примеров «работы» радиоактивных изотопов.
ИЗМЕРИТЕЛИ ГЛУБИН
Стремительным потоком вырываются из атомных ядер радиоактивные излучения. В вещества особенно глубоко проникают гамма-лучи. Если мы поставим на их пути толстую пластинку металла, то они ослабеют. Возьмем пластинку еще толще — сквозь нее лучи проходят совсем плохо. А для того чтобы установить интенсивность лучей, позади пластинки помещают фотопленку. Чем больше лучей попадет на нее, тем сильнее пленка засветится. По этому можно судить о толщине металла, сквозь который прошли лучи.
Но вот перед нами интересный снимок. На фотопленке видно какое-то неоднородное пятно. В середине оно темное, по краям — светлее. А поток гамма-лучей равномерный. Очевидно, в толще металла оказалась раковина, и в ней лучи поглотились меньше. Значит, с помощью гамма-излучателей можно «заглянуть» внутрь различных тел, выяснить, однородны ли они, нет ли в них дефектов. Так был сконструирован дефектоскоп (см. ст. «Что такое дефектоскопия»), с помощью которого скрытые дефекты металла становятся явными.
Чаще всего в таких дефектоскопах применяют искусственно изготовленный источник гамма-лучей — кобальт (Со-60).
Эти приборы применяют сейчас очень широко. С их помощью просвечивают изделия на машиностроительных заводах, сварные трубы, стенки котлов, корпуса кораблей.
КОНТРОЛЬ НА ХОДУ
|
| Невидимые частицы измеряют толщину стальной ленты. |
Перед нами большая, сложная машина. Она прокатывает металл, изготовляет из него полосу толщиной всего в несколько миллиметров. Лента быстро проносится между валками. Раньше, чтобы измерить ленту, приходилось периодически останавливать прокатный стан и определять толщину ее. Теперь все измерения производятся автоматически, с помощью радиоактивных изотопов.
С одной стороны ленты укреплен излучатель, с другой — счетчик. Пока толщина проката постоянна, приборы ожидают. Но вот толщина отклонилась от нормы. Чуткий прибор тотчас же передает соответствующий сигнал машине.
Автомат изменяет расстояние между валками, и снова идет прокатываемая лента нормальной толщины. С помощью такой аппаратуры выпуск стальной ленты удалось увеличить почти в три раза!
Вот по конвейеру несутся пачки папирос. Машина так молниеносно фасует их, что человеческий глаз с трудом следит за ними. А ведь продукцию надо считать. И здесь помогают радиоактивные изотопы.
По одну сторону конвейера ставят излучатель, а по другую — счетчик. Папиросы поглощают часть лучей, и прибор сразу же отмечает это. Но он не просто считает изделия. Он активно вмешивается в работу конвейера. Стоит только замедлить темп — немедленно соответствующий сигнал пойдет на движущий механизм, и скорость движения увеличится.
Радиоактивные счетчики есть теперь на многих производствах.
Сигнал из закрытого котла
В большом закрытом котле бурлит жидкость, происходят сложнейшие химические процессы. Человек не в состоянии заглянуть внутрь, посмотреть, что же там делается. Но это с успехом могут сделать за него приборы, использующие радиоактивные изотопы. Пусть на поверхности жидкости плавает излучатель, а в крышке резервуара укреплен счетчик. Если уровень жидкости поднимется выше, излучатель переместится и счетчик тотчас же зарегистрирует это. Таким образом, все время можно будет точно знать, какова высота жидкости в котле, нет ли опасных отклонений в ее положении.
Такие уровнемеры определяют уровень металла в вагранках, положение воды в паровом котле, уровень жидкости в громадных герметических устройствах химических заводов.
|
| Так изотопы измеряют плотность жидкости. |
Подобным же способом можно измерять плотность жидкости. В целом ряде случаев химики имеют дело с различными смесями, движущимися по трубам. Нужен хороший способ контроля их плотности. Ведь химические процессы идут очень быстро, и отклонение от нормы может вызвать самые серьезные последствия.
Вспомним фотопленку, с которой мы начали наш рассказ. В зависимости от того, как поглощалось радиоактивное излучение, на ней образовывались темные пятна различной плотности. Но ведь это поглощение зависит от плотности вещества, через которое проходят лучи. Значит, изменение этой величины можно проверять в самой жидкости. Так, например, измеряют качество водяной пульпы на землесосных снарядах. Этот метод позволил значительно увеличить производительность труда.
ВРЕДНЫЕ ЗАРЯДЫ
Вы расчесываете гребенкой сухие волосы. Как они трещат! Иногда даже видно, как вспыхивают искорки. Это электрические заряды. Они образуются на всех трущихся непроводящих поверхностях. На этом явлении основано действие электрофорной машины.
Но такие заряды не всегда бывают полезны. Вот, шурша, работает текстильный станок. От трения возникают электрические заряды и скапливаются на нитях. И вдруг страшный взрыв разламывает машину, густой дым заволакивает помещение. И все это наделали как будто безобидные заряды, скопившиеся на шерстяной ткани. В воздух попали горючие газы, заряды создали искру — и вот что случилось!
Бывает и так: хочется запустить ткацкую машину быстрее, но добиться этого невозможно, потому что заряженная электричеством ткань прилипает к валу машины; кроме того, насыщенные электрическими зарядами волокна начинают отталкиваться друг от друга, ткань портится, получается брак.
И вот появился незаметный, простенький прибор — радиоактивный сниматель зарядов. Теперь заряды уже не смогут скапливаться на трущихся поверхностях, так как воздух не будет больше разъединять их — он сам станет проводящим, и электричество нейтрализуется.
В таких приборах используют альфа-излучатели. Вылетающие из радиоактивного источника альфа-частицы разбивают некоторое количество нейтральных молекул воздуха на заряженные электричеством ионы. Они проводят образующиеся в процессе работы заряды. А для рабочих легкая ионизация безвредна.
Так радиоактивные изотопы помогают бороться с коварными электрическими частичками, которые могут вызвать столько неприятностей.
Атомы сообщают
В большом закрытом котле бурлит жидкость, происходят сложнейшие химические процессы. Человек не в состоянии заглянуть внутрь, посмотреть, что же там делается. Но это с успехом могут сделать за него приборы, использующие радиоактивные изотопы. Пусть на поверхности жидкости плавает излучатель, а в крышке резервуара укреплен счетчик. Если уровень жидкости поднимется выше, излучатель переместится и счетчик тотчас же зарегистрирует это. Таким образом, все время можно будет точно знать, какова высота жидкости в котле, нет ли опасных отклонений в ее положении.
Такие уровнемеры определяют уровень металла в вагранках, положение воды в паровом котле, уровень жидкости в громадных герметических устройствах химических заводов.
|
|
| Так изотопы измеряют плотность жидкости. |
Подобным же способом можно измерять плотность жидкости. В целом ряде случаев химики имеют дело с различными смесями, движущимися по трубам. Нужен хороший способ контроля их плотности. Ведь химические процессы идут очень быстро, и отклонение от нормы может вызвать самые серьезные последствия.
Вспомним фотопленку, с которой мы начали наш рассказ. В зависимости от того, как поглощалось радиоактивное излучение, на ней образовывались темные пятна различной плотности. Но ведь это поглощение зависит от плотности вещества, через которое проходят лучи. Значит, изменение этой величины можно проверять в самой жидкости. Так, например, измеряют качество водяной пульпы на землесосных снарядах. Этот метод позволил значительно увеличить производительность труда.
ВРЕДНЫЕ ЗАРЯДЫ
Вы расчесываете гребенкой сухие волосы. Как они трещат! Иногда даже видно, как вспыхивают искорки. Это электрические заряды. Они образуются на всех трущихся непроводящих поверхностях. На этом явлении основано действие электрофорной машины.
Но такие заряды не всегда бывают полезны. Вот, шурша, работает текстильный станок. От трения возникают электрические заряды и скапливаются на нитях. И вдруг страшный взрыв разламывает машину, густой дым заволакивает помещение. И все это наделали как будто безобидные заряды, скопившиеся на шерстяной ткани. В воздух попали горючие газы, заряды создали искру — и вот что случилось!
Бывает и так: хочется запустить ткацкую машину быстрее, но добиться этого невозможно, потому что заряженная электричеством ткань прилипает к валу машины; кроме того, насыщенные электрическими зарядами волокна начинают отталкиваться друг от друга, ткань портится, получается брак.
И вот появился незаметный, простенький прибор — радиоактивный сниматель зарядов. Теперь заряды уже не смогут скапливаться на трущихся поверхностях, так как воздух не будет больше разъединять их — он сам станет проводящим, и электричество нейтрализуется.
В таких приборах используют альфа-излучатели. Вылетающие из радиоактивного источника альфа-частицы разбивают некоторое количество нейтральных молекул воздуха на заряженные электричеством ионы. Они проводят образующиеся в процессе работы заряды. А для рабочих легкая ионизация безвредна.
Так радиоактивные изотопы помогают бороться с коварными электрическими частичками, которые могут вызвать столько неприятностей.
На переднем крае
|
| Рост скоростей полета. |
Мы постоянно читаем и говорим о том, что техника идет вперед, что совершенствуются машины, а наука добивается все больших и больших успехов.
Оглянемся только на десять лет назад. За это время свершилось многое, что еще недавно казалось фантастикой. Самолеты летают быстрее звука, в аэропортах появляются все новые и новые гигантские воздушные корабли. Работает атомная электростанция, плавает атомный ледокол. С каждым годом растет число автоматических линий, в жизнь входят новые мощные двигатели, запущены искусственные спутники Земли и космические ракеты. Техника шагает вперед семимильными шагами!
Огромное значение в современной технике имеет борьба за скорость. Она идет особенно остро и упорно в авиации. В 1939 г. был установлен мировой рекорд скорости на винтовом самолете — 755 км/час. Теперь серийные машины военной авиации летают со сверхзвуковыми скоростями, а пассажирские — со скоростью до 1000 км/час.
В октябре 1959 г. в СССР установлен абсолютный мировой рекорд скорости на самолете с турбореактивным двигателем — 2504 км/час. В 1956 г. в США опытный самолет с ракетным двигателем развил скорость в 3680 км/час.
Наибольшие скорости развивают пока летательные аппараты без людей — ракеты. С их помощью были запущены первые искусственные спутники Земли, первая искусственная планета Солнечной системы, первые лунники.
Растут скорости не только летательных аппаратов, но и передвижения по суше и воде.
|
| Рост скоростей полета. |
Рекорд, установленный гоночным автомобилем,— 633 км/час. Предполагают, что в ближайшие годы он увеличится до 850 км/час — иными словами, до скорости реактивного самолета. А пятьдесят лет тому назад наибольшая скорость, которой смогли достигнуть, была 106 км/час. Электропоезд развил скорость 331 км/час. Теплоход на подводных крыльях, построенный горьковскими судостроителями, проходит свыше 100 км/час.
Скорость — один из важнейших показателей совершенства машин. Чем быстрее работает машина, тем больше продукции она дает. Поэтому машиностроители и ведут борьбу за скорость.
С каждым годом детали машин движутся все быстрее и быстрее. Газовая турбина авиационного двигателя совершает 15 — 18 тыс. об/мин. В небольших турбинах скорости доходят до 30—60 тыс. об/мин. Еще быстрее вращаются турбины, приводимые в движение силой сжатого воздуха. Здесь встречаются скорости в 100—200 тыс. об/мин. Одна такая крошечная экспериментальная турбинка установила рекорд — свыше 1 млн. об/мин. Несколько тысяч оборотов в минуту делают валы электромоторов, паровых турбин, станков.
|
| Сверху вниз: реактивный авиадвигатель; опытная газовая турбина; рекордная турбинка. |
Скорость прокатки металла на современных прокатных станах можно сравнить со скоростью тепловоза. На проволочных станах прокатка идет со скоростью 120 км/час. Новый тонколистный стан одного из наших заводов работает со скоростью 80 км/час, а другой прокатный стан — 126 км/час. С такой скоростью летает самолет По-2.
Со скоростью несколько тысяч метров в минуту обрабатываются сейчас на металлорежущих станках легкие сплавы. Сталь обрабатывают резцами из твердых сплавов со скоростью в несколько сот метров в минуту. За столетие скорости резания выросли примерно в 100 раз.
С высокими давлениями нам приходится сталкиваться в повседневной жизни, хотя мы этого зачастую и не замечаем. На конце иголки развивается давление в тысячи атмосфер, на конце гвоздя при ударе по нему молотком — десятки тысяч. Для обработки металлов применяются прессы, в которых рабочее давление равно тысячам атмосфер. Высокое — свыше тысячи атмосфер — давление помогает химикам убыстрять реакции и получать больше готовых продуктов. Благодаря им стали возможными изготовление пластмасс, извлечение азота из воздуха и многие другие производства. Опыты показали, что при сверхвысоких давлениях — свыше 100 тыс. атм — свойства различных веществ, в том числе и металлов, резко меняются. Оказалось, например, что можно изготовить вытягиванием под сверхвысоким давлением тончайшую проволоку, обладающую очень большой прочностью. Пока это явление изучается в лаборатории, но со временем оно найдет применение на практике.
|
| Сверху вниз: прокатный стан; металлорежущий станок; сверхскоростной электродвигатель. |
Наивысшее давление, полученное в лаборатории сжатием, — 425 тыс. атм. Вместе с высокими температурами высокие давления позволили создать искусственные алмазы, которые можно применять в промышленности.
Высокие давления возникают при взрывах. Направленным взрывом, когда газы не разлетаются беспорядочно в разные стороны, а двигаются в одном направлении, пользуются в технике для строительства плотин, перемычек.
Техника пользуется не только высокими, но и низкими давлениями, добиваясь разрежения в ничтожные доли атмосферы. Высокий вакуум нужен для химических производств. Чтобы получить металлы очень высокой степени чистоты, плавку ведут под вакуумом. Из стеклянных колб электронных приборов, например трубки телевизора, дно которой служит экраном, или баллона радиолампы, откачивают воздух. Нить электрической лампочки быстро перегорела бы, если бы в ней остался кислород воздуха, поэтому здесь также приходится прибегать к вакууму. Сейчас уже достигнуто разрежение в тысячемиллиардную долю атмосферы. В природе такой вакуум можно встретить лишь на границе межпланетного пространства.
В технике часто приходится встречаться и с высокими температурами — при плавке металлов, в тепловых двигателях, химических производствах. В камере сгорания жидкостного ракетного двигателя развивается температура около 4000°. Такая же температура нужна для водородно-кислородной сварки. В лабораториях были получены гораздо более высокие температуры — в десятки тысяч градусов.
С помощью электрического тока, раскалявшего проволоку, удалось получить 25 000°. При полете пули или снаряда возникают волны сжатого и сильно нагретого воздуха. В «ударной» волне получили температуру 40 000°. Сверхвысокие температуры — в сотни тысяч градусов — развиваются при взрыве. Наивысшие цифры относятся к атомному и термоядерному взрыву — миллионы градусов. В последнее время ученые сумели в лаборатории достигнуть температуры 5 000 000° — при попытках получить термоядерные реакции в сильно разреженном газе.
|
| Глубокий вакуум в природе и технике |
Наряду со сверхвысокими температурами в технике создаются и используются сверхнизкие температуры. Машиностроители применяют обработку холодом. Охлаждение металлов до 70—100° ниже нуля после закалки приводит к улучшению их свойств. Оказалось, что глубокое охлаждение можно применять при штамповке: оно делает металл более прочным. Особенно полезно охлаждать изделия при сборке узлов машины. Раньше, для того чтобы получить плотное соединение, нагревали корпус, а теперь втулку или вкладыш подшипника, прежде чем запрессовать, охлаждают жидким воздухом.
Широко используются в технике жидкие воздух и газы. Для их сжижения требуются очень низкие температуры. Применяя глубокое охлаждение, ученые смогли очень близко подойти к «абсолютному нулю». От него их отделяет сейчас всего четыре десятитысячные доли градуса. Выяснилось, что при сверхнизких температурах некоторые металлы приобретают свойство проводить электрический ток без потерь на сопротивление — сверхпроводимость. Это явление нашло применение в приборах.
Технике требуются все более сильные двигатели. Мощность в несколько тысяч лошадиных сил развивают поршневые двигатели внутреннего сгорания. Авиационные газотурбинные установки на крупном самолете обеспечивают такую же мощность, как электростанция целого города. Паровые и гидротурбины создаются уже на 400 и даже 600 тыс. кет. Наивысшие показатели у ракетного двигателя. При взлете ракеты с искусственным спутником Земли он создает мощность в миллионы киловатт — больше, чем у крупнейшей в мире Волжской гидроэлектростанции им. Ленина.
|
| Высокие температуры в природе и технике |
В мире машин мы встречаемся с ростом скоростей, давлений, температур, мощностей — тех показателей, которые характеризуют их работу. В мире электровакуумных приборов мы встречаемся с огромными цифрами, которые относятся уже к ничтожно малым частицам — электронам. Электромагнитными силами удается разогнать электроны почти до скорости света — 300 тыс. км/сек. В рентгеновской и электронно-лучевой трубках электроны несутся со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Благодаря огромным скоростям движения электронов можно измерять промежутки времени в миллионные и даже миллиардные доли секунды.
Температура внутри электронных приборов может достигать десятков и даже сотен тысяч градусов. Это объясняется огромной быстротой движения частиц внутри них. Но так как частиц этих мало и движутся они в пустоте, то ощутить столь высокий нагрев невозможно, и стеклянная колба прибора остается холодной.
Техника быстро движется вперед. То, что сейчас — рекорд, вскоре станет обычным, появятся еще более скоростные машины, совершенные приборы, в повседневный обиход войдут еще более высокие температуры и давления.