Есть еще одна обширная сфера применения мирного атома, где радиоизотопы выступают в качестве тонкого инструмента научного исследования. Речь идет о методе меченых атомов, открытом довольно неожиданным образом талантливым физиком Георгом Хэвеши, ныне лауреатом Нобелевской премии.
В 1911 году Хэвеши работал в Институте физики Манчестерского университета под руководством прославленного ученого Эрнеста Резерфорда. Однажды он повстречал своего шефа в первом этаже лаборатории, где было сложено несколько центнеров свинца, содержавшего примесь ценного радиоактивного вещества — радия D. Резерфорд обратился к своему юному коллеге с такими словами: «Хэвеши, мой мальчик, если вы так талантливы, как показали раньше, попытайтесь выделить радий D из этого свинца».
Хэвеши немедленно приступил к делу, полный энтузиазма и убежденный в скором успехе. Два года напряженного труда потратил молодой исследователь, чтобы проделать эту процедуру. Но, сколько он ни бился над отделением радия D от свинца, ему так и не удалось разорвать этот слишком прочный союз. Неужели труд и время пропали даром? Обескураженный неудачей, Хэвеши решил уже совсем оставить эту затею. Тут-то его и осенила остроумная идея.
Если радиоактивный радий D неотделим от нерадиоактивного свинца, рассуждал Хэвеши, то первый можно использовать для отыскания последнего. Это все равно, что «пометить» нерадиоактивные атомы, «привесив им на шею» радиоактивные «колокольчики». И куда бы ни скрылись меченые атомы, присутствие «беглецов» всегда выдает сопровождающий их «звон колокольчика». Но отыскать местонахождение — это еще не все. Радиоактивные «колокольчики», равномерно распределись среди меченого атомного «стада», позволяют по громкости своего «позвякивания» точно сосчитать количество атомов, отделившихся от разбежавшегося атомного «стада».
Эта идея получила блестящее подтверждение в опытах Хэвеши. Ученый растворял в воде такое количество нитрата свинца, чтобы раствор содержал, допустим, ровно 1 грамм свинца. После этого он добавлял туда ничтожно малое количество радия D, скажем, столько, чтобы 1 грамму свинца соответствовала активность, равная миллиону щелчков в минуту на специальном счетчике. Вслед за тем Хэвеши осуществлял самые сложные операции с меченым свинцом. Наконец после серии химических превращений свинец снова выделялся в виде исходного раствора. При этом суммарная активность всех порций раствора по-прежнему равнялась миллиону щелчков в минуту. И если какая-то порция показывала активность в 1000 щелчков в минуту, это неопровержимо свидетельствовало, что в ней присутствует одна тысячная грамма свинца.
Метод меченых атомов дал возможность изучать тончайшие химические механизмы, связанные с перемещениями и перераспределениями самых различных элементов.
С помощью меченых атомов удалось показать, что из всех фосфорных удобрений наиболее эффективны суперфосфат и метафосфат кальция. Если примешать радиофосфор к обычному суперфосфату, можно определить, откуда попадает фосфор в растение: из самого суперфосфата или из почвы.
Оказалось, фосфор усваивается растением не сразу, а после ряда замечательных превращений в почве. Таким способом было установлено, что сахарная свекла наиболее жадно поглощает фосфор на ранних стадиях роста и, стало быть, требует много удобрений в начальный период своего развития. Точно так же обстоит дело у табака и хлопчатника. Зато картофель потребляет удобрения равномерно в течение всего периода роста. Применение радиоизотопов позволило также разработать более совершенную агротехнику. Например, выяснилось, что свекла растет лучше, если суперфосфат насыпают в борозду на расстоянии 5 сантиметров от ряда, а не разбрасывают. Это очень важное наблюдение: ведь большинство растений извлекает не более десятой доли равномерно рассыпанных удобрений.
Давая курам корма, помеченные радиоизотопами, зоотехники доказали, что куриный белок вырабатывается не из питательных веществ, поступивших в тот же день или накануне, а из тех, которые куры получали более месяца назад. Скорлупа же, напротив, вырабатывается из атомов кальция, поступивших в тот же день. Полноценность кормления скота, обмен веществ в организме животного и другие вопросы, связанные с повышением продуктивности животноводства, могут быть выяснены с помощью меченых атомов. Так, можно предсказать, получится ли из телки хорошая молочная корова. Для этого ей вместе с кормом дают радиойод, а затем помещают счетчик против ее щитовидной железы. По интенсивности излучения судят о будущих качествах коровы.
Неоценимую услугу оказывают меченые атомы ученым-химикам. Используя серу-35, академик А. П. Виноградов изучал изотопный состав серы (отношение 32S/34S) в кристаллических камнях, породах вулканического происхождения, а также в различных метеоритах. В результате этих исследований получены новые точные сведения относительно возраста, состава и природы космической материи и горных пород нашей планеты.
За последние десятилетия атом вторгся во все области науки, кроме разве что математики. Нет такого места в технике, где он пришелся бы не ко двору.
Сейчас известно почти 500 стабильных и 1000 радиоактивных изотопов. Свыше 150 радиоактивных изотопов пригодны для решения многочисленных задач, стоящих перед учеными, инженерами, врачами, агрономами. А что делать с остальными радиоизотопами?
Допустим, что все интересующие человека изотопы извлечены из ядерного реактора. Куда же девать оставшиеся вещества, которые являются настоящими отходами? В 2000 году, когда, как полагают ученые, три четверти общих энергетических потребностей будут покрываться за счет атома, количество радиоактивных отходов достигнет 3 тысяч тонн, что эквивалентно 75–100 тысячам тонн радия, то есть 75–100 миллиардам кюри.
Не упаковывать же в конце концов радиоактивные отходы в ракеты, чтобы посылать их в космос! Хранение радиоактивных отходов — проблема № 1 атомной промышленности.
Их стараются держать в наиболее концентрированном виде. Обычно изотопы с малым периодом жизни, например натрий-24, йод-131, фосфор-32 и другие, помещают в специальные резервуары, где они «умирают», постепенно теряют свою радиоактивность в результате естественного распада. Если речь идет о небольших количествах жидких радиоактивных отходов, то их в некоторых случаях можно спускать прямо в подземные отстойники. Что касается газообразных отбросов, они должны проходить через фильтры, с которыми поступают так же, как с твердыми радиоактивными отходами. Из радиоактивных отбросов можно готовить атомные «спагетти»: разводят глину, примешивают к ней радиоактивные отбросы, формуют в виде длинных макаронин и затем все это подвергают обжигу в печах. Такие атомные «спагетти» закапываются в землю на специальных «кладбищах» радиоактивных изотопов. А вот американцы превратили в «кладбища» глубокие океанские впадины. Между тем это может привести, как доказано советскими учеными, к заражению океанских вод.
Решение столь важной проблемы, несомненно, под силу современной технической мысли, не говоря уже о будущем. В конце концов все больше радиоактивных изотопов находит применение, так что и количество отходов будет сокращаться день ото дня.
Изотопы упрямо стучатся в двери мирной экономики, принося с собой революционные преобразования. В тайниках маленького атома скрыто еще много неожиданностей. Американский физик У. Либби как-то сказал, что чуть ли не каждые 5 минут можно придумывать по два новых способа применения радиоизотопов. И тем не менее даже богатое воображение не в силах представить себе все способности мирного атома. Целый калейдоскоп возможностей, особенно если говорить о будущем!
Вполне вероятно, что радиоизотопы сослужат человечеству не меньшую службу, чем атомная энергия.
Атом… Сколько надежд, сколько опасений вызывает он у человечества XX столетия! Неисчерпаемый, он должен принести и принесет прогресс, счастье, мир. В этом уверены советские люди, строящие коммунизм. Пройдет немного времени, и история напишет гневную эпитафию военному атому, широко распахнув двери перед дружелюбными силами нового Геркулеса.
Где предел?
Посмотрите еще раз на систему химических элементов. Она начинается с водорода и кончается… Лет двадцать пять назад мы бы уверенно заявили, что в самом конце системы химических элементов Д. И. Менделеева стоит уран. Еще вчера мы бы сказали, что последним элементом является нобелий (порядковый номер 102), но сегодня уже синтезирован № 103 (лоуренсий). А что будет завтра?
Итак, верхняя граница системы смещается в сторону более тяжелых элементов, и о том, сколь долго она будет еще смещаться, мы поговорим дальше.
С нижней границей, кажется, все в порядке. Водород всегда был самым легким из всех известных элементов. В самом деле, что называется химическим элементом?
«Совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра».
У водорода заряд ядра минимальный: 1. Таким образом, водород является первым химическим началом, или элементом, и вести разговор о нижнем пределе системы больше как будто бы нечего. Однако то, что не вызывает сомнений на первый взгляд, далеко не всегда ясно на самом деле.
Когда в 1869 году Менделеев открыл периодический закон, еще не были известны многие из химических элементов и решить вопрос об их количестве считалось невозможным.
Самым легким был водород; его атомный вес — единица. За ним шел литий, почти в семь раз более тяжелый. Гелий, который теперь занимает второе место в системе, тогда еще не обнаружили на Земле. За литием шли элементы с близкими атомными весами (9Be, 11B, 12C, 14N, 16O и т. д.[8]).
Менделеев, конечно, обратил внимание на столь большой разрыв в атомных весах соседних элементов, какой имел место между водородом и литием. Подобные разрывы обнаруживались и в некоторых других местах системы. Автор периодического закона совершенно справедливо считал, что решение этого вопроса раскроет внутреннюю природу элементов и приведет к выяснению их числа. По мнению Менделеева, некоторые элементы могли отсутствовать в системе из-за своей неустойчивости. Он писал, что есть немало элементов, «существование которых до некоторой степени подвержено сомнению, потому что нам не известна природа тех сил, которые производят так называемую элементарную форму материи». «Некоторые равновесия, — заключал Менделеев, — просто невозможны». Это было сказано задолго до открытия радиоактивности.