Окинем беглым взглядом описание фотофизического метода разделения изотопов. Самое главное в нем — облучить смесь изотопов светом с квантами строго определенной энергии. Такая определенность, способность испускать свет лишь с одной длиной волны, — отличительная особенность лазерного излучения. Желая подчеркнуть ее, говорят, что лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью. Итак, лазерный луч —это самый тонкий и точный «скальпель», который в хаосе изотопных соединений сам найдет и пометит только необходимые молекулы иди атомы, Однако этого недостаточно — возбужденные атомы, как уже говорилось, при первых же соударениях с соседями могут потерять свою метку, так и не прореагировав с подброшенными в газ атомами акцептора.
Доктор физико-математических наук В. С. Летохов предложил выход из этого
[smszamok]
тупика, теоретически обосновать весьма гибкий и универсальный подход к использованию лазеров для разделения изотопов — двухступенчатый. Сущность предложенного метода состоит в том, что сразу же после первого лазерного импульса дается второй, более «жесткий», способный сорвать электроны с их орбит и, таким образом, превратить атомы в ионы. Атомы нужного изотопа, возбужденные первым импульсом, еще до первых столкновений в газе, ионизируются вторым лазерным импульсом и таким образом приобретает совершенно новое качество — становятся заряженными частицами, или, как принято говорить, свободными носителями электрического заряда. Весь этот процесс называется селективной, то есть избирательной, фотоионизацией. Его протекание зависит от интенсивности лазерного луча, и это очень важный фактор, — меняя мощность излучения, процессом можно управлять, задавать его скорость… Ну, а превращение атомов в ионы вообще открывает достаточно простой путь для окончательного отделения нужного изотопа — ионы можно вывести из газа электромагнитными полями.
Вслед за теоретическими разработками последовало экспериментальное подтверждение метода. В 1971 году Р. Амбарцумяном в Институте спектросколии АН был осуществлен первый эксперимент по селективной двухступенчатой фотоионизации атомов, в данном случае атомов рубидия.
Плавным изменением частоты излучения (то есть энергии квантов) осуществлялась точная настройка на один из энергетических уровней электронов в выделяемом изотопе.
Другой лазерный луч тут же отрывал возбужденные электроны от атома, превращая его в ион. Этот второй луч получали от рубинового лазера с помощью нелинейного элемента, который позволял вдвое увеличить частоту излучения, получить из красного луча ультрафиолетовый (Я = = 3471 А). Его энергия была достаточной для отрыва возбужденных электронов в атомах рубидия. В то же время этот луч не- мог сбить спокойные, невозбужденные электроны. Рубиновый лазер одновременно использовался в качестве источника накачки лазера с перестраиваемой частотой. Для того, чтобы контролировать ход процесса, измерялась электропроводность паров рубидия — по мере того как лазерные лучи превращали нейтральные атомы в ионы и насыщали газ свободными электронами, газ все в большей мере превращался из диэлектрика в проводник. В частности в лаборатории имени Лоуренса, принадлежащей Калифорнийскому университету и Управлению по энергетическим исследованиям и разработкам (США), используя селективную фотоионизацию, удалось осуществить разделение изотопов урана.
Упрощенная схема опыта по селективной двухступенчатой фотоионизации атомов рубидия. На пары рубидия направлены два луча — темно-красный луч от перестраиваемого лазера возбуждает атомы рубидия, а затем происходит ионизация только возбужденных атомов ультрафиолетовым лучом. Рубиновый лазер служит источником накачки для перестраиваемого лазера. Он также проходит через нелинейный кристалл, на выходе которого получают излучение с удвоенной частотой, то есть с длиной волны, вдвое более короткой. Эффект фотоионизации обнаруживают, измеряя фототок в камере с парами рубидия. Опыт впервые проведен в Институте спектроскопии АН СССР.
Упрощенная схема опыта по лазерному разделению природной смеси изотопов урана. Пары урана вводятся в вакуумную камеру и подвергаются воздействию одновременно и когерентного лазерного излучения (длина волны 5915 ангстрем) и ультрафиолетового излучения, источником которого служит искра (длина волны 3000 ангстрем). Длина волны лазерного луча подобрана так, чтобы переводить в возбужденное состояние только атомы урана 235. Возбужденные атомы тут же ионизируются ультрафиолетовым излучением, и ионы выводятся из пучка ней» тральных атомов с помощью электромагнитного поля. Опыт впервые проведен в Калифорнийском университете (США).
Упрощенная схема опыта по лазерному разделению изотопов азота путем двухступенчатой фотодиссоциации молекул аммиака. Первая ступень процесса — возбуждение молекул аммиака, которые содержат изотоп азот-15, с помощью излучения СО-лазера. Вторая ступень — диссоциация (развал) возбужденных молекул под действием ультрафиолетового излучения, получаемого от искры. Искра создается синхронно с лазерным импульсом—луч лазера ионизирует воздух в межэлектродном пространстве. Разделение изотопов, так же, как и опыты с рубидием, проводилось в газообразной фазе. Для этого в печке уран плавился, и над ним образовывались пары урана. Эти пары тоненькой струйкой вводились в рабочую камеру, где попадали под облучение источников света. Один из них — лазер имел строго определенную длину волны 5915,4 А. Эта длина волны была выбрана с таким расчетом, чтобы лазерный луч возбуждал внешние электроны, но только у изотопа 235(У. Второй источник облучения урана — ртутная лампа. С помощью фильтров из ее спектра выделялся участок ультрафиолетового излучения в интервале между 2100 А и 3100 А. Ультрафиолетовый луч тут же ионизировал возбужденный изотоп урана-235, до того, как они сталкивались с другими атомами. Ионизированные атомы изотопа 2гъ1! собирали на стенках ионной ловушки, загнав их туда е помощью электромагнитных полей. В первых экспериментах ртутная лампа с фильтром использовалась вместо второго лазерного луча потому, что ультрафиолетовые лазеры все еще сложны и полностью не перекрывают нужный диапазон излучения.
Методом селективного облучения можно выделять тот или иной изотоп, воздействуя не только на смесь атомов, но и на смесь молекул, в которых один из атомов представлен различными своими изотопами. Схема выделения изотопов из молекулярного газа может быть такой — лазерным излучением с точно подобранной частотой возбуждают молекулы, которые содержат нужный изотоп. Возбужденная молекула может, правда, передать свой избыток энергии другой молекуле, либо самопроизвольно вернуться в исходное состояние. Чтобы этого не случилось, возбужденная молекула должна успеть вступить в фотохимическую реакцию с введенным в молекулярную смесь реагентом. Все три процесса — возбуждение молекул, их возвращение в первоначальное, спокойное состояние и химическое связывание с реагентом — идут одновременно и конкурируют друг с другом. Надежда связать именно возбужденную молекулу с реагентом основана на большей химической активности возбужденных молекул по сравнению с невозбужденными. Более эффективным оказался другой метод, использующий диссоциацию (развал на составные части) селективно возбужденных молекул под действием излучения еще одного мощного лазера.
Световые кванты, которые будут осуществлять диссоциацию молекул, должны
Спектр поглощения инфракрасного излучения газом из молекул ВС1. По вертикальной оси отложена доля поглощенного света, по горизонтальной — частота излучения.
иметь достаточно большую энергию, обычно она соответствует ультрафиолетовому излучению. Выпавшие из молекул (в результате диссоциации) атомы нужного изотопа можно связать с химически введенным в газ реагентом, либо извлечь камеры каким-либо иным способом. Метод двухступенчатой селективной диссоциации молекулы лазерным излучением был предложен также в Институте спектроскопии еще в 1970 году и спустя два года был успешно применен для разделения изотопов азота. Это был первый в мире эксперимент по лазерному разделению изотопов.
В эксперименте использовался инфракрасный лазер на углекислом газе, он подстраивался под резонансную линию поглощения молекулы аммиака с изотопом 15М Подстройка проводилась поворотом дифракционной решетки, выполнявшей роль полупрозрачного зеркала в резонаторе лазера. Диссоциация возбужденных молекул происходила под действием ультрафиолетового излучения, источником которого для простоты была мощная электрическая искра. Искра возникала в высоковольтном разряднике в тот момент, когда между его электродами появлялось небольшое ответвление лазерного луча от основного углекислого лазера. Этим достигалась одновременность облучения молекул инфракрасными и ультрафиолетовыми квантами. В проведенных опытах было достигнуто шестикратное обогащение смеси изотопом азота 15М.
В это же время профессор Б. Мур в Калифорнийском университете США провел первый успешный эксперимент по прямой селективной диссоциации молекулы формальдегида (Н2СО) монохроматическим лазерным излучением. Настраивая частоту лазера на линию поглощения дейтероформальдегида, ему удалось добиться обогащения газовой смеси тяжелым изотопом водорода — дейтерием. Однако эти методы в период их становления (1972 год), несмотря на высокие коэффициенты обогащения, не могли претендовать на промышленное использование из-за отсутствия ультрафиолетовых лазеров. Поэтому в Институте спектроскопии велись поиски новых эффектов, которые можно
било бы использовать для разделения изотопов под действием более доступного и дешевого инфракрасного лазерного излучения. В одном из экспериментов мощные импульсы лазера на углекислом газе облучали кювету с трихлоридом бора. Частоту лазера можно было настраивать в резонанс с колебаниями либо молекулы 10ВСЬ, либо иВС1з. После облучения кюветы в течение нескольких часов была обнаружена диссоциация молекул с выбранным изотопом бора, в зависимости от настройки СОг лазера. Это был удивительный факт, так как для диссоциации молекула трихлорида бора должна поглотить почти 40(!) инфракрасных фотонов. Удачные опыты провели и на другой многоатомной молекуле — 5Рб.
Теоретики и экспериментаторы нескольких стран буквально набросились на это интересное явление. Многбфонное возбуждение и диссоциация молекул под действием инфракрасного излучения в течение последних двух лет особо энергично обсуждаются на международных конференциях по применению лазеров. Сейчас основные черты этих явлений уже ясны: они присущи всем многоатомным молекулам, которые могут совершать много взаимосвязанных колебательных движений и, следовательно, имеют много возможностей поглощать инфракрасные кванты. Многофо-тонная диссоциация под действием лазерного излучения уже успешно используется для разделения изотопов в заметных количествах. Об этом, в частности, свидетельствуют крупные программы, осуществляемые В ряде стран, а также некоторые действующие установки. Результатами этих экспериментов заинтересовались во многих зарубежных лабораториях. В Лос-Аламосской лаборатории (США) даже прекратили некоторые эксперименты, чтобы воспроизвести результаты своих советских коллег. Конечно, это объяснение самое общее, не затрагивающее важных квантовомеханических особенностей поглощения, тем не менее оно вполне устраивало экспериментаторов, поскольку позволяло правильно прогнозировать новые эксперименты. В дальнейших работах степень обогащения смеси достигала нескольких тысяч, то есть относительное количество нужного изотопа в сравнении с «конкурентом» увеличивалось в несколько тысяч раз.
Сравнительно небольшой объем реферата, необходимость целый ряд вопросов излагать упрощенно, а иногда вводить некоторые разъяснения и дополнения — все это, вместе взятое, не позволило в полном объеме коснуться методов и конкретных примеров лазерного разделения изотопов, о которых рассказано в большой обзорной статье В. Летохова и Б. Мура. Кроме того, со времени опубликования статьи работы в области лазерного разделения изотопов энергично развивались, сделаны новые теоретические разработки, получены новые экспериментальные результаты.
[/smszamok]
Но самое, пожалуй, главное это то, что сделаны первые шаги в разработке лазерных методов разделения изотопов, пригодных для промышленного использования. Можно полагать, что появление новых типов лазеров откроет возможности для выделения практически любых изотопов в промышленных масштабах. Здесь уместно напомнить слова лауреата Ленинской и Нобелевской премий академика А. М. Прохорова: «Преимущества лазерного разделения изотопов настолько велики, а его принципиальная возможность обоснована теоретически и экспериментально настолько надежно, что в относительно недалеком будущем лазерные методы изотопного обогащения, несомненно, будут играть важнейшую роль в развитии физики, химии, энергетики».
На примере лазерного разделения изотопов физика еще раз показала, как абстрактные, казалось бы, исследования становятся основой для разработки процессов и установок, имеющих важное практическое значение.
Сочинение! Обязательно сохрани - » Лазерный луч . Потом не будешь искать!
Запись была опубликована
12.09.2009 в 22:02 в категории Популярно о химии.
Вы можете следить за ответами в этой записи через RSS 2.0 ленты.
Загрузка...