| 13986122 15360 8522 910 1чу. Для её решения были построены огромные заводы.
Существует ряд методов И. р. Все они основаны на различиях в свойствах изотопов и их соединений, связанных с различием масс их атомов. Для большинства элементов относительная разность масс изотопов весьма мала. Этим определяется сложность задачи.
Эффективность И. р. характеризуется коэфф. разделения ое. Для смеси двух изотопов[1007-79.jpg] , где С' и (1-С')- относительные содержания лёгкого и тяжёлого изотопов в обогащённой смеси, а С" и (1- С") - в первичной смеси. Для большинства методов а лишь немного больше единицы, поэтому для получения высокой изотопной концентрации единичную операцию И. р. приходится многократно повторять. Только при электромагнитном разделении а составляет 10-1000 за 1 цикл разделения. Выбор метода И. р. зависит от свойств разделяемого вещества, требуемой степени разделения, необходимого количества изотопов, экономичности процесса (при значит, масштабе произ-ва изотопов) и т. п.
Газовая диффузия через пористые перегородки. Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях ~0,1 н/м2 (~10-3 мм рт. ст.) "прокачивается" через пористую перегородку, содержащую до 106 отверстий на 1 см2 (рис. 1). Лёгкие молекулы проникают через перегородку быстрее тяжёлых, т. к. скорости молекул обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярного веса (см. Диффузия). В результате газ обогащается лёгкой компонентой по одну сторону перегородки и тяжёлой - по другую. Если разница в молекулярных массах очень мала, то необходимо повторение этого процесса тысячи раз. Количество операций разделения п определяется соотношением: q = а", где q - необходимая степень разделения. На этом методе основана работа гигантских газодиффузионных з-дов для получения 235U из газообразного UF6 (а ~ 1,0043). Для получения необходимой концентрации 235U требуется около 4000 единичных операций разделения (рис 2).
[1007-80.jpg]
Рис. 1. Схема устройства для разделения изотопов методом газовой диффузии.
Рис 3. Схема устройства для разделения изотопов методом противопоточной масс-диффузий.
[1007-81.jpg]
Диффузия в потоке пара (противопоточная масс-диффузия). И. р. происходит в цилиндрич. сосуде (колонне), перегороженном вдоль оси диафрагмой, содержащей ок. 103 отверстий на 1 см2 (рис. 3). Газообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогательного пара. Вследствие градиента (перепада) концентрации газа и пара в поперечном сечении цилиндра и большего коэфф. диффузии для лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхнего конца цилиндра вместе с осн. потоком пара, а оставшаяся в правой половине часть газа движется вдоль диафрагмы и отводится из аппарата. Пар, проникший в правую часть, конденсируется. На разделительных установках,
состоящих из неск. десятков послсдо вательно соединённых диффузионных колонок с испаряющейся жидкостью (ртуть, ксилол и др.), разделяются в лабораторных масштабах (до 1 кг) изотопы неона, аргона, углерода, криптона, серы (рис. 4).
Термодиффузия. Термодиффузионная разделительная колонка состоит из двух коаксиально расположенных труб, в к-рых поддерживаются различные темп-ры (рис. 5). Разделяемая смесь вводится между ними. Перепад темп-р ДТ между поверхностями труб создаёт диффузионный поток, что приводит к появлению разности концентрации изотопов в поперечном сечении колонки (см. Термодиффузия). Одновременно перепад темп-р приводит к возникновению конвективных вертикальных потоков газа (см. Конвекция). Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверхности внутр. трубы и движутся вверх. Коэфф. разделения где [1007-82.jpg]- постоянная термодиффузии, [1007-83.jpg] зависящая от относит, разности масс изотопов, а Т = = (T1 + T2)/2. Термодиффузионный метод позволяет разделять изотопы как в газообразной, так и в жидкой фазе. Возможный ассортимент разделяемых изотопов шире, чем при разделении методом газовой диффузии или диффузии в потоке пара. Однако для жидкой фазы Ct мало. Метод удобен при И. р. в лабораторных условиях вследствие простоты, отсутствия вакуумных насосов и т. д. Этим методом был получен Не с содержанием 0,2% 3He (в природной смеси 1,5*10-5 %), изотопы 18O, 15N, 13C, 20Ne, 22Ne, 35Cl, 84Kr, "Kr с концентрацией >99,5%. Термодиффузия использовалась в пром. масштабе в США для предварительного обогащения 235U перед окончательным разделением его на электромагнитной установке. Термодиффузионный завод состоял из 2142 колонн высотой 15 м.
Рис. 5. Схема термодиффузионной разделительной колонки.
[1007-84.jpg]
Дистилляция (фракционная перегонка). Поскольку, как правило, изотопы имеют различные давления насыщенного пара, напр. p1 и p2, и различные точки кипения, то возможно разделение изотопов путём фракционной перегонки. Используются фракционирующие колонны с большим числом ступеней разделения; а зависит от отношения р1/р2 и его значение уменьшается с ростом молекулярной массы и темп-ры. Поэтому процесс наиболее эффективен при низких темп-pax. Дистилляция использовалась при получении изотопов лёгких элементов - 10B, 11В, 18O, 13N, 13C,а в пром. масштабе для получения сотен тонн тяжёлой воды в год.
Изотопный обмен. Для И. р. используются также хим. реакции, в к-рых изотопы разделяемого элемента обмениваются местами. Так, напр., если привести в соприкосновение хлористый водород HCl с бромистым водородом HBr, в к-рых первоначальное содержание дейтерия D в водороде было одинаковым, то в результате обменной реакции содержание D в HCl будет несколько выше, чем в HBr (см. Изотопный обмен). Применение неск. ступеней позволяет получать высокое обогащение водорода, азота, серы, кислорода, углерода, лития отдельными изотопами.
Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой окружной скоростью (100 м/сек), более тяжёлые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а лёгкие молекулы - у ротора центрифуги. Поток пара во внешней части с тяжёлым изотопом направлен вниз, а во внутренней с лёгким изотопом - вверх. Соединение неск. центрифуг в каскад обеспечивает необходимое обогащение изотопов. При центрифугировании а зависит не от отношения масс атомов разделяемых изотопов, а от их разности. Поэтому центрифугирование пригодно для разделения изотопов и тяжёлых элементов. Благодаря совершенствованию центрифуг метод стал применяться для пром. разделения изотопов урана и др. тяжёлых элементов.
Электролиз. При электролизе воды или водных растворов электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньшее количество дейтерия, чем исходная вода. В результате в электролизёре растёт концентрация дейтерия. Метод применялся в пром. масштабах для получения тяжёлой воды. Разделение др. изотопов лёгких элементов (лития, калия) электролизом их хлористых солей производится только в лабораторных количествах.
Электромагнитный метод. Вещество, изотопы к-рого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной
камеры сильным электрич. полем, формируются в ионный пучок и попадают в вакуумную разделительную камеру, помещённую в магнитное поле H, направленное перпендикулярно движению ионов. Под действием магнитного поля ионы движутся по окружностям с радиусами кривизны, пропорциональными корню квадратному из отношения массы иона M к его заряду е. Вследствие этого радиусы траектории тяжёлых и лёгких ионов отличаются друг от друга (рис. 6).
[1007-85.jpg]
Рис. 6. Схематическое изображение электромагнитного разделительного устройства; точки показывают направление магнитного поля, перпендикулярное плоскости рисунка.
Это позволяет собирать ионы различных изотопов в приёмники, расположенные в фокальной плоскости установки (см. Масс-спектрометры).
Производительность электромагнитных установок определяется значением ионного тока и эффективностью улавливания ионов. На больших установках ионный ток колеблется от десятков до сотен ма, что даёт возможность получать до неск. граммов изотопов в сутки (суммарно по всем изотопам). В лабораторных сепараторах производительность в 10-100 раз ниже.
Электромагнитный метод характеризуется высоким а и возможностью одновременного разделения всех изотопов данного элемента. Обычно на больших пром. установках для одной ступени разделения a ~ 10-100, в лабораторных - в 10-100 раз выше. В большинстве случаев при разделении электромагнитным методом достаточно одной ступени, редко производится повторное разделение предварительно обогащённых изотопных материалов для получения изотопов особо высокой частоты.
Осн. недостаток метода -относительно низкая производительность, высокие эксплуатационные затраты, значит, потери разделяемого вещества.
Электромагнитный метод впервые позволил получить килограммовые количества 235U. Электромагнитный э-д в Oк-Ридже (США) имел 5184 разделительные камеры -"калютроны" (рис. 7). Вследствие высокой универсальности и гибкости электромагнитные установки используются для разделения изотопов ~ 50 элементов периодич. системы в количествах от мг до сотен г и являются осн. источником обеспечения изотопами н.-и. работ и нек-рых практич. применений изотопов (см., напр., Изотопные индикаторы).
Наряду с большими электромагнитными разделительными установками для пром. производства изотопов широкое применение получили лабораторные сепараторы. Они используются для получения радиоактивных изотопов, необходимых для ядерной спектроскопии, для изучения взаимодействия ионов с твёрдым телом (при ионном внедрении и для др. целей).
Другие методы разделения. Помимо перечисленных, существует ряд др. методов, применение к-рых носит ограниченный характер или находится в стадии исследований или технич. усовершенствований. К ним относятся: получение 3He, основанное на явлении сверхтекучести 14He; разделение посредством диффузии в сверхзвуковой струе газа, расширяющейся в пространстве с пониженным давлением; хроматографич. разделение, основанное на различии в скоростях адсорбции изотопов: биол. способы разделения.
Методы И. р. имеют особенности, определяющие области их наиболее эффективного применения. При И, р. лёгких элементов с массовыми числами ок. 40 экономически более выгодны и эффективны дистилляция, изотопный обмен и электролиз. Для разделения изотопов тяжёлых элементов применяются диффузионный метод, центрифугирование и электромагнитное разделение. Однако газовая диффузия и центрифугирование могут быть использованы, если имеются газообразные соединения элементов. Поскольку таких соединений мало, реальные возможности этих методов пока ограничены. Термодиффузия позволяет разделять изотопы как в газообразном, так и в жидком состоянии, но при разделении изотопов в жидкой фазе а мало. Электромагнитный метод обладает большим а, но имеет малую производительность и применяется гл. обр. при ограниченных масштабах произ-ва изотопов.
Для обеспечения научно-исследовательских работ и практич. применений изотопов в СССР создан Государственный фонд стабильных изотопов, обладающий запасом изотопов почти всех элементов. Регулярно производится разделение значит. количеств дейтерия 10B, 13C, 15N, 18O, 22Ne и др. изотопов. Организован также выпуск различных хим. препаратов, меченых стабильными изотопами.
Лит.: Бродский А. И., Химия изотопов, M., 1952; Смит Г., Атомная энергия для военных целей, пер, с англ., M., 1946; Физический энциклопедический словарь, т. 4, M., 1965: Розен A. M., Теория разделения изотопов и колоннах, M., 1960; Джонс К., Ферри В., Разделение изотопов методом термоднффуэии, пер. с англ., M., 1947; Koch J. [ed..l, Electromagnetic isotope separators and applications of ele-ctromagnetically enriched isotopes, Amst., 1958. В. С. Золотарёв.
ИЗОТОПЫ (от изо... и греч. topos- место), разновидности одного хим. элемента, занимающие одно место в пери-одич. системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Хим. свойства атомов, т. е. принадлежность атома к тому или иному хим. элементу, зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома (см. Атом). Место хим. элемента в пе-риодич. системе элементов определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или, что то же самое, числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов , в ядро атома входят нейтроны, масса каждого из к-рых приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определённых пределах. Напр., в ядре атома гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное число протонов Z и нейтронов N в ядре (наз. общим термином нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это число А - Z + N наз. массовым числом атома. От соотношения чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин, магнитный дипольный момент, электрический квадруполъный момент ядра и нек-рые др. его свойства (см. Ядро атомное). T. о., атомы с одинаковым Z, но с различным числом нейтронов N обладают идентичными хим. свойствами, но имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти разновидности атомов также наз. И. Для обозначения любых разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному элементу, применяют термин нуклиды.
Массовое число И. приводится сверху слева от хим. символа элемента. Напр., И. гелия обозначаются: 3He, 4He, 8He, 8He. Более развёрнутые обозначения:
12Не3, 22Не4, 42He6 и 62Не8, где нижний индекс указывает число протонов Z, верхний левый индекс - число нейтронов N, а верхний правый - массовое число. При обозначении И. без применения символа элемента массовое число А даётся после наименования элемента: ге-лий-3, гелий-4 и т. п.
Массы атомов M, выраженные в атомных единицах массы, лишь немного отличаются от целых чисел. Поэтому разность M - А всегда правильная дробь, по абс. величине меньше 1/2, и т. о. массовое число А есть ближайшее к массе атома M целое число. Знание массы атома определяет полную энергию [1007-87.jpg] связи всех нуклонов в ядре. Эта энергия выражается соотношением [1007-88.jpg] , где с - скорость света в вакууме, [1007-89.jpg]- разность между суммарной массой всех входящих в ядро нуклонов в свободном состоянии и массой ядра, к-рая равна массе нейтрального атома без массы всех электронов.
Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое хим. поведение, могут иметь различные физ. свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906-07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий имеют те же хим. свойства, что и торий, однако отличаются от последнего атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Более того, как было обнаружено позднее, все три элемента имеют одинаковые оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по хим. свойствам, но различные по массе атомов и нек-рым физ. свойствам, по предложе |
