Из изложенного выше совершенно однозначно определен путь, по которому следует идти, чтобы получить радиоактивные изотопы. Нужно каким-либо способом нарушить в стабильных изотопах, вернее в их ядрах, оптимальное отношение между числом нейтронов и числом протонов. Для этого необходимо бомбардировать стабильные ядра различными частицами как заряженными, так и нейтральными. В качестве заряженных частиц используют наиболее часто протоны (р), дейтоны (d) — ядра тяжелого изотопа водорода (1H2) и реже α-частицы — ядра изотопа гелия (2Не4), в качестве нейтральных частиц — нейтроны. Чтобы произошла так называемая ядерная реакция, положительно заряженной частице необходимо преодолеть электростатическое отталкивание положительно заряженного ядра. Поэтому эти частицы должны обладать колоссальной энергией в десятки мегаэлектронвольт. Но даже и в этом случае только небольшая часть быстрых частиц достигает ядра и вступает с ним в ядерную реакцию.
Радиоактивность, возникающая под действием облучения частицами высоких энергий, или нейтронами, получила название искусственной радиоактивности, а образующиеся изотопы — искусственными радиоактивными изотопами в отличие от естественной радиоактивности урана, тория и продуктов их распада, встречающихся в природе.
Интересно отметить, что явление искусственной радиоактивности было открыто супругами Ирен и Жолио Кюри — вторым поколением прославленных исследователей радиоактивности.
Для получения быстрых заряженных частиц существуют различного типа ускорители — линейные ускорители, циклотроны и т. д. Ускорение заряженных частиц основано на их поведении в электрическом и магнитном полях. Двигаясь в электрическом поле, заряженная частица приобретает энергию, пропорциональную разности потенциалов и заряду частицы. Если разность потенциалов электрического поля U выразить в миллионах вольт, а заряд частицы Z в единицах заряда электрона, то приобретаемая ею энергия Е = U·Z Мэв. Линейные ускорители представляют собой откачанную до глубокого вакуума трубу, внутри которой на некотором расстоянии друг от друга расположен ряда электродов. Между соседними парами электродов прикладывается разность потенциалов от генераторов высокого напряжения в сотни тысяч и миллионы вольт. Пролетая последовательно через промежутки между электродами, частицы приобретают все большую энергию. Простейшим линейным ускорителем для электронов является известный всем кинескоп телевизора.
Несмотря на кажущуюся простоту линейного ускорителя, возможности получения частиц очень больших энергий ограничены чисто техническими причинами — непомерной длиной разгонной трубки и в связи с этим трудностями обеспечения глубокого вакуума. Кроме того, каждая пара электродов «запитывается» от своего собственного высоковольтного генератора — сложного, громоздкого и дорогого устройства.
В однородном магнитном поле заряженная частица движется по круговой траектории, радиус которой растет пропорционально скорости и массе частицы и уменьшается с увеличением напряженности магнитного поля. На этом явлении основана работа наиболее распространенного ускорителя-циклотрона, схема которого представлена на рисунке. Электроды циклотрона в виде пустотелых плоских полуцилиндров вместе с впрыскивающим и выпускным устройством помещаются в вакуумную камеру, которая, в свою очередь, расположена между полюсами магнита, создающего мощное однородное магнитное поле в вертикальном направлении. При заданной напряженности магнитного поля время движения частицы внутри каждого электрона не зависит от ее энергии. Если к электродам подключить источник переменного высоковольтного напряжения, частота которого соответствует времени движения по одной полуокружности, то после впрыскивания порции частиц они будут ускоряться, пролетая между левым и правым электродами; необходимо только, чтобы в это время напряжение было максимальным. Внутри электрода частицы под действием магнитного поля будут двигаться по полуокружности. К моменту выхода частиц к промежутку между электродами напряжение достигает максимальной величины, но в противоположном направлении. Пролетая между правым и левым электродом, частицы приобретут порцию энергии, т. е. получат ускорение. В левом электроде они будут двигаться по полуокружности большего радиуса и к промежутку между электродами попадут к тому моменту, когда электрическое напряжение изменит полярность и достигнет максимальной величины.
Таким образом, частицы будут двигаться как бы по спирали и ускоряться каждый раз, когда они будут пролетать промежуток между электродами. В циклотронах могут быть получены частицы с энергией несколько десятков мегаэлектронвольт. Дальнейшее повышение энергии частиц в циклотроне встречает некоторые принципиальные трудности. Дело в том, что в соответствии с теорией относительности масса тел не является величиной постоянной и зависит от скорости. Если в состоянии покоя массу частицы обозначить через m0, то при скорости υ масса частицы приобретает значение
mυ = m0:√(1—υ2:c2),
где с — скорость света.
Пока скорость частиц мала по сравнению со скоростью света, изменением массы можно пренебречь. Для частиц с очень большой энергией изменение массы составляет заметную величину. Из-за этого время пролета частицы внутри электрода будет зависеть от ее энергии. Таким образом, по мере разгона частиц необходимо менять частоту подаваемого высокого напряжения или величину магнитного поля, либо то и другое. Этот принцип используется в самых мощных ускорителях — фазотронах и циклофазотронах. В СССР были построены самые мощные для своего времени ускорители в г. Дубне и под г. Серпуховым, они позволили разгонять протоны и дейтроны до десятков миллиардов электронвольт.
Ускорительная техника достигла такого уровня, что позволяет получать радиоактивные изотопы в промышленных масштабах. Источниками нейтронов, как правило, служат атомные реакторы, в которых наряду с основной задачей — выработкой энергии может решаться и побочная задача — образование радиоактивных изотопов. При ядерных реакциях частицы, которыми производится бомбардировка (на ускорителе или в атомном реакторе), взаимодействуют с атомными ядрами мишени. Образовавшееся новое ядро, как правило, крайне неустойчиво и мгновенно выбрасывает какую-либо частицу. В результате образуется ядро стабильного или радиоактивного изотопа.
Вероятность протекания той или иной ядерной реакции характеризуется сечением реакции σ, т. е. некоторой эффективной площадью поперечного сечения ядра, которая может и не совпадать с истинным геометрическим сечением. В ядерной физике за единицу сечения принята величина
1 барн = 10-24 см2,
т. е. величина, близкая к среднему значению площади сечения ядра. Для заряженных и достаточно быстрых частиц — протонов, дейтонов, α-частиц сечение реакции составляет десятые, сотые и даже тысячные доли барна. Это объясняется тем, что под действием электростатических сил отталкивания частицы отклоняются от прямолинейного пути и не попадают в ядро. Только небольшая их часть, движущаяся непосредственно «в лоб», достигает атомного ядра и взаимодействует с ним.
Сечение реакции с нейтронами в зависимости от их энергии может достигать десятков, сотен и даже тысяч барн. Создается впечатление, что в отношении нейтронов ядро как бы «раздувается», увеличивает свои размеры. Причина этого явления кроется в особых волновых свойствах материи и находит объяснение в рамках волновой, или квантовой, механики.
Ядерные реакции символически записываются следующим образом: сначала указывается изотоп мишени, затем в скобках — бомбардирующая и вылетающая частицы и за скобками — конечный изотоп.
Например, радиоактивный изотоп натрий-22 с периодом полураспада 2,6 года получают бомбардировкой магния дейтонами (d). При этом излучается α-частица: Mg24 (d, α) Na22. Бомбардировка дейтонами хрома приводит к образованию радиоактивного изотопа — марганца-52 с периодом полураспада 6 дней и выбросом двух нейтронов: Cr52 (d, 2n) Mn82. Получение радиоактивных изотопов бомбардировкой протонами происходит с меньшим выходом, чем в случае бомбардировки дейтонами. Тем не менее ряд изотопов получают и на этих частицах, например натрий-22, марганец-52 и др.: Mg28 (ρ, α) Na22, Cr82 (ρ, n) Mn52. Бомбардировка β-частицами для получения радиоактивных изотопов из-за малого выхода не находит практического применения.
При бомбардировке мишеней заряженными частицами, как правило, образуются изотопы новых, отличных от вещества мишени элементов. Вследствие этого они могут быть отделены от вещества мишени обычными химическими методами, в чистом, без носителя, виде, т. е. радиоактивный препарат содержит атомы только радиоактивного изотопа, и в этом преимущество этого метода получения. Обратная картина имеет место при бомбардировке мишени в реакторе медленными нейтронами. В этом случае нейтрон захватывается ядрами мишени, а избыточная энергия высвечивается в виде γ-излучения. Образующийся радиоактивный изотоп принадлежит тому же химическому элементу, что и мишень, поскольку заряд ядра не меняется. Чтобы получить высокую радиоактивность препарата, необходимо длительное облучение нейтронами в реакторах с большой, плотностью потока нейтронов. Так, например, получают радиоактивный кобальт-60, нашедший самое широкое применение в технике и медицине: Co59 (n, γ) Со60. По реакции (n, γ) в атомных реакторах получают значительный ассортимент радиоактивных изотопов для практического использования — бром-82, вольфрам-184, железо-55, золото-198, кальций-45 и многие другие.
Иногда по реакции (n, γ) могут быть получены радиоактивные изотопы и без носителя. Это может иметь место, когда образовавшийся радиоактивный изотоп после β-распада превращается, в свою очередь, не в стабильный, а радиоактивный изотоп. Ниже приводятся примеры такого пути. При облучении платины нейтронами образуется радиоактивный изотоп платины — Pt199 с периодом полураспада 29 мин. Вследствие β—-распада последнего образуется дочерний радиоактивный изотоп золото-199.
Радиоактивное золото сравнительно легко отделяется от основной массы платиновой мишени. Аналогично могут быть получены иод-131 облучением теллура, празеодим-143 облучением церия, серебро-111 облучением палладия.
При облучении некоторых изотопов нейтронами в реакторе со значительным выходом может иметь место реакция (n, ρ). Именно по этой реакции получаются наиболее важные радиоактивные изотопы, широко используемые в биологии, медицине, сельском хозяйстве и в других областях. Это углерод-14 с периодом полураспада 5568 лет, фосфор-32 с периодом полураспада 14 дней и сера-35 с периодом полураспада 87 дней: N14 (n, ρ) С14; S32 (n, ρ) Р32; Cl35 (n, ρ) S35. Естественно, что эти радиоактивные изотопы могут быть получены в чистом виде, без носителя. При работе атомных реакторов происходит деление ядер урана или плутония. В результате идет накопление большого набора различных радиоактивных изотопов так называемых продуктов деления. При регенерации отработанного ядерного «топлива» отдельные радиоактивные изотопы могут быть выделены в чистом виде практически в неограниченном количестве. Наиболее важные из них стронций-90 с периодом полураспада 27 лет, цезий-133 с периодом полураспада 30 лет, прометий-147 с периодом полураспада 2,7 года, церий-144 с периодом полураспада 285 дней и др. В качестве побочного продукта в атомных реакторах образуется нептуний-237, который является сырьем для особо важного радиоактивного изотопа — плутония-238, об использовании которого будет рассказано ниже.
Теорией и практикой выделения радиоактивных изотопов из природной смеси изотопов в урановых и ториевых рудах, из материала мишени, облученной в Циклотроне или атомном реакторе, из отходов переработки ядерного горючего занимается радиохимия. Как правило, радиоактивный изотоп присутствует в очень малых концентрациях, и задача сводится к его концентрированию и отделению от основной массы нерадиоактивных компонентов системы. При концентрировании используют особенности распределения микро компонента между разными фазами при выделении макрокомпонента, обладающего аналогичными химическими или физико-химическими свойствами. Эти особенности были досконально изучены академиком В. Г. Хлопиным и его учениками. Еще в начале 20-х годов на основании найденных закономерностей был разработан метод концентрирования радия из урановых руд при сокристаллизации с его химическим аналогом — барием, а затем разделения радия и бария. Этот метод был внедрен в промышленное получение радия в нашей стране.
При выделении радиоактивных изотопов часто возникает задача разделения близких по своим свойствам элементов. Эта задача усложняется тем, что концентрации их в исходном веществе могут отличаться в сотни и тысячи раз. Например, уже упоминавшаяся ядерная реакция получения празеодима-143 требует отделения празеодима от основной массы мишени — церия, а свойства этих редкоземельных элементов очень близки. Еще более сложные задачи возникают при выделении отдельных радиоактивных изотопов из отходов регенерации ядерного топлива, при разделении продуктов деления. Здесь одновременно присутствуют радиоактивные изотопы элементов аналогов: стронций — барий; иттрий — лантан — церий — празеодим — неодим — самарий — европий; бром — иод; близкие по свойствам цирконий и ниобий и много других. Для выделения каждого из элементов используют хорошо разработанные методы сокристаллизации, экстракции и хроматографии. В первом случае используется пусть даже небольшое различие в распределении аналогов между жидкой и твердой кристаллической фазами, во втором — между двумя несмешивающимися жидкостями и в третьем — между раствором и сорбентом. Несмотря на небольшие различия в распределении, многократным повторением процесса удается достичь практически полного разделения.
Производство радиоактивных изотопов приобрело промышленный масштаб. Некоторые из них производятся в количествах, измеряемых килограммами. Радиохимическая промышленность поставляет для нужд науки и техники широкий ассортимент радиоактивных изотопов большинства химических элементов.