Введение
Ядерная физика — относительно молодая наука, но темпы ее развития настолько высоки, что уже сегодня достижения физиков-ядерщиков поражают своей масштабностью.
Благодаря ядерной физике промышленность вооружилась атомными электростанциями и реакторами для опреснения воды и получения трансурановых элементов. Кроме того, были изобретены источники γ-излучения для дефектоскопии, активационный анализ для экспресс-определения примесей в сплавах, угле и т. д. Огромное значение имеют изотопные источники тока и тепла. Их применяют для энергоснабжения труднодоступных районов и автоматических станций (например, метеорологических или спутников Земли). Источники γ-излучения применяются для автоматизации различных операций (например, измерение плотности среды, толщины слоя угольного пласта и т. д.). В сельском хозяйстве нашли применение установки для облучения овощей и фруктов с целью предохранения их от гниения и плесени. Кроме того, разработаны способы выведения новых сортов растений путем генетических трансмутаций. Неоценима помощь ядерной физики в геологии, медицине, биологии и многих других областях знаний, так как с ее помощью можно получать невероятно точные и быстрые результаты. Однако Чернобыльская катастрофа поставила под сомнение идею использования ядерной энергии как оптимальной альтернативы природным источникам энергии. Кроме того, с каждым годом все острее встает проблема захоронения ядерных отходов, а ядерное оружие до сих пор остается одним из опаснейших видов вооружения. Участившиеся в последнее время техногенные катастрофы поставили перед учеными новую задачу — научиться использовать ядерную физику, максимально обезопасить окружающую среду и человека от возможных негативных последствий.
Ядерная физика в химии
ядерный физика химия геология
Основное применение радионуклидов и радиоактивного излучения в химии — область анализа качественного и количественного состава вещества. Эта отрасль химического знания получила название радиоаналитической химии. До открытия искусственной радиоактивности число радионуклидов, которые были бы пригодны для применения в анализе, было очень ограничено. Однако со временем были разработаны радиоаналитические методы, базирующиеся на измерении радиоактивности, причем естественные радиоактивные элементы использовались в качестве реагентов, взаимодействующих с другими веществами. Гораздо шире радионуклиды стали применяться в анализе только после налаживания производства требуемых искусственных радионуклидов в ядерных реакциях. Это и дало толчок к развитию радиоаналитической химии. Радиоаналитическая химия, возникшая на стыке аналитической химии и прикладной радиохимии, использует, при качественном и количественном анализе веществ ядерные характеристики соответствующих нуклидов. Методы радиоаналитической химии позволяют определить вещества, обнаруживая и измеряя ядерное или характеристическое рентгеновское излучение. Причем это излучение может испускать как само исследуемое вещество, так и его радиоактивный изотоп. Изотопы могут присутствовать в веществе, добавляться к нему или возникать в результате активации. Кроме того, возможна ситуация, когда излучение возникает в результате различных процессов, происходящих с веществом (отражение, поглощение, рассеяние и т. д.). Доказано, что интенсивность излучения прямо пропорциональна концентрации исследуемого вещества. Поэтому наибольшее применение радиоаналитические методы имеют прежде всего в количественном анализе. Гораздо реже используются методы радиохимического качественного анализа, позволяющие определить неизвестный источник излучения по периоду полураспада, типу и энергии испускаемого излучения. Все методы радиоаналитической химии можно разделить на две группы:
— радиохимический анализ;
— радиоаналитические методы. Радиохимический анализ используется для изучения систем естественных и искусственных радионуклидов. К группе радиоаналитических методов относятся главным образом индикаторные методы. Они основываются на том, что в анализируемый материал вводится радиоактивный изотоп определяемого элемента (или его соединение) в известном количестве и с известной активностью. К индикаторным методам относятся:
— метод изотопного разбавления;
— радиоиммунологический анализ;
— методы радиоактивных реагентов. К радиоаналитическим методам принадлежит также активационный анализ. Он базируется на изучении радионуклида, возникшего в анализируемом образце непосредственно в результате ядерной реакции. С точки зрения практического проведения эксперимента этот метод значительно сложнее индикаторного Существуют также неактивационные методы анализа. В их основе лежат явления поглощения и рассеяния разных видов излучений (α-, β-, γ-, нейтронного и др.) при их прохождении через анализируемое вещество. Другими словами, неактивационные методы используют процессы взаимодействия излучения с веществом.
Ядерная физика в археологии
На первый взгляд, ядерная физика не может иметь ничего общего с археологией — наукой, изучающей историю человечества, опираясь на найденные материальные ценности (орудия труда, предметы искусства). Однако перед археологами постоянно стоит проблема — как определить точный возраст находки? Ответить на этот вопрос можно, во-первых, опираясь на письменные источники, а во-вторых — с помощью радиоуглеродного метода хронологической маркировки ископаемых находок органического происхождения. Изобретатель этого метода Либби был удостоен Нобелевской премии по физике. Сущность метода заключается в измерении остаточной радиоактивности А найденного предмета и сравнения ее с некоторым стандартным значением А0. Существует строгая зависимость между возрастом предмета и величиной остаточной радиоактивности, что позволяет точно установить возраст находки, т. е. чем сильнее отличается А от А0, тем старше предмет. Приведем теоретическое обоснование данного метода. Как известно, в процессе жизнедеятельности растения усваивают из воздуха С02. Основная часть углерода, входящего в состав углекислоты — это изотопы 12С (99%) и 13С (= 1%), однако кроме них в состав С02 входит очень малая (порядка 10-10%) примесь радиоактивного углерода 14С, который возникает в результате ядерной реакции в атмосферном азоте:
714 N+ 10 n ―› 146C+ 11P.
Содержание 14С в атмосфере практически не изменяется со временем, поэтому процентное содержание 14С в живом растении неизменно.
Период полураспада для 14С:
τ1/2 (14С) = 5 000 лет.
Таким образом, измерив радиоактивность предмета и сравнив ее со стандартной величиной, можно определить время его изготовления.
Аналогично определяется и дата смерти живого существа. Измерение радиоактивности останков базируется на том, что в течение жизни животное имеет постоянное число ядер 14С на 1 г углерода; травоядные животные получают 14С из растений, а плотоядные — поедая травоядных.
Несмотря на простоту и относительную универсальность, этот метод имеет ряд недостатков, которые приводят к тому, что анализ становится очень трудоемким.
Так, существует опасность загрязнения образца более молодым углеродом. Учитывая микроколичества 14С, можно предположить, что даже незначительные количества молодого углерода могут привести к огромным погрешностям (например, 0,1% молодого углерода увеличивает радиоактивность образца вдвое, тогда вычисленный возраст образца окажется меньше истинного на период полураспада 14С, т. е. на 5 000 лет). Для того чтобы избежать этой проблемы, разработаны специальные способы очистки образцов от загрязнения молодым углеродом. Ведь именно степень очистки, а точнее — остаточное загрязнение молодым углеродом определяет верхнюю границу применения радиоуглеродного метода.
Еще одной проблемой в применении этого метода служит то, что содержание радиоактивного и нерадиоактивного углерода в атмосфере колеблется в пределах нескольких процентов в зависимости от места и времени измерения.
Например, после взрыва водородной бомбы возникает избыток радиоактивного углерода, а при сжигании больших количеств топлива (каменный уголь, нефть) в промышленных районах наблюдается резкое увеличение содержания нерадиоактивного углерода. Стандартным показателем радиоактивности в этом случае выступают годичные кольца многолетних деревьев.
Дело в том, что радиоактивность годичного кольца отражает радиоактивность окружающей среды в том году, когда это кольцо образовалось. Таким образом, учитывая распад 14С во времени, можно с высокой точностью установить возраст археологической находки.