9.5 Метод сциларда – чалмерса (эффект отдачи)

Методы рассмотренные нами ранее могут с успехом применяться для разделения и концентрирования изотопов, если они находятся в смеси с веществами иной химической природы.

Если же радиоактивный изотоп получен по ядерной реакции, идущей без изменения заряда ядра (n, ; n, 2n; , n; изомерный переход), т.е. в тех случаях, когда в результате реакции получается изотоп того же элемента, который был подвергнет облучению, обычные химические методы для разделения здесь непригодны. Например:

Al (n, )  Al, Al (n,2n) Al , Al (, n)  Al.

В этом случае отделение интересующего изотопа от материала мишени может основываться лишь на эффекте отдачи, в результате которого при соответствующем подборе мишени часть атомов радиоактивного изотопа получается в отделимой от материнского вещества форме.

Каждый элементарный акт превращения атомного ядра сопровождается испусканием кванта или какой-либо частицы. При этом вследствие закона сохранения импульса возникающее ядро (и весь атом, в состав которого входит это ядро) приобретает импульс, равный по величине импульсу вылетающей частицы или гамма- кванта. Такие ядра называют ядрами отдачи. Так как атом, испытавший отдачу, обычно входит в состав той или иной молекулы, то энергия, которую он приобрел в первое мгновение, далее распределяется между этим атомом отдачи и остальной частью молекулы. После ядерного превращения атом начинает двигаться, причем часто он увлекает за собой и всю остальную часть молекулы. В начальный период движение атома отдачи и остальной части молекулы происходит с разными скоростями, при этом изменяется длина, а, следовательно, и энергия связи. Часть энергии отдачи переходит в энергию возбуждения. Если энергия возбуждения оказывается выше энергии связи, то молекула диссоциирует. На этом явлении основан метод отделения радиоактивного изотопа от материала матрицы.

В 1934 г. Сцилард и Чалмерс показали, что разрыв связи атомов, участвующих в ядерной реакции или радиоактивном распаде, происходит даже в тех случаях, когда энергия отдачи первоначального процесса не превышает энергию связи. Если после разрыва связей атомы продукта существуют в химическом состоянии отличном от атомов мишени, то их можно отделить от большой массы неактивной мишени, несмотря на их изотопию.

На примере получения радиоактивного иода при облучении иодистого этила (n, ) тепловыми нейтронами, Сциллард и Чалмерc показали, что большая часть образовавшегося радиоактивного иода может быть извлечена из облученного соединения:

C₂H₅ ¹²⁷J+ n_o¹  ¹²⁸J*−¹²⁷J C₂H₅ + или сокращенно ¹²⁷J (n, )¹²⁸J*

В результате захвата нейтрона образуется сильно возбужденное ядро, которое освобождается от избытка нейтронов путем излучения нескольких  - квантов и переходит на основной уровень.

В результате высвечивания  - кванта ядро J¹²⁸ испытывает отдачу, энергия которой  значительно превосходит энергию химической связи С – J. В связи с этим значительная часть активированного иода выходит из состава исходной молекулы и остается в состоянии сильного возбуждения. Из облученного ¹²⁸J*−¹²⁷J C₂H₅ атомы радиоактивного иода ¹²⁸J ₂ отмывают водой с небольшой добавкой иода и Na₂SO₃. Окончательно большую часть изотопа ¹²⁸J выделяют в водную фазу в форме иодид иона, а затем осаждают в виде Ag¹²⁸J:

Na₂SO₃+¹²⁸J ₂+ Н₂О→ Na₂SO₄+ 2Н⁺+2 ¹²⁸J ^

H ¹²⁸J +AgNO₃→Ag¹²⁸J↓

Аналогичным образом могут быть выделены другие галогениды.

Этот метод прост и очень удобен. Однако при использовании этого метода необходимо соблюдать три условия: В процессе своего образования радиоактивный атом должен оторваться от материнской молекулы. В большинстве случаев энергия химических связей составляет 1-5 эВ (20000-100000)кал/моль). При любой ядерной реакции, сопровождающейся захватом нуклонов или более тяжелых частиц, а так же при вылете этих частиц из ядра с энергиями выше 10кэв, кинетическая энергия сообщаемая ядру дочернего продукта, значительно превышает энергию химической связи.

Радиоактивный атом не должен рекомбинировать с фрагментом молекулы, от которого он отделился, или вступать в быстрые процессы обмена с нерадиоактивными атомами мишени. В противном случае концентрирование невозможно. В результате этого, для обогащения изотопов по методу Сцилларда – Чалмерса целесообразно облучаемую мишень брать в виде соединения с прочной ковалентной связью, например SbH₃, AsH₃, комплексного соединения, где он является центральным атомом и др.

Практически для этой цели оказывается достаточным отсутствие ионной связи между атомом А и атомами окружения.

Должна существовать возможность химического отделения вещества мишени от радиоактивного соединения в его новой химической форме.

Эффективность метода Сциларда – Чалмерса характеризуется двумя величинами: степенью выделения и коэффициентом обогащения. Коэффициент обогащения представляет собой число, показывающее, во сколько раз увеличивается удельная активность изотопа в конечной форме осуществленного выделения по сравнению с таковой в начальный момент после облучения в благоприятных условиях.

f = Sкон / Sнач

f  10⁶ и выше.