Радиоактивный изотоп инертных газов

СТАБИЛЬНЫЕ И РАДИОАКТИВНЫЙ ИЗОТОП ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ

В наши дни не только научные лаборатории, но и отдельные отрасли техники и медицины предъявляют спрос на индивидуальные стабильные и особенно на радиоактивные изотопы недеятельных газов.
В выделении стабильных изотопов из их природных смесей используются главным образом методы диффузии — термической и сквозь пористую перегородку. Методы основаны на небольших различиях в плотности и скорости пробега молекул разных изотопов. Эффективно разделяется смесь изотопов при прохождении через пар ртути перпендикулярно его струе в диффузионном насосе. Ртутный пар играет роль пористой перегородки — он уносит с собой легкую фракцию, а тяжелый остаток поступает в следующую диффузионную ячейку. Напомним, что в Дубненском институте  ядерных исследований с помощью 22Ne были синтезированы 102-й и 104-й элементы, а ¹²⁹Хе и ³⁶Аr занимают видное место в космогонических построениях.
 
Специальные применения находят стабильные изотопы ²⁰Ne, ²²Ne, ³⁶Аr и ⁸⁶Кr в оптике, геологических исследованиях, ядерной физике и метрологии.
С 1960 г. оранжевая линия спектра стабильного изотопа криптона-86 принята в качестве международного не-разрушаемого эталона длины волны света. Эта длина укладывается в 1м (парижский эталон) 1 650 763,73 раза.
 
Значителен перечень синтезированных радиоактивных изотопов. Одних только радиоизотопов криптона насчитывается по меньшей мере 15, причем велик диапазон периодов их полураспада: от 2 сек у ⁹³Кr до 2·10 лет у ⁸¹Кr. По характеру излучения преобладают β-излучатели— на первом месте отрицательные (β ), на втором положительные (β+). Синтезированы изотопы, захватывающие электроны с оболочки, а также со смешанным излучением (например, β и γ). Некоторые изотопы изомерны стабильным природным изотопам, имея равные с ними массовые числа; бывают изотопы, претерпевающие изомерный переход. Так, существуют два вида ксенона-131: стабильный и радиоактивный. Последний,испуская γ-лучи, преобразуется в стабильный изотоп; период его полураспада 12 дней. Криптон-85 существует также в виде двух изомеров — основного (с периодом полураспада 10,57 лет) и промежуточного (с периодом полураспада 4,4 часа). Последний в 77% случаев распадается с испусканием β-й γ-лучей, а в 23% случаев испытывает изомерный переход в  основной  ⁸⁵Кr, испуская  γ-лучи.
 
В производстве радиоизотопов. преимущественное развитие получили три способа: 1) выделение радиоизотопов из продуктов деления урана или плутония в ядерном реакторе; 2) облучение нейтронами исходного Штернала, помещенного в ядерный реактор; 3) обстрел исходного материала (мишени) заряженными частицами в ускорителе. В качестве «снарядов» используются протоны, дейтроны, гелионы и т. д. Так, при обстреле фтора-19 протонами получают неон-19, серы-32 гелионами — аргон-37, а бомбардировкой ксенона-134 дейтронами получают ксенон-135:
 
¹⁹F( p , n ) ¹⁹Ne ;  ³²S( α , n ) ³⁵Ar ; ¹³⁴Xe ( d , p ) ¹³⁵Xe
 
Радиоизотопы инертных газов находят использование как радиоактивные индикаторы и генераторы излучений, в особенности там, где ценно их газообразное состояние. Находят полезное применение и те изотопы (85Кr и 135Хе), которые в общем рассматриваются как нежелательные продукты ядерной энергетики. Некоторые изотопы — ⁴¹Аr, ³⁷Аr, ⁷⁹Кr, ⁸⁵Кr, ¹³³Хе и другие — стали объектами полупромышленного производства. Осветим прикладное значение некоторых радиоизотопов.
 
При исследовании скорости, характера и путей движения газовых потоков в аэродинамических, вентиляционных и т. п. системах используется аргон-41. Этот β— и γ-цзлучатель удобен тем, что его период полураспада — 109 мин — не очень велик, но вместе с тем достаточен, чтобы с необходимой точностью зафиксировать падение активности  газового  потока  за   время   эксперимента. Его же используют для обнаружения утечек в подземных газгольдерах и иных резервуарах: дозиметр мгновенно укажет на места негерметичных соединений. Аргон-37 (Т½=34 дня) используется в клинической и фармаколо- гической практике для выявления нарушений газообмена в организме, прослеживания путей движения кислорода и углекислоты, их локализации в отдельных органах, а также влияния лекарственных препаратов на газообмен.
Многосторонне применение радиоизотопов криптона и ксенона, в особенности 85Кr. Его ценят как длительно действующий и сравнительно безопасный чистый бета-излучатель. Химическая инертность этого газа гарантирует, что он не задержится в организме человека, а в случае аварии нарушение герметичности сосуда с 85Кr не столь страшно, поскольку воздух помещения он надолго не загрязнит,  а  быстро  рассеется  в  атмосфере.
 
Двойственную роль может играть криптон-85. С одной стороны, на него предъявляют спрос многие области техники, медицины и науки. С другой же — он выступает как один из виновников радиоактивного загрязнения атмосферы. Будучи основным газообразным продуктом деления урана-235 в ядерных реакторах, ⁸⁵Кr выделяется при периодически производимой переработке остатков ядерного горючего из тепловыделяющих элементов. Чтобы не допустить его проникновения в атмосферу, этот газ собирают и «отстаивают» в специальных газгольдерах или закачивают под землю — обычно в полости отработанных газовых залежей, где в течение десятков лет он саморазрушается. Либо его очищают от примесей (включая и примеси иных изотопов криптона) и подвергают сорбции при низких температурах на угле, либо переводят в клатраты с целью последующего использования. С этой целью  применяются  и хемосорбенты.
Вторым и главным источником поступления ⁸⁶Кг в атмосферу служат опять же ядерные реакторы (но уже в процессе их работы) по причине повреждения и нарушения герметичности тепловыделяющих элементов. Третьим источником являются надземные ядерные испытания. Так как период полураспада ⁸⁵Кr довольно велик (10, 57 лет), наблюдается его медленное накапливание в атмосфере. В связи с этим осуществляются меры, направленные к сокращению его дальнейшего поступления в воздух, которые уже дают положительные результаты.
 
Изящен способ накапливания. ⁸⁵Кr в клатратах. Для этого удобен клатрат гидрохинона, получаемый насыщением расплавленного гидрохинона криптоном в автоклаве с последующим медленным охлаждением. Даже измельченный в порошок, этот клатрат, если он сух, не выделяет заметных количеств радиоактивного газа. Если же прибавлять к нему по каплям воду или ацетон, то клатрат станет растворяться с выделением дозированных количеств криптона-85. Остановимся на нескольких его применениях.
 
Если какой-либо твердый материал выдержать в контакте с этим газом при повышенйых температуре и давлении, то газ сконцентрируется вблизи поверхности образца на глубине порядка 103—105 А. Здесь газ прочно удерживается, создавая определенный, легко измеряемый уровень радиоактивности. Если затем образец подвергнуть нагреву, то часть ⁸⁵Кr улетучится, причем уменьшение активности является однозначной функцией температуры. Уменьшение активности наблюдается также при механическом износе поверхности или ее участии в какой-либо химической реакции. Эти явления используются для измерения температурных полей в недоступных объектах, например, в лопатках работающих турбин, для изучения коррозии изделий в рабочих условиях, износа деталей вследствие трения и т. п.
 
Другой важной областью применения ⁸⁵Кг является снятие  статических   электрических   зарядов   в   типографиях, в производстве пластмасс, резиновых изделий, кинопленки, текстиля. β-излучение, ионизируя воздух, делает его электропроводным. Преимуществом источников с ⁸⁵Кr по сравнению с другими β— и α-излучателями является их безопасность. Клатратное соединение легко разрушить водой и ⁸⁵Кr удалить проветриванием помещения.
 
В медицине криптон-85 используется в портативных источниках вторичного рентгеновского излучения, которые не нуждаются в питании от электросети. Поток электронов от ⁸⁵Кr, взаимодействуя с материалом соответствующей мишени, вызывает тормозное и характеристическое γ-излучение, аналогичное тому, что возникает в обычной рентгеновской трубке. Преимущество изотопных рентгеновских аппаратов еще и в том, что в известных пределах можно изменять энергию излучения, изменяя материал мишени.
Криптоном-85 заполняют один из видов «атомных» ламп— радиоактивных источников света. В них светится люминофор (например, активированный ZnS), облучаемый β-частицами. Такие сигнально-предупредительные лампы можно увидеть на отдельных железных дорогах, рудниках, маяках и всякого рода удаленных и труднодоступных местах. В зависимости от мощности лампы свет ее виден на расстоянии 0,5—1 км.
 
Энергию β-излучения преобразуют также и в электрическую с помощью полупроводников, термоэффекта, фотоэффекта и другими способами. Коэффициент полезного действия подобных «атомных батарей» низок, тем не мецее они находят применение для питания радиопередатчиков, часовых устройств и других приборов, требующих малого расхода энергии и расположенных в труднодоступных местах, на спутниках, космических кораблях и т. п.
Криптон-85 присутствует в некоторых видах газонаполненных электронных ламп; Ионизируя газ, он облегчает зажигание лампы.
Практический интерес, в частности для медицины, представляет ксенон-133. Это смешанный β — и γ-излучатель, в нем ценится отсутствие жесткого β-излучения, что подходит для получения радиографических снимков легких материалов и особенно в медицинской гамма-графии.  Период полураспада ¹³³ Хе  мал — 5,27  дня, но в аварийной ситуации это в сочетании с биологической и химической инертностью газа становится его преимуществом.
 
При помощи   источников   излучения,   содержащих ксенон-133, получают снимки конечностей и грудной клетки больных. Эти источники дают изображения и в таких условиях, когда затруднительно использование обычных рентгеновских аппаратов.
Радиоактивный ксенон используется для диагностирования опухоли спинного мозга. Немного воздуха, содержащего ¹³³Хе, вводят в канал позвоночника. У здорового человека пузырек газа поднимается вверх по спинномозговой жидкости и достигает черепа. При наличии же опухоли пузырек задерживается у ее нижней границы. Регистрирующий радиоактивность прибор определяет локализацию радиоактивного газа и тем самым расположение опухоли.
 
Такой же содержащий ксенон радиоактивный воздух используется для функциональной диагностики различных участков легких человека. В сердечной диагностике находят применение и другие короткоживущие изотопы ксенона и криптона.
Криптон-85, ксенон-133 и аргон-41 используются в радиоизотопных течеискателях. Один из этих изотопов добавляется к газу, заполняющему обследуемую систему. В ней создается повышенное давление, и уязвимые участки оборудования обводятся наконечником пробоотборника. При наличии течи в пробу воздуха поступает газ-носитель вместе с молекулами радиоизотопа, которые обнаруживаются счетчиком заряженных частиц.
Статья на тему Радиоактивный изотоп инертных газов