Jak wiemy obecnie atom składa się z ciężkiego jądra o średnicy około 10-12 cm, w okół którego poruszają się elektrony o średnicy około 10-13 cm. (Promień jądra r _ _ r0 y - — , gdzie A — masa atomowa, r„ — promień elektronu = 1,42.10-13 cm.) W ym iary atomu są znacznie większe od wym iarów jądra czy elektronów, gdyż średnica jego jest 10» cm. Masa atomu jest prawie całkowicie skupiona w jądrze. (Masa pro
tonu, jądra wodoru, jest 1800 razy większa od masy elektronu). Jądro posiada całkowitą liczbę elementarnych ładunków dodatnich, gdyż składa się z pewnej liczby protonów, o ładunku elektrycznym dodatnim, i neutronów.
Liczba protonów w jądrze jest to tzw. liczba atomowa, jest ona równa liczbie elektro
nów otaczających jądro.
Każdy elektron posiada jeden elementarny ładunek ujemny, a więc atom jako całosc jest elektrycznie obojętny.
Liczba atomowa Z, czyli liczba protonów w jądrze, określa liczbę zewnętrznych elektronów, od których zależą własności chemiczne atomu. Wszystkie atomy jednego pierwiastka posiadają tę samą liczbę atomową.
Atom y posiadające tę samą liczbę atomową, lecz różne masy — nazywamy izotopami.
Jądra izotopów składają się z te j samej liczby protonów i różnej liczby neutronów. Są one pod względem mechanicznym identyczne.
Bardzo długo nie zdawano sobie sprawy z istnienia izotopów i dopiero w roku 1912 J J Thomson odkrył, że w neonie są atomy o masach 20 i 22, gdy tymczasem znany ciężar atomowy neonu wynosi 20,2. W ytłumaczył to Thomson śmiałą hipotezą, że neon nie jest substancją jednolitą, lecz mieszaniną dwóch ńeonó.w.
Sprawa ta została ostatecznie wyjaśniona w r. 1919 przez F. W. Astona, który w w y niku swych badań doszedł do wniosku, że prawie wszystkie znane nam pierwiastki są mieszaninami kilku ciał prostych, izotopów, oraz że ciężary atomowe izotopow wyrażają się liczbami całkowitymi (jeżeli ciężar atomowy tlenu = 16).
Okazało się więc, że zgodnie z przypuszczeniem Thomsona neon jest mieszaniną dwóch izotopów o masach 20 i 22, a średni ciężar atomowy 20,2 wynika z tego, ze ilość atomów 22 Ne wynosi 1/ fl ilości atomów 20 Ne. _ . . ,
Podobnie chlor o ciężarze atomowym 35,46^ jest właściwie mieszaniną 2 izotopów chloru: 36 Cl 1 37 Cl. Cyna posiada aż 11 izotopów.
292 KRONIKA PRZYRODNICZA
Później okazało się, że ciężary atomowe izotopów nie są ściśle liczbami całkowitymi*
ale bardzo mało się od nich różnią.
Izotopy posiadają prawie te same właściwości chemiczne. Właściwości i-h są bardziej zbliżone niż właściwości chemiczne ziem rzadkich. Można jednak przez ieakcję wymiany na drodze czysto chemicznej otrzymać częściowe rozdzielenie izotopów, gdyż wykazują one bardzo drobne różnice w równowadze mas w reakcjach.
Metody rozdzielania izotopów opierają się na wykorzystaniu drobnych różnic zależnych od masy danych atomów. Wiadomo, że cząsteczki gazu lub cieczy są w ciągłym ruchu i ich energia zależy jedynie od temperatury. Jeżeli więc gaz składa się z 2 izoto
pów, to średnia energia kinetyczna cięższych i lżejszych cząsteczek jest ta sama, a zatem prędkość średnia ‘lżejszych musi być większa niż cięższych, gdyż energia kinetyczna równa się V t mv-, gdzie m = masa, v = prędkość cząsteczki. Wynika z tego, że proces zależny od średniej prędkości może być użyty do rozdzielenia izotopów.
Siła ciężkości lub tzw. pozorne siły odśrodkowe, występujące w wirówkach, są pro
porcjonalne do masy, a więc również mogą być zastosowane do rozdzielenia izotopów.
Atomy zjonizowane podlegają silom elektrycznym i magnetycznym (w ruchu). Te siły są o wiele łatwiejsze Ido wytworzenia niż poprzednie i z dobrym skutkiem' są stosowane do rozdzielania izotopów.
Oprócz tego są jeszcze siły międzyatomowe lub międzycząsteczkowe, od których zależą szybkość reakcji chemicznych, szybkość parowania itp. Przeważnie zależą one głównie ód zewnętrznych elektronów cząsteczki, a nie od je j masy. Gdy jednak siły te powodują powstanie nowych, cząsteczek, występuje pewien — zwykle bardzo mały —
w pływ masy. '
Mamy więc metody opierające się na następujących procesach: 1) reakcje wymiany, 2) elektroliza, 3) destylacja, 4) odwirowywanie, 5) dyfuzja, 6) termiczna dyfuzja.
Oprócz tego istnieją jeszcze 3 metody opierające się na rozdzielaniu elektromagnetycz
nym, ale o nich niewiele wiadomo. Polegają one na zastosowaniu 7) kalutronu, 8) w irów ki jonowej, i 9) izotronu (używane były do rozdzielania izotopów uranu przy wytwarzaniu bomby atomowej).
_ w reakcjach wymiany otrzym uje się przeważnie tylko nieznaczne wzbogacenie mieszaniny w jeden z izotopów. Robione były np. doświadczenia z reakcjami wymiany:
N H 3 i NH^OH + H.,0 S 0 2 i H 2 S 0 3 + H 20 łub reakcją katalitycznej wymiany H 2 i H.,0.
Różnice powodowane przez różne masy atomów są tak małe, że jedna reakcja nie może spowodować uchwytnego rozdzielenia, trzeba ją powtarzać wielokrotnie. Najlepiej się to udaje, gdy faza zawierająca trochę więcej lżejszego izotopu porusza się w jed
nym kierunku, a stale się z nią stykająca druga faza — w przeciwnym. W reakcjach stosowanych faza ciekła poruszała się na dół, a gazowa do góry.
Taka metoda została nawet zastosowana w Ameryce do oddzielania ciężkiego wodo
ru.
* **
Przy elekrolizie otrzym uje się także częściowe rozdzielenie izotopów. Ta metoda jest skuteczna jedynie dla najlżejszych pierwiastków.
ROZDZIELANIE IZOTOP0W 293
Stosowana była np. do litu i do wodoru. Zwykła woda jest łatw iej rozkładalna niż ciężka i przy przewlekłej elektrolizie w części nierozłożonej przeważa ciężka woda.
Jeżeli wykona się elektrolizę kilkuset litró w wody, tak że pozostanie zaledwie kilka cm 3 w stanie nierozlożonym, to będą one zawierały prawie czystą ciężką wodę.
Przed wojną jedynie ta metodą była stosowana do produkcji ciężkiego wodoru, g łó w nie w Norwegii, gdzie znajdują się wielkie źródła taniej energii elektrycznej.
* *
*
Jedną z pierwszych metod stosowanych do rozdzielania izotopów była metoda destylacji.
Szybkość parowania zależy od masy atomów parującej cieczy. Jeżeli ciecz zawiera 2 izotopy, to cięższy pozostaje w cieczy, a lżejszy znajduje się w parze.
Hevesy przez destylację rtęci, a następnie potasu w próżni, otrzymał reszty wzboga
cone w cięższe izotopy w sposób wyraźnie mierzalny.
W chemii często stosuje się destylację dla rozdzielnia substancji o różnych tempe
raturach wrzenia, np. oddzielanie alkoholu i wody przez zwykłą destylację. Substancje, których temperatury wrzenia mało się różnią, można rozdzielić przy pomocy destylacji frakcjonowanej.
W deflegmatorze wytwarza się skierowany ku górze strumień gazu i skierowany ku dołowi strumień cieczy, oba te strumienie są stale w zetknięciu i cząsteczki przechodzą z jednego do drugiego.
Cząsteczki substancji o wyższej temperaturze wrzenia mają większą tendenfcję do przechodzenia do cieczy i odwrotnie.
Ta metoda, być może, była właśnie zastosowana w Ameryce do oddzielania zw ykłej i ciężkiej wody, gdyż ich temperatury wrzenia różnią się o l,4 cC.
* **
Pierwsze doświadczenia z wirówkami nie dały dobrych w yników. Później dopiero — po wytworzeniu bardzo szybkich wirówek — można było otrzymać przy ich pomocy rozdzielenie izotopów. W najszybszycli wirówkach (do 6 milionów obrotów na minutę) część ruchoma, umieszczona bez osi w próżni, jest utrzymywana -przez magnesy dla zmniejszenia tarcia. H. C. Urey zaproponował użycie długich cylindrów w irujących, usta
wionych pionowo, w których jeden strumień gazu spływa w dół wzdłuż ścianek, a drugi wznosi się ku górze środkiem cylindra. Cząsteczki dyfundują z jednego strumienia do
drugiego. i , .
Siły, spowodowane ruchem obrotowym, działające na cząsteczki, są tego rodzaju, ze cięższe cząsteczki mają tendencję do gromadzenia się przy ściankach, a lżejsze w środ
ku cylindra. W tym wypadku rozdział zależy od różnicy mas izotopów a me od ich sto
sunku. Robione były próby rozdzielania tą metodą izotopów uranu, ale potem zostały one zaniechane. Rozdzielenie jest naturalnie tylko częściowe.
J. W. Beams używał specjalnej, bardzo szybkiej w irów ki. Substancja była wprowa zana do części ruchomej w stanie gazu i w niej się skrapla, przy 'czym cząsteczki cięzsze skupiały się bardziej po brzegach. Przy pomocy pompy wyciąga się daną subs mcję w czasie doświadczenia: najpierw otrzym uje się część zawierającą więcej izotopu lż e j
szego, a pod koniec część zawierającą więcej cięższego. , . . W ten sposób z 105 cm3 CC14 otrzymał on po 52 min. 1 g CC14, dla którego stosunek izotopów chloru zmienił się o 12%.
294 KRONIKA PRZYRODNICZA
* **
Już w roku 1896 lord Rayleigh wykazał, że można rozdzielić mieszaninę gazów o róż
nym ciężarze atomowym w procesie dyfuzji przez ścianki porowate. Gaz lżejszy ma średnią prędkość cząsteczek większą i szybciej dyfunduje przez przeszkodę. Naturalnie pierwsza część gazu przechodzącego zawiera najwięcej lżejszego składnika.
Tę metodę zastosował Aston do pierwszego ‘'ż y c io w e g o rozdzielenia izotopów neonu.
Później E. Hertz, stosując aparaturę wielostopniową, składającą się z szeregu pomp dyfuzyjnych rtęciowych, które zmuszały gaz do dyfundowania przez szereg ścianek po
rowa.ych, otrzymał całkowite rozdzielenie izotopów różnych gazów, ja k np. neon i wodór.
Metoda ta została zastosowana w skali technicznej do rozdzielenia izotopów uranu, przy czym używany był jako gaz fluorek uranu U F e. Wobec malej różnicy ciężarów atomowych (spólczynnik rozdziału wynosi
Vf
, gdzie M i, M 2 oznaczają ciężary cząsteczkowe fluorku każdego z izotopów uranu) konieczne jest przepuszczanie gazu przez kolejne ścianki porowate w wielostopniowej dyfuzji.Spólczynnik wzbogacenia mieszaniny 'po przejściu przez jedną ściankę wynosi 1,0043.
Dla otrzymywania ilości znaczniejszych potrzebne byłyby tysiące stopni te j dyfuzji.
* **
Teoria kinetyczna gazów pozwoliła przewidzieć, że w gazie, w którym mamy obszary o różnych temperaturach, w miejscach o wyższej temperaturze znajduje się trochę więcej lżejszych cząsteczek, niż to wypadałoby z ich Średniego stosunku w mie
szaninie. Efekt ten jest bardzo mały i dlatego też, pomimo iż byi dawno przewidywany, me był prawie wcale badany .
To częściowe skupianie się jednego rodzaju cząsteczek zależy nie tylko od ciężaru cząsteczkowego, ale i od sił międzycząsteczkowych, które mogą odwrócić zjawisko.
H. Clusius i E. Dickel w r. 1938 po raz pierwszy użyli tego zjawiska do rozdzielania izotopów.
Mieszanina izotopów wprowadzona była do długiej ru ry szklanej ustawionej pionowo.
W osi te j ru ry znajdował się drut rozgrzany, a ścianki były chłodzone, tak że różnica temperatur między osią a ściankami wynosiła 600° C. Występowa! tu efekt podwójny.
Po pierwsze, środek rury był cieplejszy niż ścianki, więc w środku gromadziło się więcej lżejszego, a przy ściankach więcej cięższego izotopu. Po drugie, ogrzewanie to wskutek tego, że gaz rozgrzany ma mniejszą gęstość niż zimny, powodowało występowanie sta-.
Jego prądu gazu w środku ku górze, a wzdłuż ścianek — na dół. Cały więc czas lżejszy izotop jest przemieszczany ku górze, a cięższy — ku dołowi. Po dłuższym działaniu tego aparatu w górze skupi się prawie czysty, lżejszy izotop, a w dole ru ry — cięższy.
Clusius i Dickel pracując przy użyciu ru ry długości 36 m., napełnionej zw ykłym chlorowodorem, który 'zawiera 25% 37C1, wydobywali dziennie 8 cm3 tego izotopu o czystości 99,4%.
Przy pomocy te j metody zostały rozdzielone inne izotopy w stanie gazowym, nawet izotopy uranu (naturalnie jako U F 6).
Metoda ta może być także zastosowana dla cieczy, ale spólczynnik rozdzielenia jest mniejszy niż dla gazów.
ROZDZIELANIE IZOTOPÓW 2 9 5
* **
Z metod elektromagnetycznych najlepiej została opracowana metoda polegająca na zastosowaniu tzw. „kalutronu“ (California U niversity cyclotron). Metoda ta opiera się na zasadzie spektografu masowego.
Mieszanina izotopów, które mają być rozdzielone w stanie gazowym, zostaje zjon.zo- wana- następnie jony są przyśpieszone przez pole elektryczne i nabywają przy tym ej Tamei energii kinetycznej Przyśpieszone jony dostają się w pole magnetyczne, które
zakrzywia ich tory. ...
Lżejsze jony poruszają się po wycinkach kół o mniejszym promieniu mz c.ęzsze i w zbiornikach, umieszczonych w odpowiednich miejscach, skupiają się rożne izotopy.
Badania nad tą metodą rozpoczęły się w r. 1941 w Berkeley. Pracowała tam cala grupa uczon " pod kierownictwem E. O. Law rence*, Największą wadą te j me ody_ jes je, mala wydajność. Z w ykły spektograf masowy może rozdzielić najwyżej ułam
gram/godz. Cały więc w ysiłek byl skierowany na zwiększenie tej wydajności.
Trudności były głównie powodowane koniecznością użycia bardzo ^ j n e g o r a mnńw trdvż szczeliny ograniczające strumień jonow sprawiają, ze me wszyst j y ą J r ; 7v , t a L i wreszcie silne zagęszczenie jonów dodatnich w strumieniu powodu,e wykorzystane trzennychS utrudniających rozdzielenie. Pierwsze próby robie-r S T . S S K Ł K r n o U » i= , 37 J V 2,5 cm>. pop™“ « *
^ N a jła t w ie j udało się zneutralizować szkodliwe działanie ładunków przestrzennych przez ionizacie resztek gazu w komorze, znajdującej się w polu magnetyczny .
h chodzi o źródło jonów, to problem ten jest bardzo skomplikowany , zos a rozwiązany głównie metodą doświadczalną. Wypróbowano wielką liczbę rożnych zrodel
' " w « r r w T ę L t i / w y l l n o ś c i trzeba było jeszcze z v ję k ^ y ć
< — —
w rozkładzie P ^ te“ nn^ k^ 3 t,J^ 6 kosztowne, dlatego też dla lepszego
i » p“ i“*” «» o“ '™” « " - ” — * « • s,ru“ “ ‘
j0nÓW' • budowę olbrzymiego cyklotronu w Berkeley i po dokoń-.,uż przed WO]" ^ ° 2Pelekt omagnes jego o średnicy 184 cali (4,6 m), ważący 4.500 ton.
S T b / ć Z dó' rozdzielania l„,o p » w . B ie d n y jego m .g ly być roIS«nis.e »a 180 cm.
“ - zupełnie zadowalających w yaibbw i la m e , . ,
elektromagnetyczna została zastosowana na miarę techniczną.
**
*
, ■ „ tr, wiemv tv lk o tyle, że ta metoda istnieje i jest je że li chodzi o .w irówkę jonową, to wiemy tymo ry
modyfikacją magnetronu.
296 KRONIKA PRZYRODNICZA
* **
Iz o tro n p o w s ta ł w e d łu g m e to d y z a p ro je k to w a n e j prze z R. R. W ilso n a . J e st to m e toda e le k tro m a g n e ty c z n a o ź ró d le jo n ó w znacznie b a rd z ie j ro z c ią g ły m p rz e s trz e n n ie n iż w z w y k ły m s p e k to g ra fie m a s o w y m . J o n y p o w y jś c iu ze ź ró d ła są n a jp ie r w p rz y ś p ie szane prze z silne, sta łe pole e le k try c z n e , a p ó ź n ie j prze z słabe pole zm ie nn e o często ści ra d io w e j.
P ie rw s z e pole p o w o d u je w y tw o rz e n ie się s tru m ie n ia jo n ó w o je d n a k o w e j e n e rg ii k in e ty c z n e j, a w ię c o prę d ko ścia ch o d w ro tn ie p ro p o rc jo n a ln y c h do p ie rw ia s tk a k w a d ra to w e g o z ich mas. Pole zm ienne w p ro w a d z a drobne, p e rio d y c z n e z m ia n y p rę d ko ści jo n ó w i p o w o d u je z b iera nie się jo n ó w w „ w ią z k i“ w p e w n e j o d le g ło ś c i w ru rz e . W ią z k i jo n ó w o ró ż n e j m asie p o ru s z a ją się z r ó ż n y m i p rę d k o ś c ia m i i p rze z to się ro z d z ie la ją .
W m ie js c u , w k tó r y m to n a stę p u je , je s t zasto sow a ne p ro sto pa dłe , s k u p ia ją c e pole e le k try c z n e zm ienne z często ścią ra d io w ą z s y n c h ro n iz o w a n ą z nadchodzeniem w ią z e k . S y n c h ro n iz a c ja polega na ty m , że w w y p a d k u , g d y prze cho dzą w ią z k i jo n ó w je d n e g o iz o to p u , s k łp d o w a zm ienna pola e le k try c z n e g o je s t zerem , a o sią g a m a k s im u m , g d y przechodzą w ią z k i jo n ó w in n e g o iz o to p u . W ten sposób s tru m ie ń je d n y c h jo n ó w je s t sku p ia n y w o d b io rn ik u , a d r u g i — o d ch yla n y.
P ró b n y ap ara t zb u d o w a n y na t e j zasadzie b y ł w y k o n a n y w s ty c z n iu 1942 r.
Iz o to p y litu i u ra n u m o g ły b y ć ro zd zie lon e. M e to d a ta je d n a k , o ile w ia d o m o , nie była d a le j ro z w ija n a .
Na ty m k o ń c z y m y p rz e g lą d m e to d rozd zie la n ia iz o to p ó w . W obec w a g i, ja k ą m a to zagad nie nie p rz y fa b ry k a c ji bom b a to m o w y c h , b liż s z e s z c z e g ó ły w y n ik ó w o s ią g n ię ty c h są trz y m a n e w ta je m n ic y i w n ie k tó ry c h w y p a d k a c h m o ż n a się d o w ie d zie ć t y lk o o n a j
o g ó ln ie js z y c h da nych . W id z im y je d n a k , że ró ż n e m e to d y m o g ą dać re z u lta ty p o z w a la ją ce na za sto so w a n ie ic h w s k a li te c h n ic z n e j.
J e ż e li chodzi o ro z d z ie la n ie iz o to p ó w u ra n u , to m etod a te rm ic z n e j d y f u z ji i k a lu tro n z o s ta ły zasto sow a ne w A m e ry c e p rz y badaniach nad bo m bą a to m o w ą .
Stanisław Rouppert