Профессии атомного ядра

С тех пор как была открыта цепная реакция деления, атомное ядро играет исключительную роль в научно-технической революции. Исследования в различных областях ядерной науки и техники непрерывно расширяются, число установок, подобных ускорителям и реакторам, также растет. Однако даже чисто исследовательские атомные установки все в меньшей степени используются для нужд самой ядерной физики. В наше время атомное ядро нашло новое призвание.

Пожалуй, наиболее универсальным примером могут служить ядерные реакторы. С помощью нейтронов, испускаемых такими реакторами, исследуются структурные и динамические свойства твердых тел. Преимущество нейтронных методов по сравнению с другими заключается в возможности установить пространственное расположение атомов водорода, что особенно ценно при изучении биологических структур. Таким путем ученые подходят к решению фундаментальных проблем молекулярной биологии.

Реакторы «поставляют» излучения для нужд радиационной химии, физики твердого тела. Они позволяют также получать множество различных радиоактивных изотопов, которые применяются как источники излучений или в качестве меченых атомов.

Так называемые меченые атомы служат орудием исследований во всех отраслях науки — от химии до археологии. Изотопные источники излучений — это кобальт-60 или цезий-137 способные заменить тонны радия, а также излучатели, используемые в новейших отраслях теоретических и прикладных исследований. Источники «жестких» гамма-квантов (в частности, золото-198) дают возможность просвечивать кристаллы или изделия толщиной несколько сантиметров, устанавливать их структуру, проводить дефектоскопический контроль гораздо успешнее, чем с помощью рентгена.

Богатейшие возможности открывает использование реакторов для активационного анализа чистых и сверхчистых материалов. Все отрасли промышленности, имеющие дело с такими материалами, могут получить непосредственные практические выгоды от применения этого метода. Характерный для исследовательских реакторов нейтронный поток позволяет определять в материалах около семидесяти элементов с точностью от стотысячной до десятимиллиардной доли процента.

Заманчивы перспективы использования в науке и технике ускорителей. Сильноточные импульсные трансформаторы, линейные ускорители на несколько миллионов электрон-вольт и микротроны, в создании которых советские ученые и инженеры достигли выдающихся успехов, в ближайшее время, несомненно, станут эффективным и дешевым орудием прикладной радиационной химии и физики. С их помощью может осуществляться целенаправленный синтез новых материалов или модификация их свойств. Новые качества получает, например, радиационно сшитый полиэтилен, способный заменить дорогой тефлон. Ускорители могут участвовать в десятках, если не сотнях других многотоннажных процессов. Они представляют собой прекрасное средство радиационной стерилизации медицинского оборудования, семян сельскохозяйственных культур, самцов вредных насекомых.

Замечательные, подчас уникальные возможности открывают ускорители для различных областей естественных наук. Так, с их «участием» успешно решается одна из важнейших проблем современной химии — установление механизма первичных сверхбыстрых химических процессов. Такие исследования имеют большое значение для создания эффективной защиты от химического и биологического действия излучений, разработки наилучших путей радиационно-химического синтеза материалов. Уже сейчас ученые осваивают наблюдение наносекундных, то есть длящихся миллиардную долю секунды, химических процессов и продвигаются в область триллионных долей секунды.

Особое место занимают исследования на синхротронах. Электроны, вращаясь в магнитном поле этих ускорителей, непрерывно теряют энергию на излучение, которое называется синхротронным. Длина его волны составляет от миллионной до стомиллионной доли сантиметра. Энергия его квантов — от десяти до тысячи электрон-вольт. Таким образом, заполняется наименее изученный диапазон спектра электромагнитных волн — между «мягким» рентгеном и вакуумным ультрафиолетом, смыкается воедино радиационная химия и фотохимия, радиобиология и фотобиология, физика радиационных и световых воздействий на твердое тело. Трудно даже перечислить все проблемы, которые можно решить с помощью такого синхротронного излучения. В их числе поиски возможностей создания лазеров нового типа, наблюдения дефектов и дислокаций твердых тел, надмолекулярных структур полимеров, белковых глобул.

Ускорители тяжелых частиц — протонов, альфа-частиц, многозарядных ионов — также находят неядерные применения. Упомяну об инографии — изучении геометрии реальных твердых тел на основе явления каналирования, то есть преимущественного прохождения ядерных частиц в каналах кристаллических решеток — между их осями или гранями. Многозарядные ионы эффективно используются для локализованного воздействия на ткани и отдельные клетки. Даже ускорители самых высоких энергий, которые дают мезонные пучки, выходят за пределы физики элементарных частиц. Успешно развивается мезохимия — наблюдения тонких характеристик гибели мезонов, которые дают ученым новую химическую информацию. Отрицательные пи-мезоны, при захвате которых ядрами в небольшом объеме высвобождается значительная энергия, считаются перспективным средством облучения опухолей.

Технические возможности ядерных методов и установок далеко не исчерпываются применением реакторов и ускорителей. Пришедший из ядерной физики метод фотоэлектронной спектроскопии совершает теперь триумфальное шествие в физике твердого тела, биохимии, структурной и аналитической химии. Фотоэлектронная спектроскопия позволяет производить не только элементарный, но и функциональный (то есть по характеру химических связей) анализ даже самых ничтожных количеств вещества. Благодаря этому удалось открыть ряд новых неожиданных факторов в области структурной химии.

Другой перспективный метод исследования — гамма-резонансная спектроскопия — позволяет с исключительной точностью регистрировать изменения энергии гамма-лучей, которые обусловлены свойствами химического и кристаллического окружения атомных ядер, движением атомов в кристаллах. Вот несколько примеров научного и прикладного использования этого метода, развитого в значительной мере советскими учеными. В химии — установление структур сотен элементоорганических и других соединений, пересмотр ряда, казалось бы, незыблемых представлений о строении молекул, раскрытие механизма действия металлорганических стабилизаторов полимеров. В биологии — наблюдение химических процессов внутри фиксирующих азот бактерий. В технике — разработка приборов для контроля и управления ничтожно малыми (до микрона в секунду) скоростями движения и перемещения объектов.

Можно и дальше приводить примеры плодотворного использования в науке и технике ядерных установок, ядерных и радиационных методов. Все они свидетельствуют о том, как важно быстрее применить эти методы на практике. Думается, что с этой целью было бы полезно создать (быть может, на уже имеющейся основе) научно-прикладной атомный центр. Он должен располагать реактором, электронными ускорителями разных классов и энергий, изотопными облучательными установками, фотоэлектронными и гамма-резонансными спектрометрами и другой аппаратурой. Объем затрат на строительство и оснащение такого центра соизмерим со стоимостью среднего предприятия. Рентабельность же и значимость его, бесспорно, несравненно выше.

В самом деле, центр оказывал бы прямую и непосредственную помощь народному хозяйству путем проведения различных анализов и других работ. Он мог бы передавать предприятиям освоение методики, снабжать промышленность и сельское хозяйство изотопами и облучательными установками.

Речь, таким образом, идет о внедрении в народное хозяйство передовой технологии производства и переработки металлов и сплавов, чистых и сверхчистых материалов, разнообразных химических продуктов, о повышении качества и срока службы различных изделий. Вместе с тем научно-прикладной атомный центр мог бы обеспечить развитие наиболее современных фундаментальных исследований, а также стать школой специалистов разного профиля, местом их обучения и приобщения к науке и технике сегодняшнего и завтрашнего дня.