Свет невидимого

Завершает свою обличительную речь начальник цеха, как правило, требованием, чтобы химики, наконец, взяли обязательства проводить свои анализы быстрее.

Выступление заведующей лабораторией воспринимается как неприкрытое намерение безответственно оправдаться.

— Химический анализ основан на реакциях, скорость которых зависит от природы участвующих в них веществ, — начинает свою речь заведующая лабораторией, пытаясь этой непреложной истиной воздействовать на разгневанных металлургов. Но потом не выдерживает и срывается: — Что я могу сделать, если реакции не хотят идти быстрее?

Над этим риторическим вопросом задумывалась не только героиня нашего маленького рассказа, но и размышлял каждый из химиков, имевших отношение к химическому анализу. И именно поэтому известия о том, что облучение нейтронами приводит к образованию искусственных радиоактивных изотопов, вызвали у них повышенный интерес.

Идея метода анализа, основанного на образовании радиоизотопов при облучении нейтронами — радиоактивационного, или просто активационного анализа, — достаточно проста. Пусть в исследуемом веществе имеется в качестве составной части или примеси какой-либо элемент, содержание которого требуется узнать. Образец подвергается облучению нейтронами, активации, определяемый элемент превращается в соответствующий радиоактивный изотоп, причем уровень наведенной радиоактивности будет тем выше, чем больше этого элемента в исследуемом образце. И поэтому сложные химические манипуляции: растворение, взвешивание, фильтрование, упаривание и т. п. — можно заменить всего одной операцией — измерением радиоактивности. А это свойство, как мы помним, определяется быстро и, главное, точно.

В последних фразах выражена «соль» активационного анализа, которая, однако, далеко не исчерпывает всех его возможностей и преимуществ.

Доведенная едва ли не до пределов возможного чувствительность приборов по измерению радиоактивности дает химикам возможность обнаруживать в анализируемых образцах настолько малые примеси посторонних элементов, что и эпитет к слову «примесь» подобрать, честно говоря, трудно.

В таблице, где приводятся данные по минимальным количествам различных элементов, которые могут быть обнаружены с помощью активационного анализа, против мышьяка значится 5·10^-11 г. на грамм исследуемого образца. Пять стомиллиардных грамма на грамм образца! Поверьте, что восклицательный знак в последней фразе я поставил не зря. Ни один иной метод анализа, а современная аналитическая химия насчитывает их не один десяток, не может не только сравниться по чувствительности с радиоактивационным анализом, но даже и стать рядом с ним. Ведь если предположить, что химик решится проанализировать вещество с таким содержанием мышьяка обычным, традиционным способом и сможет полностью выделить мышьяк из анализируемого образца, то для того, чтобы ничтожно слабо качнулись стрелки аналитических весов, на чашу которых он положит выделенный мышьяк, ему надо будет взять для переработки и выделения мышьяка… 10 (десять!) тонн (тонн!) исследуемого образца.

Понятно теперь, почему вспоминался атомный реактор в истории с раскрытием обстоятельств смерти Наполеона?

В волосах давно скончавшегося императора следовало отыскать мышьяк, накапливающийся там при поступлении этого яда в организм человека. Но это только так говорится — «накапливающийся». О «накоплении» здесь можно вести речь лишь в том смысле, что в волосах человека, отравленного мышьяком, этого элемента больше, чем в волосах человека, не вкусившего этого сомнительного продукта. А слово «больше» означает в данном случае одну миллионную долю процента, а скорее всего, и того меньше. Но такое малое содержание этого элемента в исследуемом образце, как мы видели, для радиоактивационного анализа не помеха.

Помещая волосы из негустой шевелюры Наполеона в ядерный реактор и облучая их там нейтронами, исследователи превратили обычный мышьяк в его радиоактивный изотоп и по интенсивности излучения определили содержание искомого элемента, а определив, пришли к выводу об обстоятельствах смерти человека, который сумел покорить почти всю Европу, но кончил плохо — задолго до того, как его решили отправить на тот свет с помощью опробованного веками средства…

Эта с детективным привкусом история о Наполеоне понадобилась мне для «затравки» разговора о радиоактивационном анализе. В подавляющем же большинстве случаев этот метод анализа находит гораздо более прозаическое, но зато и более полезное применение.

Сегодня чистые и сверхчистые вещества применяются во многих областях науки и техники. Достаточно назвать лишь одну область их применения — полупроводники, чтобы важность проблемы сверхчистых веществ стала очевидной.

Но далеко не все знают, чего стоит химикам получить материалы, которые могут быть использованы для полупроводников. Вот хотя бы такой распространенный полупроводниковый материал, как германий. Отличный полупроводник, но прибавьте к нему ничтожную примесь некоторых элементов — и его полупроводниковые свойства станут значительно хуже, а то и вовсе исчезнут. Эти примеси «убивают» полупроводник, как убивает человека цианистый калий. Пример этот тем более уместен, что и в том, и в другом случае для рокового исхода необходимо очень малое количество яда.

Впрочем, для германия «яда» нужно гораздо меньше. Человек погибает от доз цианистого калия весом приблизительно в одну десятую долю грамма. Полупроводниковые свойства германия «убивает» примесь сурьмы в два атома на… тысячу миллиардов атомов германия.

Для того чтобы обезвредить врага, надо его выследить. Попробуйте отыскать злоумышленника, если он затерялся среди миллиардов людей, живущих на Земле. И может с равным успехом находиться на Аляске или в Сингапуре, в Лхасе и в Сиднее. Полагаю, что от подобных заведомо безуспешных поисков отказался бы и знаменитый Шерлок Холмс, даже если бы его помощником был не простодушный Ватсон, а видящий на две сажени в глубь человеческой психики Мегрэ.

Но радиоактивный анализ позволяет любому химику стать куда более проницательным, чем прославленному английскому детективу.

Химик при этом использует различное отношение германия и сурьмы к нейтронам. В то время как германий пропускает мимо себя нейтроны, испытывая к ним глубокое равнодушие, сурьма жадно захватывает каждый нейтрон, попавший в ее владения. Вот почему при облучении потоком нейтронов образца германия, содержащего примесь сурьмы, преимущественно радиоактивными становятся атомы именно примеси.

Если же некоторая часть германия тоже станет радиоактивной — не беда! Период полураспада образующегося при этом искусственного радиоактивного изотопа германия немногим больше суток. Искусственный же радиоактивный изотоп сурьмы распадается наполовину почти за 100 дней. Можно поэтому выждать немного, пока распадется весь радиоактивный германий, и ничто уже не помешает измерить радиоактивность сурьмы.

Таким образом, при облучении нейтронами ничтожнейшая примесь сурьмы к германию выдаст себя с неизбежностью. Ну, а если враг обнаружен, половина дела сделана.

О радиоактивационном анализе можно рассказывать много, и такой разговор будет неизменно поучительным, потому что приложения этого метода анализа, основанного на наведенной радиоактивности, многообразны и разносторонни. Поэтому, вспомнив, что мы покинули начальника цеха на металлургическом комбинате и заведующую цеховой лабораторией в разгар конфликта между ними, попробуем наладить психологический климат в этом коллективе.

При облучении вещества нейтронами активируется, конечно, не один определенный элемент, а большинство элементов, составляющих массу исследуемого образца. Как ни странно, это обстоятельство играет на руку методу активационного анализа. Дело в том, что каждый радиоактивный элемент испускает лучи строго определенной энергии. Энергия, которую несут на себе кванты гамма-лучей радиоактивного кобальта, отличается от энергии лучей радиоактивного цезия.