Диссоциации молекул

Недавно в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова, в лаборатории академика Е. Велихова совместно с Институтом спектроскопии создана первая в мире установка по лазерному разделению изотопов в весовых количествах методом многофотонной диссоциации молекул излучением мощного лазера. Применяемый специалистами термин «весовые количества» означает, что достигнутая производительность установки позволяет рассматривать ее как прообраз промышленного аппарата для лазерного разделения изотопов. О проведенных на этой установке работах по разделению изотопов серы при диссоциации молекулы 5Р6 был сделан доклад на Международной конференции по лазерной технике в июне 1977 года в Вашингтоне. В природе существует несколько стабильных изотопов серы, наиболее распространены изотопы с атомным весом в 32 и 34 атомные единицы массы.

В природной сере они находятся в таком соотношении — 323 —95%, 345 — 4,2%. Разница в

[smszamok]

атомном весе этих изотопов приводит к тому, что частота одного из колебаний молекулы 325Рб отличается примерно на 1,8% от частоты этого колебания в молекуле 345Р6. На цветной вкладке схематично показан энергетический спектр этих молекул. Используя монохроматическое излучение мощного С02 лазера, частоту которого можно в некоторых пределах менять, легко настроиться в резонанс с колебанием либо молекулы 325Р6, либо молекулы 345Рв.

Из рисунка легко заметить, что по мере увеличения энергии молекулы высота энергетических «ступенек» (различие между соседними уровнями) уменьшается, а значит, частота излучения лазера выходит из резонанса с частотой колебания молекулы. Поэтому молекула может поглотить лишь несколько квантов излучения, подняться лишь на несколько «ступенек» (область I). А для того, чтобы началась диссоциация, нужно, чтобы молекула поглотила не меньше 30 квантов. Каким же образом молекула поглощает недостающие ей кванты?

Существенная особенность многоатомных молекул—это наличие у них большого числа типов колебаний, которые, начиная с некоторого уровня, образуют почти непрерывный энергетический спектр (область II). В этом спектре всегда находятся энергетические уровни, для которых сохраняются условия резонанса при данной частоте лазерного излучения. Таким образом, молекулы добираются до энергетического уровня, начиная с которого происходит диссоциация (область III)—от молекулы отрывается один атом фтора Р и остается осколок 5Р5. А он, в свою очередь, поглотив еще некоторое количество квантов, может отдать еще один атом фтора и превратиться в устойчивую молекулу 5Р4. Это соединение обладает уже другими химическими свойствами, его легко отделить от молекул 5Рб химическим способом, осуществив окончательное разделение изотопов.

В опытах использовался импульсный С02 лазер, созданный в ИАЭ имени И. В. Курчатова. Этот лазер излучает импульсы длительностью Ю-7 сек.; энергия в импульсе до 6 Дж. Длину волны излучения можно менять в пределах от 10,8 мкм до 9,2 мкм. Частота повторения импульсов—до 180 Гц, так что средняя мощность излучения достигает 1 кВт.

Излучение лазера, настроенного в резонанс с частотой колебаний молекулы 325Р6, фокусируется в длинный световод со смесью молекул 325Р6 и 345Р6; облучаемый газ подается в световод через отверстия в его стенках. За время действия лазерного импульса в объеме световода диссоциирует около 15% молекул 325Р6; молекулы 345Р6 рактически не диссоциируют. Для связывания атомов фтора и предотвращения тем самым рекомбинации .образующихся продуктов в молекулу 32ЗРб использовался водород. Образовавшаяся в световоде смесь за время между импульсами лазера откачивается и направляется в химический реактор для очистки, а в световод поступает новая <Торция газа. В реакторе производится очистка газовой смеси от образовавшихся молекул 325р4 и фтористого водорода НР. В результате такой очистки процентное содержание молекул с изотопом 325, содержащихся в газе 8Р6, уменьшается, а с изотопом 345, естественно, увеличивается.

Очищенная и обогащенная изотопом 345 газовая смесь возвращается назад для дальнейшего облучения. Повторяя такой цикл много раз, можно достичь высокой степени разделения. При средней мощности поглощенного излучения лазера 50 Вт установка позволяла получать в час 0,25 грамма .продукта с обогащением по «бедному» изотопу 348 до 50% —это примерно в 12 раз больше, чем в природной сере. Одновременно получался продукт с обогащением по «богатому» изотопу 325. Можно было получать в час 5,8 грамма продукта с содержанием серы 325 до 99,5% вместо начальных 95%.

Полученные параметры делают ВОЗМОЖНЫМ создание в будущем промышленной установки для лазерного разделения изотопов. Один из важнейших итогов разрядки международной напряженности—все более активное сотрудничество ученых разных стран в научных исследованиях, представляющих первостепенный интерес для всего человечества. В их числе исследования, открывающие людям новые источники энергии, новые материалы, укрепляющие научный фундамент медицины и сельскохозяйственного производства, помогающие эффективно решать задачи охраны окружающей среды. Наша страна в широких масштабах участвует в международных научных исследованиях, многие из них проводятся на основе долгосрочных межправительственных соглашений. В частности. Советским Союзом заключены соглашения о сотрудничестве в таких областях науки и техники, как мирное использование атомной энергии (с США, Швецией, Финляндией), исследование космического пространства (с Францией, США), исследование Мирового океана (с США), охрана окружающей среды (с США, Францией, Англией, Бельгией, Италией), энергетика [с США, Францией), сельское хозяйство (с США, Францией, Финляндией, Италией, Данией), медицина и здравоохранение (с Францией, США, Англией, Финляндией), сельское хозяйство (с США, Францией, Финляндией, Италией, Данией], строительство и архитектура, авиастроение, охрана промышленной собственности И в других областях.

[/smszamok]

Наряду с этим большое число совместных исследований проводится в рамках соглашений между академиями, университетами, исследовательскими лабораториями, научному прогрессу способствует широкий обмен информацией на международных конференциях, личные контакты исследователей, взаимные посещения лабораторий, участке ученых в работе своих иностранных коллег, совместное написание научных статей.