Андрей Несмеянов - Радиоактивные изотопы и их применение

В помощь металловедам.С диффузией в твердом состоянии связаны многие свойства сплавов металлов.

Что такое обыкновенная сталь? Это сплав железа с углеродом. Небольшая примесь углерода делает железо твердым. Атомы железа и углерода в стали располагаются в определенном порядке.

Если приготовить закаленную сталь, содержащую радиоактивный углерод, и гладкую поверхность куска стали приложить к фотопластинке, завернутой в черную бумагу, то на пластинке получится изображение куска. Излучение радиоактивного углерода засвечивает фотопластинку, и поэтому места вкрапления радиоактивного углерода будут отмечены более темными пятнами.

Теперь нагреем сталь, а затем медленно охладим. От этого она станет более мягкой. Повторим радиографирование. Новый снимок покажет уже иное расположение атомов радиоактивного углерода в куске.

С течением времени атомы углерода в куске стали перемещаются. Сталь, как говорят, стареет, ее прочность изменяется.

За перемещением атомов в сплавах можно легко проследить с помощью меченых атомов. Эти исследования очень важны для всех отраслей промышленности, использующих сплавы.

Сплавы — тела кристаллические. От величины отдельных кристаллов и их расположения зависят многие свойства сплавов. Как же выявить строение сплава? Как определить величину кристаллов? Для этого применяют различные способы. Один из них заключается в следующем. Гладко отшлифованную поверхность сплава подвергают действию кислоты, травят. Кислота по-разному действует на различные части сплава. После травления поверхность сплава рассматривают в микроскоп и устанавливают размеры отдельных кристаллов.

Меченые атомы также позволяют определить структуру сплава. Кроме того, они позволяют установить, какие кристаллы выделяются из расплавленной массы первыми. Опыт производится таким образом. Кусок стали помещается в закрытом сосуде над радиоактивным элементом радиоторием. Радиоторий после ряда превращений образует атомы тория В с периодом полураспада 10,6 часа. Атомы тория В осаждаются на поверхности стали.

Подготовленный таким образом кусок стали расплавляют, а затем металлу дают остыть. В жидком расплаве начинается образование кристаллов. Торий В выделяется из расплава только к концу затвердевания слитка и располагается по границам кристаллов или в примесях. Поверхность металла шлифуют и прикладывают к фотопластинке, которая засвечивается в тех местах, где расположен торий В .

Точно так же можно исследовать строение самых разнообразных сплавов, выявив расположение и величину отдельных кристаллов при радиографировании. На рис. 21 дан радиоавтограф стали, содержащей большое количество радиоактивного фосфора (белые пятна).

Изучение металлургических процессов.Для изготовления качественной стали, то есть стали, обладающей какими-либо особенно ценными свойствами, например нержавеющей или подшипниковой, при плавке добавляют те или иные металлы. Процесс плавки стали связан с выгоранием и отшлаковыванием вредных примесей, таких, как сера и фосфор.

Все эти процессы легко контролировать с помощью меченых атомов. Степень и скорость удаления серы и фосфора из стали, например, можно определить путем введения в плавку определенного количества радиоактивного фосфора и серы. Используя радиоактивный кальций, можно также найти степень загрязнения стали шлаком и материалами футеровки печи. Количество радиоактивного кальция в выплавленном металле показывает степень загрязнения металла шлаком и материалами печи. Так, советские ученые установили, что 12% примесей, имеющихся в подшипниковых сплавах, попадает в них из шлака и до 20% из футеровки печи.

Методом меченых атомов можно решать и многие другие вопросы металлургии и металловедения, например распределение легирующих металлов в сплавах, изменение структуры сплавов при термической и механической обработке и т. п.

Радиоактивные изотопы в технике находят все большее и большее применение. Это применение развивается главным образом по линии использования излучения радиоактивных изотопов, поэтому основные примеры будут описаны в главе «Применение радиоактивных изотопов как излучателей». Однако несколько примеров целесообразно дать в главе «Меченые атомы».