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.

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.

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.