Давайте немного посчитаем. Пусть каждая пылинка золы в тысячу раз меньше зерна чечевицы. Тогда, если равномерно перемешать мешок золы и мешок чечевицы, на каждую тысячу пылинок золы приходится лишь одно зернышко чечевицы. Трудная, конечно, задача разобрать такую смесь.
Но представьте себе, что в современных условиях, при работе ядерного реактора на 1 грамм урана получается 106 грамма какого-нибудь радиоактивного изотопа. Ведь это соответствует тому, как если бы злая мачеха один мешок чечевицы смешала с тысячью мешков золы!
Золушке помогли волшебные голуби. У современных радиохимиков таковых нет. И, кроме всего прочего, выделение радиоактивных изотопов при таких соотношениях усложняется тем, что в растворах они присутствуют в исключительно малых концентрациях, порядка 10101016 грамма в литре. В этих условиях элементы теряют многие специфические свойства (обычно полезные) и приобретают новые, далеко не способствующие их выделению. Такие количества нельзя, например, выделить в виде осадка обычными химическими методами. Необходимо еще добавить, что в результате реакций деления образуется не один радиоактивный изотоп, а более трех десятков, принадлежащих различным элементам периодической системы (от цинка до гадолиния). Это уже во много раз хуже тысячи мешков золы. Однако современные «Золушки» нашли выход из положения.
В начале нашего столетия немецкий химик Отто Ган попытался отделить радиоактивный свинец от нерадиоактивного. Два года продолжалась напряженная работа, и, наконец, Ган отступил. Никакими химическими опытами нельзя было отделить их друг от друга.
Как раз это обстоятельство часто используют сейчас для выделения радиоактивных изотопов. Чтобы получить радиоактивный изотоп, присутствующий в смеси в крайне малых количествах, к нему добавляют стабильный изотоп этого же элемента, а затем уже используют химические реакции, характерные только
для него.
Допустим, у нас в смеси радиоактивные изотопы цезия, бария и серебра. В таком случае в раствор добавляют их стабильные изотопы, а затем последовательно выделяют из него серебро, прибавляя какой-либо растворимый хлорид, в виде хлористого серебра и барий, добавляя карбонат; в растворе остается лишь цезий. Метод такого выделения получил название осаждения с носителями. Кстати, не всегда обязательно добавляют в раствор, содержащий радиоактивный элемент, стабильный изотоп именно этого элемента. Можно заменить его элементом, который лишь частично по свойствам похож на него. Так, для отделения плутония от урана первоначально использовалась способность четырехвалентного плутония соосаждаться с фторидом лантана. Таким образом, выделение изотопов в радиохимически чистом виде (то есть свободных от примеси других радиоактивных изотопов) оказалось не слишком тяжелой задачей для радиохимиков.
Одним из первых методов выделения радиоактивных изотопов без носителя был метод отдачи. Суть его заключается в следующем. При взаимодействии ядра атома с какой-либо бомбардирующей частицей оно получает дополнительную кинетическую энергию, то есть энергию движущейся частицы, которая помогает ему, грубо говоря, «вырваться из объятий» химических связей с другими атомами. Поскольку вырвавшийся атом обычно ионизирован, лишен части своих электронов, то, используя свойства ионов притягиваться к противоположным зарядам, такие атомы можно «собирать» на пластинах, заряженных отрицательно. Именно так были впервые выделены и идентифицированы всего 17 атомов элемента менделеевия. Порой удается применить и более простые методы. Так, при облучении окиси магния дейтронами по реакции
26Mg + d 24Na + α
Фабрика изотопов
115B + 42He 147N + 10n.
73Li + 11H 74Be + 10n.
Нейтроны оказались превосходными «снарядами» для «обстрела» атомного ядра. Ведь они не имеют заряда, а следовательно, не будут, как альфа-частицы или протоны, отталкиваться положительно заряженными ядрами. Ученые сразу же взяли нейтрон на «вооружение». Первым среди них был итальянский физик Энрико Ферми. В результате его экспериментов выяснилось, что большинство элементов периодической системы взаимодействует с нейтронами. Особенно хорошо протекали ядерные реакции с так называемыми медленными нейтронами.
Из физики известно, что если катящийся шарик сталкивается с неподвижным, наибольшее количество энергии (или максимальную скорость) неподвижный шарик получит в том случае, когда массы обоих шариков равны. То же самое происходило и с нейтронами. Лучше всего они замедлялись при соударениях с ядрами атомов водорода.
Однако при этом одновременно может происходить реакция:
11H + 10n 21H + γ
В результате захвата ядрами медленных (или вообще любых) нейтронов чаще всего испускается гамма-квант и образуются изотопы тех же элементов, но с массовым числом на единицу больше. Однако в некоторых случаях после захвата медленного
нейтрона из образовавшегося возбужденного ядра может вылетать протон или альфа-частица:
147N + 10n 146C + 11H;105B + 10n 73Li + 42He.
23892U + 10n 23992U + γ
23992U 23993Э + β
Что именно получается в результате «бомбардировки» урана нейтронами, взялись выяснить французский ученый Фредерик Жолио-Кюри и серб Савич. Они пришли к неожиданному выводу: в продуктах взаимодействия урана с нейтронами присутствует элемент 57 лантан. Это было удивительно и непонятно: искали трансураны, а обнаружили элемент середины таблицы Менделеева. Объяснили непонятное явление немецкие радиохимики Ган и Штрассманн лишь в 1939 году.