Каждый химический элемент в менделеевской таблице имеет свой порядковый номер, который указывает число протонов в ядре, то есть число положительных электрических зарядов ядра (единица — заряд одного протона, то есть заряд ядра атома водорода, элемента № 1). При этом, естественно, порядковый номер элемента указывает и число электронов на орбитах — в нейтральном атоме положительный и отрицательный заряды одинаковы, электронов столько же, сколько протонов. Кроме протонов, ядро содержит еще и некоторое количество нейтронов — это частицы без электрического заряда, и поэтому они не влияют на положение-элемента в таблице Менделеева, на его порядковый номер. Но нейтроны — тяжелые частицы, такие же примерно, как и протоны. И они в сильной степени влияют на общую массу ядра, на атомный вес элемента. При одном и том же числе протонов в ядре может быть различное число нейтронов, и именно поэтому существуют различные изотопы одного и то и переработано 6 миллионов тонн урановой руды, что потребует затрат около 150 миллиардов долларов.
Кроме обогащения урана, для ядерной энергетики в большом количестве необходима
[smszamok]
тяжелая вода, в молекулах которой вместо водорода (атомный вес 1) содержится его тяжелый изотоп дейтерий (атомный вес 2; в ядре дейтерия, кроме протона, есть еще и нейтрон). Тяжелая вода почти не задерживает внешние потоки нейтронов, и поэтому она может эффективно охлаждать активную зону реактора, где эти потоки очень велики. Нейтронные потоки не нагревают тяжелую воду, и она может «истратить» свою теплоемкость на охлаждение реактора. Для мощного реактора требуется несколько сот тонн тяжелой воды. Она стоит больше, чем сам реактор! Получение тяжелой воды в США стоит примерно 5 долларов за грамм, несколько сот миллионов долларов на один реактор. Эта сумма расходуется на переработку обычной пресной воды — на каждые шесть тысяч ее молекул приходится одна молекула тяжелой воды. Можно привести немало примеров, когда огромные суммы расходуются на получение даже небольших количеств ряда изотопов, необходимых в лабораторных исследованиях. Так, например, получение изотопа 40 К (калий-40) обходится в 30 миллионов долларов за 1 килограмм. Понятно, что при подобных затратах на процессы выделения изотопов любое сообщение о возможности снизить стоимость этих процессов воспринимается как сенсация.
Такой сенсацией стало сообщение о разделении изотопов в луче лазера. Первая возможность разделения изотопов выяснилась при их обнаружении: разница в весе на два нейтрона размежевала траектории изотопов неона в первом масс-спектрографе, который сконструировал англичанин Дж. Дж. Томсон в 1910 году. Прибор предназначался для анализа «положительных лучей» — так тогда называли пучки ионов—атомов, лишенных одного или нескольких электронов своей оболочки. В того же химического элемента. В название изотопа вводят его главную характеристику — атомный вес. Так, например, обозначения №И (уран-235) и 238 и (уран-238) относятся к одному и тому же химическому элементу — урану, но к двум его различным изотопам с атомным весом 235 и 238 единиц (во втором случае в ядре на 3 нейтрона больше). Все изотопы разделяют на две большие группы: стабильные и радиоактивные — те, которые со временем превращаются в атомы других элементов. Такого рода процесс для каждого радиоактивного изотопа протекает со строго определенной скоростью, которая характеризуется периодом полураспада: за это время распадается половина атомов изотопа. Период полураспада может быть самый различный — от долей секунды до тысяч лет.
Добывая из природного сырья тот или иной элемент химическими методами, мы, как правило, получаем смесь изотопов этого элемента, поскольку изотопы неразличимы в химическом отношении. В то же время современная техника и особенно научные исследования часто требуют вещество «в чистом виде», в виде только одного, вполне определенного изотопа. Отсюда и появляется трудная задача разделения изотопов, разделения смеси атомов, одинаковых по химическим свойствам, отличающихся лишь своей массой. Причем, как правило, отличающихся очень незначительно. Правда, порой требуется лишь изменять соотношение изотопов в смеси, произвести ее обогащение, уменьшить процентное содержание одних изотопов, увеличив тем самым содержание других. Ядерная энергетика, например, нуждается в уране-235. Однако он нужен не в абсолютно чистом виде. Урановая руда обычно содержит в основном два типа изотопа: уран-238 и уран-235, причем первого изотопа в руде 99,2%, второго — 0,7°/0. Для ядерных реакторов необходимо урановое топливо с совсем другим соотношением изотопов — 238 С должно быть 96,8%, а 235 V — примерно 3,2%.
Технологический процесс обогащения урана, грубо говоря, состоит в том, что из смеси молекул гексофторида урана ЫР6 выбирают преимущественно молекулы, содержащие изотоп 235 ‘. Выделение определенного изотопа из сложной смеси стало важным технологическим процессом, который в ряде случаев приходится проводить в промышленных масштабах. Это, конечно, прежде всего касается обогащения урана. В настоящее время мировая ядерная энергетика ежегодно потребляет 4000 тонн обогащенного урана. К 2000 году, судя по всему, эта цифра поднимется до 100 000 тонн. На смену первому масс-спектрографу Томсона в дальнейшем пришли более совершенные приборы, сконструированные О. Астоном и О. Дэмстэром, а в России — молодыми тогда физиками Л. А. Арцимо-вичем и П. Л. Капицей. Выгоды от этих приборов для физических исследований оказались настолько существенными, что за создание ОДНОГО ИЗ первых масс-спектрографов была присуждена Нобелевская премия. Основа масс-спектрографа — вакуумная пролетная камера. В нее через узкую входную щель влетают исследуемые ионы. В пролетной камере тонкий пучок ионов попадает под действие скрещенных электрического и магнитного полей, он расходится веером и загибается по дуге. В конце своего пути потоки ионов попадают на фотопластинку, на ней после проявления видны черточки — каждая от своего изотопа. На месте той или иной черточки можно сделать щель и выпустить нужный изотоп наружу, в ловушку.
Такой «поштучный» метод разделения изотопов очень дорог и для крупномасштабного промышленного использования не годится. Физики нашли еще один процесс разделения изотопов — газодиффузионный. В этом процессе использовалось то, что при движении газа через пористые перегородки более проворны атомы с меньшей массой. Если таких перегородок много, то часть более тяжелых изотопов по дороге просто «застревает» в них. Происходит это оттого, что тепловая энергия распределяется между всеми частицами газа так, что частицы потяжелее двигаются медленнее и в порах отстают от частиц, которые полегче. Конечно, газодиффузионный метод не дает полного разделения — он лишь обогащает смесь, увеличивает в ней содержание более легкой компоненты. Зато этим методом можно обработать большое количество вещества. Газодиффузионный метод обогащения изотопов в его промышленном исполнении весьма громоздок. Установки для разделения изотопов этим методом —это, как правило, огромные заводы площадью в десятки квадратных километров. Целая электростанция снабжает энергией камеры, в которых разделяемые частицы движутся через поры к выходу. Это не только огромный, но и труднообслуживаемый комплекс.
В двадцатых годах физики узнали еще один эффект, в котором проявлялась весовая разница изотопов,— «лишний» нейтрон в более тяжелом изотопе чуть-чуть изменяет объем атомного ядра и, следовательно, распределение положительного электрического заряда в ядре. А так как заряд атомного ядра связан с зарядом электронной оболочки, то изменение плотности заряда ядра приводит к расщеплению либо к сжатию электронных орбит. От положения орбит электронов зависит спектр поглощения атомов, и у разных изотопов эти спектры чуть-чуть смещены. Такие смещения спектров называют изотопическим сдвигом. Рисунок на стр. 101 иллюстрирует изотопический сдвиг на спектрограмме смеси изотопов урана. Две линии поглощения на спектрограмме появляются именно потому, что электронные оболочки изотопа 238 0 чуть-чуть расширены по сравнению с оболочками изотопа 235 II. Это расширение вызвано соответственно чуть-чуть большим, на три нейтрона, объемом ядра изотопа 238 II.
Поглощение квантов света электронами оболочек происходит ступенчато — они как бы перескакивают с одного строго определенного энергетического уровня на другой. Набор возможных «ступенек» для каждого химического элемента строго задан самой природой — это и есть спектр поглощения данного элемента. Но для изотопов элемента одинаковые, казалось бы, «ступеньки» чуть-чуть различаются. В основном это различие проявляется для внешних электронных оболочек и соответственно для энергетических ступенек, связанных с переходами самых далеких от ядра электронов. Сами эти «ступеньки», если можно так сказать, очень мелкие, они связаны с очень малыми изменениями энергии. И поэтому переход электронов с одной такой «ступеньки» на другую происходит под действием сравнительно мягкого излучения, в частности под действием квантов в диапазоне видимого света. Ну а разница в высоте «ступенек», то есть изотопический сдвиг, еще во много раз меньше — для 2351) и 238 ц 0Н! в частности, составляет всего на 0,2 А. (I А = 10 -8 см).
Кроме атомных спектров, изотопический сдвиг обнаруживается в спектрах молекулярных соединений. Молекулы тоже обладают индивидуальным набором энергетики. Принцип действия масс-спектрометра. Ионизированные атомы различной массы летят по разным траекториям, и каждый изотоп можно вывести из пролетной камеры в ловушку, если место фокусировки нужного пучка совместить с ее выходной щелью. Если молекулу сильно раскачать или сразу сообщить ей большую энергию, то она развалится на атомы — диссоциирует. Для каждого типа молекул существует строго определенная минимальная энергия квантов, необходимых для получения диссоциации.
Изотопический сдвиг — это еще один «крючок», пользуясь которым можно разделять изотопы, вытаскивать один из них из природной смеси. Для этого нужно прежде всего облучить изотопную смесь квантами со строго выбранной длиной волны — длина волны должна точно совпадать с высотой «ступеньки» определенного электронного уровня, характерного только для нужного изотопа. В этом случае световой квант сместит электрон с этого уровня, поднимет его на более высокий, так называемый возбужденный уровень. Любой другой изотоп такие кванты просто не заметит: их энергия не уложится ни в одну из его энергетических «ступенек». Возбужденные атомы изотопа будут уже сильно отличаться от спокойных: изменится их квантовое состояние, увеличится химическая активность.
[/smszamok]
Если в этот момент рядом с возбужденным изотопом окажется определенный химический элемент — акцептор, — то произойдет химическая реакция и образуется молекула, в которую войдет атом помеченного изотопа. Вероятность подобной реакции с атомами других изотопов чрезвычайно мала в силу их сравнительно малой активности. Нужные акцепторы можно заранее ввести в газовую смесь, и тогда после облучения этой смеси большинство атомов избранного изотопа будет химически связано в соединениях, которые потом легко фильтровать. Излучение источника с непрерывным спектром проходит через кювету с парами урана и далее в спектрограф. На его экране в районе длины волны 4489 ангстрем, или, что то же самое, частоты 22276 см-1 (в спектроскопии при измерении частоты часто пользуются единицей см-1 3 X Юш Гц) видна спектральная линия урана, она занимает частотный интервал 1,68 см-1. В этом интервале при детальном рассмотрении обнаруживаются четыре тонкие линии — каждая из них соответствует одному из изотопов урана.
Сочинение! Обязательно сохрани - » Лазерное разделение изотопов . Потом не будешь искать!
Запись была опубликована
12.09.2009 в 22:04 в категории Популярно о химии.
Вы можете следить за ответами в этой записи через RSS 2.0 ленты.
Загрузка...