<<
>>

4.2. Изотопы. Их разделение

На рис. 4.2 приведены значения энергии связи, найденной для наиболее распространённых изотопов. Изотопами называют ядра, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Очевидно, что число элек­тронов в них будет также одинаковым, и они занимают одну и ту же клеточку перио­дической системы элементов. Физические и химические свойства их будут также одина­ковы, поскольку большинство этих свойств определяется электронной оболоч­кой. Изотопный состав каждого элемента хорошо изучен, а массы их сведены в таблицы. У самого лёгкого элемента — водорода — существует три изотопа: обычный во­дород 1Н1, тяжёлый водород 1Н2 — дейтерий, и сверхтяжёлый водород 1Н3 — тритий. У гелия два изотопа — 2Не4 и 2Не3. У остальных элементов изотопов сущест­венно больше, всего более 2000 изотопов.

Выделить каждый изотоп в чистом виде не просто: это можно сделать, например, в мас­с-спектрографах под действием магнитного поля. Но полученная в этом случае масса чистого изотопа очень мала. Вместе с тем получение ядерного горючего связано с обогащением урана, природная руда которого представляет смесь изотопов. Преобладает в ней U238, а U235, который используется в ядерных реакторах, содержится в природном уране всего в количестве 0,7%. Обогащение урана — это процесс увеличения в нём процентного содержания изотопа с атомным весом 235.

Отделить требуемый изотоп химическими методами невозможно из-за тождественности химических свойств изо­топов. К разнице масс отдельных атомов чувствительна только диффузия: через пористую перегородку легче проникают атомы меньшей массы. Но диффузион­ный метод разделения изотопов возможен лишь с газами. Поэтому металличе­ский уран переводят в газообразное состояние, воздействуя на него химически активным фтором.

Получившийся газ UF6 — шестифтористый уран — подвергают многоступенчатой перегонке в диффузионном аппарате, ячейка которого изображена на рис. 4.3, где пунктиром показана разделяющая ячейку пористая перегородка. Через нижнюю половину ячейки продувают газ, состоящий из смеси изотопов. Концентрация нужного, более лёгкого изотопа в этом газе обозначена n1. B верхней части ячейки концентрация этого изотопа будет выше, благодаря его бόльшему коэффициенту диффузии, т. е. n2 > n1. Из этой части газ направляют в следующую ячейку, а оставшийся газ с повышенной концентрацией более тяжёлых элементов возвра­щается назад и вновь прогоняется через эту же ячейку. И только после много­кратного повторения этого процесса получают газ, в котором концентрация требуемого изотопа достаточна для использования в реакторе. После этого газ UF6 переводят в твёрдое состояние. Этот метод разделения изотопов был ис­пользован для получения горючего в первом ядерном реакторе, построенном и запущенном в США в 1942 году под руководством итальянского учёного Энрико Ферми.

Существует также метод центрифугирования, когда более тяжёлые мо­лекулы продолжают двигаться по инерции, не принимая участие во вращении всего газа вместе с сосудом, в который он помещён. Метод предложен совет­ским физиком Ю.Б. Харитоном. Центрифугирование также многоступенчато, и не уступает по дороговизне методу диффузии. При осуществлении цепной ре­акции в обстановке строгой секретности проблема разделения изотопов была одной из труднейших из-за сложности её технического исполнения. Некоторые детали этого процесса были добыты для советских атомщиков разведыватель­ной службой.

Для разделения изотопов воды возможно применять электролиз: в электро­лите концентрация тяжёлых изотопов повышается. Однако стоимость этого ме­тода тоже велика: для получения одного килограмма тяжёлой воды D2O затра­чивается примерно 15?104 кВтч электроэнергии.

В заключение заметим, что изотопы принято делить на природные и искус­ственные. Искусственные изотопы практически всех химических элементов образуются в большом количестве в работающем ядерном реакторе. Они в большинстве своём радиоактивны, на чём основано их при­менение. Искусст­венные изотопы используются в медицине как источники g-лучей при лечении злокачественных опухолей. Применение их в качестве "меченых" ато­мов для изучения биологических и химических процессов возможно благо­даря тому, что проследить за их движением просто: гамма лучи, испускае­мые изотопами, регистрируются счётчиками. В настоящее время радиоактивные изотопы ис­пользуют с большой осторожностью.

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 4.2. Изотопы. Их разделение:

  1. Организационно-правовые основы становления и развития органов дознания в России (к 300-летию образования полиции России): моно­графия. — СПб.: Изд-во СПб ун-та МВД России,2018. — 180 с., 2018
  2. Известные оптические аномалии в монокристаллах германия и парателлурита.
  3. Тема 16. Производство по делам об административных правонарушениях
  4. 3.1. Формирование стратегии развития системы персональных финансов
  5. ГЛОССАРИЙ
  6. Анализ содержания учебного материала школьных учебников с позиции их ориентации на достижение личностных результатов обучения
  7. Введение
  8. Глава I. ОПТИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ В КРИСТАЛЛАХ.
  9. 2. Права и обязанности сторон по договору купли-продажи.
  10. ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ И СТРУКТУРЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЛИЧНОСТИ СУБЪЕКТА ТРУДА (МЕНЕДЖЕРА КОММЕРЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ)
  11. 34. Наем жилого помещения на коммерческой основе: юридическая характеристика, элементы, срок, отличие от договора социального найма.
  12. Приложение 17.