Искусственные радиоактивные изотопы

Кроме естественных радиоактивных изотопов, существующих в природной смеси элементов, известно много искусственных радиоактивных изотопов. Искусственные радиоактивные изотопы получаются в результате различных ядерных реакций. Изучение естественной радиоактивности показало, что превращение одного химического элемента в другой обусловлено изменениями, происходящими внутри атомных ядер, т.е. внутриядерными процессами. В связи с этим были предприняты попытки искусственного превращения одних химических элементов в другие путем воздействия на атомные ядра.

Для превращения одних химических элементов в другие необходимо было атомные ядра подвергать таким воздействиям, которые бы приводили к изменению ядер и связанному с этим превращению одних элементов в другие. Следовательно, нужны были ис­точники энергии того же порядка, как энергия внутриядерных связей. Эффективным средством воздействия на атомные ядра оказалась бомбардировка их частицами высокой энергии (от нескольких миллионов до десятков миллиардов электрон-вольт).

В первое время в качестве бомбардирующих частиц применяли α-частицы радиоактивного излучения.

В 1919 г. Резерфорд впервые осуществил искусственное расщепление ядер азота, бомбардируя их α-частицами полония. Затем стали применять и другие заряженные частицы, предварительно сообщая им очень большую скорость (кинетическую энергию) в специальных ускорителях. Кроме того, в настоящее время применяются потоки заряженных и нейтральных частиц, создаваемые ядерными реакторами. Процесс превращения атомных ядер, обусловленный воздействием на них быстрых элементарных частиц (или ядер других атомов), называется ядерной реакцией. Например, после пропускания α-лучей через слой азота образуются атомы изотопа кислорода и атомные ядра водорода, т.е. протоны. Эта ядерная реакция протекает следующим образом: α-частица попадает в ядро азота и поглощается им. Образуется промежуточное ядро изотопа фтора ₉F¹⁸, которое оказывается неустойчивым, оно мгновенно выбрасывает из себя один протон и превращается в изотоп кислорода.

В настоящее время запись ядерных реакции производят более сокращенно. После символа атомного ядра, подвергающегося, бомбардировке указывают в скобках бомбардирующую частицу и другие частицы, появляющиеся в результате реакции; за скобкой ставят символ атомного ядра — продукта. Этот способ записи к рассматриваемой реакции может выглядеть следующим образом. Первая искусственная ядерная реакция, проведенная Резерфордом, подтвердила возможность осуществления искусственных ядерных реакций и непосредственно показала, что протоны входят в состав атомных ядер и могут быть выбиты из этих ядер.

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц (в том числе и γ-квантов). Продукты многих ядерных реакций оказываются радиоактивными. Явление искусственной радиоактивности было открыто известными французскими физиками Ирэн и Фредериком Жолио-Кюри в 1934 г. Они впервые искусственным путем получили радиоактивные изотопы элементов, встречающихся в природе в виде устойчивых изотопов. Такие изотопы были названы искусственно радиоактивными изотопами.

Первые искусственно радиоактивные изотопы были получены при бомбардировке α-частицами элементов бора, магния, алюминия. При бомбардировке алюминия вылетают нейтроны и получался изотоп фосфора, испускающий позитроны. Изотоп фосфора оказался радиоактивным, его атомные ядра испускали позитроны и превращались в ядра кремния. реакция бомбардировки алюминия α-частицами, открытая супругами Жолио-Кюри, показала новый вид радиоактивного распада-позитронный распад, который не наблюдается у естественно биоактивных изотопов.

В дальнейшем было показано, что искусственные радиоактивные изотопы можно получить, бомбардируя стабильные изотопы не только α-частицами, но нейтронами и другими ядерными частицами.

В настоящее время радиоактивные изотопы известны почти для всех элементов и их можно получить, при самых разнообразных ядерных реакциях. Так, даже один и тот же изотоп может быть получен в результате совсем различных ядерных реакций. После открытия искусственной радиоактивности стало возможным нанесение «метки» на атомы почти каждого химического элемента. Искусственные радиоактивные изотопы стали применяться в качестве меченых атомов. Метод меченых атомов в настоящее время имеет большое значение в самых разнообразных науки областях и практики.

Следует отметить, что методом меченых атомов называют работу как со стабильными, так и с радиоактивными изотопами, если эти изотопы используются как индикаторы. Радиоактивные изотопы применяются в качестве меченых атомов чаще, чем стабильные потопы.

В настоящее время для получения искусственных радиоактивных изотопов в промышленности применяют три основных метода: 1) бомбардировка химических соединений и элементов ядерными частицами; 2) химическое разделение смеси изотопов; 3) выделение продуктов распада естественных радиоактивных изотопов.

Для биологических и сельскохозяйственных работ имеют значение в основном изотопы, полученные двумя первыми методами. В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы получают путем облучения (преимущественно нейтронного) соответствующих химических элементов в ядерном реакторе. В результате ядерной реакции типа (n, γ) получается изотоп того элемента, который облучается. При реакциях типа (n, α) и (n, p) образуются изотопы других элементов.