Некоторые проблемы ядерной химии
Член-корреспондент АН СССР В. И. Гольданский, заведующий лабораторией ядерной и радиационной химии Института химической физики АН СССР/
Не пытаясь дать здесь полный обзор проблем ядерной химии, остановимся на двух примерах, иллюстрирующих отдельные направления ядерно-химических исследований.
«НОВЫЕ АТОМЫ»
Начнем с так называемых «новых атомов». Самый легкий химический элемент, как известно,— водород. Атом простейшего из изотопов водорода — протия — состоит из одного протона и одного электрона. И если искусственное создание трансурановых элементов сейчас уже не вызывает удивления, то получение атомов более легких, чем водородные, может показаться принципиально неосуществимым.
Между тем уже сейчас известно несколько таких «новых атомов», в которых протон заменен на другую, более легкую положительную частицу. В пионии роль протона играет пи (π+)— мезон, в мюонии — мю (μ+) — мезон. Наиболее легким из всех является атом позитрония, состоящий из одного позитрона (заменяющего здесь прогон) и одного электрона. Эти атомы образуются при облучении вещества электроположительными «двойниками электрона — позитронами, получаемыми с помощью ускорителей или радиоактивных источников. Пока энергия позитронов велика, они, как и всякие заряженные частицы, ионизуют и возбуждают молекулы окружающей среды. Но «на излете», когда кинетическая энергия позитронов составляет всего несколько электроновольт (эв), они с большой вероятностью отбирают электроны у окружающих молекул и образуют атом позитрония.
В отличие от водорода позитроний неустойчив: образующие его позитрон и электрон быстро взаимоуничтожаются, аннигилируют, причем происходит испускание гамма-квантов. Для исследования поведения позитрония весьма важно то обстоятельство, что он может существовать в двух формах. Одна из этих форм, в которой спины — вращательные моменты — электрона и позитрона параллельны и, следовательно, складываются, называется орто-позитронием. Другой формой является так называемый пара-позитронии, в котором спины электрона и позитрона направлены в противоположные стороны и суммарный вращательный момент равен поэтому нулю. Орто-позитроний живет (в вакууме) в среднем около 10—7 секунды и погибает, испуская три гамма-кванта. Время жизни пара-позитрония еще в тысячу раз меньше, и при его гибели испускаются лишь два гамма-кванта.
Взаимодействие орто-позитрония с неспаренными электронами свободных атомов и радикалов зачастую приводит к его конверсии — превращению в пара-позитроний. Кроме того, будучи близким химическим аналогом водородного атома, позитроний — простейший одновалентный свободный атом — может, конечно, вступать во всевозможные химические реакции и должен быть очень активным в химическом отношении, как и всякие свободные атомы или радикалы. Но как наблюдать эти реакции?
Поскольку продолжительность жизни позитрония очень мала, даже мощные радиоактивные источники не позволяют накопить в веществе большие концентрации позитрония, не больше нескольких десятков атомов в кубическом сантиметре. Поэтому ни о каких химических методах наблюдения позитрония не может быть и речи. Но регистрация с помощью различных радиотехнических схем гамма-квантов, испускаемых в момент гибели позитрония, открывает совершенно недоступные классической химии возможности наблюдения событий, связанных с превращением всего одного атома. Различные химические реакции, в которые вступают атомы орто-позитрония, приводят к тому, что время его жизни в сотни раз укорачивается. Вдобавок в результате химических взаимодействий орто-позитрония при последующей аннигиляции позитронов испускаются уже не три, а два гамма-кванта. Определяя с помощью так называемых схем совпадений время жизни позитронов или соотношение числа случа- -ев аннигиляции с испусканием трех и двух гамма-квантов в разных твердых веществах, жидких или газовых системах, удается подробно изучить химические реакции с участием позитрония.
Исследования химии позитрония, проводимые сейчас и у нас и в ряде зарубежных лабораторий, представляют отнюдь не только академический интерес. Будучи простейшим свободным радикалом, атом позитрония весьма чувствителен ко всякому присутствию «по соседству» других свободных радикалов, атомов, электронов. Поэтому опыты по химии позитрония открывают новые пути изучения систем со свободными химическими валентностями, широко исследуемых сейчас с помощью метода электронного парамагнитного резонанса. Но опыты с позитронами дают и дополнительные, совершенно специфические возможности. В тех случаях, когда два гамма-кванта испускаются при аннигиляции покоящихся электрона и позитрона, они разлетаются в противоположные стороны, под углом 180°. Аннигиляция же на движущихся электронах приводит к небольшому, но вполне измеримому отклонению этого угла от 180°. Наблюдения таких отклонений позволяют определить скорости движения электронов в веществе.
Исследование распределения по углам разлета аннигиляционных гамма-квантов позволяет определить вид энергетического спектра свободных электронов в металлах или валентных электронов в разных кристаллических структурах. Не удивительно поэтому, что установки для наблюдения угловых характеристик аннигиляции позитронов появляются сейчас во многих лабораториях физики твердого тела.
Мы говорили о таких «новых атомах», где на месте протона стоит другая положительная частица. Но есть «новые атомы», в которых роль электрона играет более тяжелая отрицательная частица. В пи-мезоатоме это π—-мезон, в мю-мезоатоме — [μ—-мезон, а в «антипротоноатоме» — отрицательный «двойник» протона — антипротон. Поведение таких атомов — особая тема, и сейчас мы ее касаться не будем.
ЯДЕРНАЯ СВАРКА
Рассмотрим химические последствия происходящих в веществе ядерных превращений. Наиболее характерное из них — возникновение так называемых «горячих» атомов, которые движутся подчас в тысячи раз быстрее, чем при обычном тепловом движении.
Энергия «горячих» атомов значительно превышает ту, которая необходима для разрыва химических связей. Такие атомы способны вступать в химические реакции, совершенно неосуществимые в обычных условиях. К тому же «горячие» атомы часто оказываются радиоактивными, и поэтому за их поведением легко удается проследить. Это Помогает понять механизм всевозможных радиационных повреждений различных материалов. В лабораториях у нас и за рубежом сейчас широко изучается «отжиг» твердых тел — химические превращения вдоль траекторий ядерных частиц, последующее залечивание (возвращение к исходному состоянию) или «удержание» радиационного дефекта.
Возникновение сильных, хотя и кратковременных местных разогревав вдоль треков тяжелых ядерных частиц может найти и определенное практическое применение. Так, например, если вдоль поверхности раздела двух материалов вводить ядра бора или лития и подвергать их затем облучению тепловыми нейтронами, можно прочно соединить эти материалы.
Поглощение тепловых нейтронов ядрами бора-10 приводит к их развалу на литий-7 и гелий-4.
Вдоль пути ядер лития и гелия (длиной в несколько микронов) возникает кратковременный (~10—10 сек.), но Довольно сильный— на сотни и тысячи градусов — разогрев. Распространяется он по «каналу» диаметром в несколько десятков ангстрем.
Проникновение молекул промежуточной прокладки из полистирола, содержащего бор или литий, в разогретые «каналы», их перемешивание с молекулами соединяемых материалов, а иногда и образование новых химических связей обеспечивают «ядерную сварку».
Этим способом в нашей лаборатории была осуществлена «ядерная точечная сварка» таких материалов, как тефлон — тефлон, тефлон — полиэтилен, тефлон — алюминий, тефлон — кварц, не говоря уже о соединении других, менее инертных в химическом отношении полимерных материалов. Прочность шва «ядерной точечной сварки» достигает 150 кг/см2. С помощью этого метода удалось заметно повысить прочность связи капронового корда с резиновым покрытием. Это очень важно для шинной промышленности.
Нейтронное облучение имеет, конечно, и свои недостатки, связанные прежде всего с активацией облучаемых материалов. Это обстоятельство сужает круг материалов, для которых описываемый метод можно считать перспективным. Но существует и весьма широкий ассортимент изделий, где опасность создания наведенной радиоактивности практически отсутствует, и потому можно надеяться на крупномасштабное применение «ядерной точечной сварки».
Число примеров, иллюстрирующих новые проблемы, возникшие в результате взаимопроникновения методов и представлений ядерной физики и химии, их взаимной помощи и творческого содружества, легко можно было бы умножить. Но думается, что и сказанного достаточно, чтобы создать первое представление о ядерной химии — новой области современной физической химии, возникшей и развивающейся на наших глазах.
Статьи по теме
- Новые виды радиоактивности
- ПАМЯТИ В. И. ГОЛЬДАНСКОГО (18.06.1923-14.01.2001)
- ТЕОРИЯ ЦЕПНЫХ РЕАКЦИЙ (Из статьи "Теория горения", "Наука и жизнь" №8-9, 1940 г.)
- Голубые глаза, или Еще о биографической прозе
- СЛОВО ОБ УЧИТЕЛЕ
Читайте в любое время
