Реакции Сцилларда-Чалмерса

С помощью реак­ций (п,γ) можно получить радиоактивные изо­топы практически всех известных элементов.

Л. Сциллард и Т. Чалмерс первыми показали, что ра­диационный захват нейтронов сопровождается своеобразными химическими эффектами, которые могут быть использованы с целью обогащения радиоактивных изотопов. Химические из­менения при радиационном захвате нейтронов обусловли­ваются нарушением первоначальных связей и последующим взаимодействием возникающих при этом «горячих» и «возбуж­денных» атомов с окружающими молекулами и свободными ра­дикалами.

Наличие мощных источников нейтронов (ядерные реакторы) делает возможным широкое использование реакции радиацион­ного захвата нейтронов. К положительным особенностям этой реакции следует отнести:

1) универсальность, что позволяет применять ее для полу­чения радиоактивных изотопов самых разнообразных элемен­тов (реакция происходит на всех ядрах, за исключением ⁴Не);

2) высокие сечения активации (исключение составляют
ядра ²Н, ¹²С, ²⁰⁸Pb, ²⁰⁹Bi);

3) малую вероятность протекания конкурирующих реакций
(исключение составляют реакции ⁶Li (n, ά) T, ¹⁴N(n,р) ¹⁴С,
³⁵С1 (n, p) ³⁵S и некоторые другие);

4) отсутствие жестких требований к термической устойчи­вости мишеней;

5) возможность облучения больших масс вещества, что
обусловлено высокой проникающей способностью нейтронов.

Наряду с этим реакция радиационного захвата нейтронов имеет и отрицательные особенности, ибо приводит к образо­ванию изотопов тех же элементов, которые подвергались облу­чению. Следствием этого является значительное разбавление радиоактивных изотопов стабильными атомами.

Отделение радиоактивных изотопов, образующихся по ре­акции (п, γ), от стабильных атомов связано с большими труд­ностями, что обусловлено исключительно малым содержанием и весьма ограниченной продолжительностью жизни большин­ства радиоактивных изотопов, получаемых по этой реакции.

Единственным известным в настоящее время методом отде­ления искусственных радиоактивных изотопов, получаемых по реакции (п, γ), является метод Сцилларда — Чалмерса, исполь­зующий радиоактивную отдачу при эмиссии γ-квантов захвата.

Сущность этого метода заключается в следующем. При облучении стабильного элемента (в виде соединения) медлен­ными нейтронами захват последних сопровождается выделением энергии связи нейтрона с ядром в виде γ-квантов захвата и химическими изменениями согласно следующей схеме:

RX + n → rx₁* → X* + R + γ₁ + γ₂

молекула, молекула,.горячий" радикал гамма-кванты

содержа- содержа- атом ра- захвата

щая ста- щая воз- диоактив-

бильный бужден- ного изо-

изотоп ное ядро топа

активиру- радиоак-

емого тивного

элемента изотопа

Из этой схемы видно, что захват нейтрона атомом элемента, входящим в состав молекулы облучаемого соединения, сопро­вождается образованием составного возбужденного ядра, ко­торое переходит в основное состояние посредством эмиссии γ-квантов захвата. Этот процесс сопровождается разрушением молекулы исходного вещества и образованием «горячего» ра­диоактивного атома и свободных радикалов. Получаемая при этом атомом элемента энергия отдачи, обычно во много раз превышающая энергию химической связи элемента в соедине­нии, приводит к распаду молекулы и к выбрасыванию радиоак­тивного атома в форме свободного атома или иона. Если перво­начальные химические связи атомов в исходном соединении имеют такую природу, что заметного изотопного обмена между ними и формами стабилизации атомов или ионов не происходит, то физико-химическое отделение этих форм от исходного со­единения приводит к обогащению радиоактивного изотопа.

Так, например, при облучении медленными нейтронами йо­дистого этила возникает ¹²⁸J, который может быть отделен от исходного соединения в элементарном виде или в форме иодид-ионов при извлечении последних водой. Из этого примера видно, что чрезвычайно трудная проблема разделения изото­пов одного и того же элемента в данном случае сводится к раз­делению различных химических форм одного и того же эле­мента.

Успешное применение реакции Сцилларда — Чалмерса для обогащения радиоактивных изотопов связано с выполнением следующих основных условий:

1) захват нейтрона должен сопровождаться образованием атома отдачи с энергией, достаточной для полного или частич­ного нарушения химической связи атома в исходном соедине­нии, или значительной конверсией некоторых f-лучей захвата;

2) облучаемый элемент должен обладать способностью су­ществовать по крайней мере в двух достаточно устойчивых ва­лентных состояниях или в виде нескольких химических соедине­ний, не склонных к самопроизвольному взаимному переходу;

3) химические формы, в виде которых стабилизируется ра­диоактивный изотоп, должны быть сравнительно легко отде­лимы от исходного соединения;

4) в условиях облучения и последующего отделения (изо­лирования) радиоактивного изотопа не должно происходить быстрого изотопного обмена между атомами исходного соеди­нения и формами стабилизации радиоактивного изотопа;

5) облучение исходного соединения нейтронами не должно сопрово-ждаться заметными радиационно-химическими измене­ниями.

В качестве исходных соединений для обогащения радиоак­тивных изотопов, получаемых по реакции (п, γ), чаще всего применяются элементоорганические и комплексные соединения, карбонилы металлов, кислородсодержащие кислоты и их соли.

Одним из основных требований, предъявляемых к исходному соединению, является отсутствие ионогенных связей облучае­мого элемента в этом соединении. Другим существенным требо­ванием является относительная устойчивость соединения к воз­действию γ-радиации.

Наибольшего внимания заслуживают элементоорганиче;кие соединения.

Облучение элементоорганических соединений нейтронами приводит к возникновению только радиоактивных изотопов изу­чаемого элемента. Возникновение радиоактивных изотопов углерода и водорода в данном случае практически исключено вследствие малых сечений активации и больших периодов полу­распада. Кроме того, если бы радиоактивные изотопы углерода (¹⁴С) и водорода (³Н) и возникли, то отделение от них инте­ресующего нас радиоактивного изотопа не составило бы осо­бого труда. Химические изменения, происходящие при облуче­нии элементоорганических соединений, имеют резко выражен­ный необратимый характер. В этом случае отделение простей­ших химических форм, в виде которых стабилизируется большая часть радиоактивных атомов, осуществляется наиболее эффек­тивными и быстрыми методами (экстрагирование, адсорбция на неспецифических неизотопных носителях и т. д.).

К сожалению, не все элементы периодической системы спо­собны давать элементоорганические соединения, поэтому в ряде случаев приходится использовать также соединения других классов.

Эффективность метода Сцилларда — Чалмерса, зависящая от выбора исходного соединения, условий облучения и метода изолирования, характеризуется выходом и фактором обогаще­ния радиоактивного изотопа.

Выход радиоактивного изотопа, т. е. доля радиоактивных атомов, удаляемых из облученного соединения при изолирова­нии, составляет:

 

W=

где — число выделяемых радиоактивных атомов,

N* — общее число радиоактивных атомов в облученном

соединении.

Коэффициент (или фактор) обогащения характеризует сте­пень изменения соотношения между радиоактивными и стабиль­ными атомами в результате процесса обогащения.

Практически коэффициент обогащения можно определить как величину, которая показывает отношение удельной актив­ности препарата радиоактивного изотопа, полученного в результате обогащения, к удельной активности элемента в исход­ном соединении непосредственно после облучения.