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.