менты имеют природные изотопы. Причем большинство из них не являются радиоактивными — это стабильные изотопы. Если в ядро какого-либо стабильного изотопа ввести всего лишь один нейтрон, большинство образовавшихся новых ядер становится радиоактивными, т. е. они будут самопроизвольно распадаться с испусканием альфа-, бета- или гамма-лучей. Именно на регистрации такого ядерного излучения и основан активационный анализ. Методика проведения активационного анализа относительно проста: подготовленный образец помещают на определенное время в ядерный реактор, а затем измеряют его активность. Определяя затем характер излучения и его интенсивность, можно установить природу и количество содержащейся в исследуемом образце примеси. Чувствительность активационного анализа необычайно высока. Он позволяет обнаружить поистине непредставимо малые количества вещества. Так, например, с его помощью можно обнаружить около 1•10-10 % мышьяка или, например, около 1•10-13% элемента индия. В чистой платине, облученной в ядерном котле, удается обнаружить 1•10-9% иридия. Чтобы более ясно представить себе эти цифры, отметим, что количество индия 1•10-13% соответствует одному атому примеси индия на миллион миллиардов (1 000 000 000 000 000) атомов основного вещества, в котором этот индий находится.
МОЖНО ЛИ АНАЛИЗИРОВАТЬ ИЗОТОПЫ
Обратили ли вы внимание на то, что почти все методы, о которых было рассказано, позволяют определять лишь химическую природу вещества или определенного элемента? Можно легко установить, что данное вещество является сернокислым никелем или азотнокислой медью или что в состав изучаемого сплава входит молибден или вольфрам, цирконий или ванадий. Но на практике часто необходимо установить, не только какой химический элемент присутствует в образце и сколько его, но также и каков изотопный состав данного элемента. Известно, что изотопы различных элементов имеют практически одинаковые химические свойства и лишь незначительно отличаются друг от друга физическими свойствами. Этим обстоятельством и воспользовались ученые.
Метод, который используют при анализе изотопов, получил название масс-спектрометрического. В анализаторе, или источнике ионов, исследуемое вещество нагревают, превращая его в газообразное состояние. При этом в большинстве случаев молекулы его распадаются на отдельные ионы. Образовавшиеся ионы под действием электромагнитного поля выводятся в специальную изогнутую трубку. В ней создается очень высокое разряжение (чтобы летящие в трубке ионы не сталкивались с молекулами кислорода, азота и других газов, входящих в состав воздуха). Сама трубка расположена между двумя полюсами сильного постоянного магнита. Но магнитное поле, хотя оно и постоянно, будет по-разному действовать на ионы летящих изотопов. Ион того изотопа, в ядре которого меньше нейтронов (более легкий), будет сильнее отклоняться от своего пути, а ион, который тяжелее,— меньше. Пролетев через всю трубу (обычно около двух метров), ионы различных изотопов попадут в различные места приемника, где их и регистрируют.
Mace-спектрометрический метод, хотя и очень сложен, обладает весьма большой чувствительностью. С его помощью можно анализировать отдельные изотопы, количество которых подчас составляет всего 10-13 — 10-14 г.
Этот метод был разработан в применении лишь к анализу веществ. Ведь он очень трудоемок, и получить с его помощью весомые количества какого-либо изотопа крайне затруднительно. Чтобы получить лишь 1 грамм-атом изотопа, необходимо собрать 6•1023 его атомов.
Однако в самом начале 40-х годов нашего века, для того чтобы запустить первый урановый котел (осуществить контролируемую цепную ядерную реакцию), ученым необходимо было получить в чистом виде изотоп урана-235. Здесь-то и был использован принцип масс-спектрометрии.
Если в 40-х годах наука и техника требовали от количественного анализа определять тысячные доли процента примеси, то в настоящее время стало необходимо определять уже одну триллионную долю процента примеси в исходном материале.
Уже разработаны методы, с помощью которых определяют самые ничтожные примеси отдельных элементов. Так, например, для производства полупроводниковых приборов примеси в германии не должны превышать 1•10-8 %. Для кремния эта величина должна быть умень-
383