Проведенные в последнее время исследования действия радиоактивных излучений на пластические материалы показали, что при облучении резины и некоторых пластмасс чрезвычайно увеличивается их теплостойкость и прочность. Здесь также могут быть использованы отходы, получающиеся в ядерных реакторах.
Кроме того, можно непосредственно использовать энергию радиоактивных излучений «осколков» ядер урана, превращая ее в теплоту. Один килограмм «осколков» дает около двух миллионов киловатт-часов энергии в виде гамма- или бета-лучей. Если поглощать эти лучи водой, то выделяется такое количество тепла, которого достаточно для небольшой энергетической установки. Расчет показывает, что добавлять такое горючее потребуется не чаще чем раз в два — три месяца.
Меченые атомы. Огромные перспективы для научных исследований открывает метод меченых атомов. Этот метод напоминает способ кольцевания птиц или рыб, при помощи которого биологи наблюдают за их передвижением. Ученые прикрепляют кольца к пойманным рыбам или птицам и выпускают их. Окольцованные экземпляры, пойманные через несколько месяцев за тысячи километров от места окольцевания, показывают, как перелетала вся стая птиц или передвигался косяк рыб.
Атомы радиоактивного изотопа, примешанные к большому количеству химического элемента, играют роль окольцованных птиц. Это буквально меченые атомы, так как такие чувствительные приборы, как, например, счетчики Гейгера-Мюллера, легко могут обнаружить ничтожно малые количества радиоактивных атомов. Например, можно обнаружить миллиграмм радиоактивного железа в тонне металла.
По своим химическим свойствам радиоактивный изотоп ничем не отличается от основного химического элемента. Поэтому, наблюдая за движением меченых атомов, мы можем очень точно исследовать, как ведет себя химический элемент в различных процессах.
Таким путем можно исследовать, например, скорость износа материалов подшипника. Медные детали подшипника облучают нейтронами, при этом часть ядер меди63 превращается в радиоактивный изотоп меди64. Свойства медного вкладыша подшипника не изменились, но ядра меди64 распадаются, излучая электроны и гамма-лучи, которые могут быть обнаружены счетчиком Гейгера-Мюллера. При работе подшипника вследствие износа вкладыша частицы меди будут переходить в смазку, туда же будут попадать и радиоактивные атомы меди64. Измеряя радиоактивность смазки, мы может быстро и точно определить износ подшипника.
Большое значение имеет метод меченых атомов в металлургии. Применяя радиоактивный фосфор, можно быстро узнать во время плавки стали, насколько полно прошла очистка металла от фосфора — одной из самых вредных примесей. Раньше химический анализ на фосфор длился около 30 минут, и все это время металл сверх нормы выдерживался в мартеновской печи, снижая ее производительность. Теперь же степень очистки металла определяют очень быстрым измерением радиоактивности шлака, в который переходит фосфор. Таким образом, время плавки значительно сокращается.
Можно обнаружить происхождение загрязнения металла, если добавлять разные радиоактивные изотопы в огнеупорный материал, из которого изготовлена ванна мартеновской печи, в футеровку[10] разливочного ковша и другие места. Определяя характер радиоактивности выплавленной стали, можно найти, из какого места попали в сталь радиоактивные изотопы, и легко обнаружить источники загрязнений.
Для того чтобы взвесить расплавленную сталь в разливочном ковше, достаточно добавить в металл небольшое количество радиоактивных изотопов, атомы которых равномерно распределяются по всей жидкой стали, и каждый грамм металла будет давать излучение определенной интенсивности. По общему излучению разливочного ковша можно узнать вес всего горячего металла.
Впуская в домну вместе с воздухом радиоактивный газ, ученые изучают движение газов в процессе доменной плавки. Эти исследования дают очень важные для теории доменной плавки сведения. Так изучается связь процесса восстановления металла из руды и шлакообразования с движением газов в печи.
Оригинальный способ был применен нашими учеными для подсчета количества рыб, выпускаемых из питомников в реку. Некоторое число выловленных мальков на небольшое время было погружено в ванну со слабым раствором радиоактивного фосфора. Меченые таким путем рыбы были выпущены обратно в пруд, где они равномерно распределились между всеми мальками. Взятые затем в разных местах пруда пробы мальков дали возможность определить соотношение между радиоактивными и нерадиоактивными рыбами. Таким путем была определена интенсивность излучения, приходящаяся на 100–200 мальков. Гидробиологи измеряли излучение при выпуске мальков из пруда в реку и тем самым определяли количество рыбы, выпущенной из питомника. Радиоактивный фосфор быстро распадается, но если пометить рыб каким-либо долго живущим изотопом, например радиоактивным кальцием, то за такими мечеными рыбами можно долго наблюдать: изучать их рост, следить за их передвижением и т. д. Здесь уже метод меченых атомов прямо заменяет кольцевание рыб.
Примерно таким же образом можно проследить за передвижением насекомых. Поведение насекомых мало изучено, потому что трудно выделить отдельное насекомое из общей массы и наблюдать его перемещение. Известно, что пчеловоды для изучения жизни пчел иногда просто метят их специальной краской. Роль такой краски значительно лучше выполняют меченые атомы. Для наблюдения за перелетом мух был проделан такой опыт. Специальной партии мух (около 15 тысяч) в течение нескольких дней не давали воды, а затем для утоления жажды им дали раствор радиоактивного фосфора и выпустили на волю. Оказалось, что мухи способны перелетать на очень большие расстояния. Расставленные мухоловки с мясом улавливали радиоактивных мух на очень больших расстояниях. Путь в 15 километров они пролетели за два дня.
В научных исследованиях в области биологии и медицины меченые атомы совершили такую же революцию, как в свое время изобретение микроскопа. Они позволили разрешить ряд проблем, которые долгое время казались неразрешимыми.
Добавляя меченые радиоактивные атомы к пище, ученые установили, что почти все вещества, входящие в состав нашего тела, все время обновляются. Быстрее всего обновляются жиры. Белки, поступающие с пищей, заменяют окислившиеся в мышцах и крови белки, которые удаляются из организма. Радиоактивные атомы дали возможность определить время «жизни» белка в различных тканях и органах. Железо, содержащееся в крови, оказывается, почти не обновляется, а когда красные кровяные шарики отмирают, то их железо идет на образование новых.
Если сделать радиоактивным углерод, входящий в состав крови, используемой при переливании, то можно измерить продолжительность жизни красных кровяных шариков перелитой крови и найти наилучший способ подготовки ее для переливания.
Известно, какое значение имеет скорость кровообращения для жизнедеятельности организма. Можно измерить эту скорость, вводя в какую-нибудь часть тела радиоактивный натрий. Счетчик Гейгера-Мюллера отметит, через какое время кровь перенесет этот радиоактивный препарат в различные органы.
Радиоактивный препарат позволяет изучить процесс и место образования мозговых опухолей. Больной принимает радиоактивный фосфор, который концентрируется в клетках опухолей. Их расположение в мозгу может быть точно определено с помощью маленьких счетчиков Гейгера-Мюллера. Это в значительной степени облегчает работу хирурга и гарантирует полное удаление опухолей.
Метод меченых атомов уже дал возможность решить ряд проблем в сельском хозяйстве и животноводстве. Доказано, например, что минеральные фосфор и кальций принимают непосредственное участие в «приготовлении» молока коровы. Следовательно, подбирая соответствующие корма, можно добиться значительного увеличения надоев.
Соединения серы играют большую роль в создании волосяного покрова животных. Исследования, проведенные с радиоактивной серой, показали, что у тонкорунной овцы серные соединения надолго задерживаются в организме и максимально используются для образования густой шерсти.
Если добавить радиоактивные вещества в удобрения, то можно легко проследить, как и какими частями растения эти удобрения усваиваются. Например, добавив радиоактивный фосфор в обычные фосфатные удобрения, установили, что кукуруза лучше всего усваивает эти удобрения в ранний период своего произрастания. На более поздних стадиях глубоко проросшие корни кукурузы получают необходимый для растения фосфор из нижних, неудобренных слоев почвы.
Опыты, проведенные с картофелем, показали, что эта культура требует непрерывной подкормки фосфором. Почти весь фосфор она извлекает из вносимых в почву удобрений.
Удалось также выяснить, что больше всего фосфора поглощают стебли растений; в зрелых плодах его почти нет.
Весьма любопытным является применение метода меченых атомов для измерения времени.
Мы рассматривали реакцию, в которой образуется радиоактивный углерод:
Такая реакция в природе происходит непрерывно. Космические лучи, бомбардируя ядра азота земной атмосферы, превращают его в углерод14, имеющий период полураспада около 5700 лет. Этот радиоактивный углерод вместе с обычным поглощается растениями. Живые растительные волокна всегда в определенной пропорции содержат радиоактивный углерод. Однако после того как растение умирает, поглощение углерода прекращается. Радиоактивный распад приводит к постепенному уменьшению количества углерода14. Измеряя излучение «умерших» растительных веществ, можно узнать количество радиоактивного углерода. Зная период полураспада, мы таким путем можем довольно точно определить «возраст» какого-нибудь куска дерева или остатков растения.
Исследования обугленной кости и золы в одной из пещер древнего человека показали, что костер там горел 11 тысяч лет тому назад. Таким же путем было установлено, что в пещере Ласко (Франция) люди жили 15 500 лет назад. Были произведены многочисленные анализы древних предметов, найденных археологами. Период, к которому эти вещи принадлежали, определялся вполне объективным прибором, то есть счетчиком Гейгера-Мюллера.