Год открытия и относительная распространенность некоторых изотопов легких элементов

Элемент	Изотоп	Распространенность в природе, ат.%	Год открытия	Автор
Водород*	^11Н (протий, Н)	99, 988	1919	Ф. Астон
	^21Н (дейтерий, D)	0,012	1932	Г. Юри
	^31Н (тритий, T)**	-	1934	Э. Резерфорд***
Гелий	^32Не	0,000137	1939	Л. Алварец
	^42Не	99,999863	1920	Ф.Астон
Литий	^63Li	7,6	1921	Ф. Астон
	^73Li	92,4	1921	Ф. Астон
Бор	^105В	19,9	1920	Ф. Астон
	^115В	80,1	1920	Ф. Астон
Углерод	^126С	98,9	1919	Ф. Астон
	^136С	1,1	1929	А. Кинг, Р. Бирдж
Азот	^147N	99,63	1920	Ф. Астон
	^157N	0,37	1929	С. Науде
Кислород	^168О	99,757	1919	Ф. Астон
	^178О	0,038	1929	Г. Джонсон
	^188О	0,205	1919	У. Жиок

* Водород – единственный элемент, чьи изотопы имеют собственное название,

**Тритий – радиоактивный (β-распад) изотоп водорода, естественным образом образующийся за счет взаимодействия космического излучения с некоторыми ядрами атомов элементов атмосферы Земли

 ***- авторы открытия - Э. Резерфорд, М Олифант, П. Хартек

 

В большинстве случаев в природе элементы находятся в виде смеси изотопов, в то время как для целевого использования требуется продукт, содержащий преимущественно один из них. Приведем два примера. В используемой в ядерной технике тяжелой воде D₂O содержание дейтерия не должно быть меньше 99,8 ат.%. В то же время содержание дейтерия в природной воде составляет всего 0,015 ат.%. Для использования в медицинской позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) требуется изотоп ¹⁸₈О с концентрацией около 95 ат.%, в то время как в природном кислороде содержание этого изотопа составляет всего 0,208 ат.%. Таким образом, в продукте, предназначенном для практического применения, природное соотношение концентраций изотопов должно быть изменено многократно, для чего необходимо использовать подходящий процесс разделения.

Любой процесс разделения смеси, состоящей из нескольких веществ, основывается на различии каких-либо свойств разделяемых компонентов – физических, химических, физико-химических. Особенность изотопных смесей заключается в том, что они, по существу, представляют собой одно вещество, состоящее из одних и тех же химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Изотопы элементов отличаются только количеством нейтронов в ядрах атомов. Поэтому компоненты таких смесей (изотопологи) обладают близкими физическими и тем более химическими свойствами. Так, например, при давлении 0,1 МПа температура кипения различных изотопных разновидностей воды составляет 373,2 К для ¹₁Н₂¹⁶₈О и 374,6 К для ²₁Н₂¹⁶₈О. Следует при этом принять во внимание, что для изотопологов с участием водорода относительное изменение массы изотопа максимально (в 2 раза при переходе от протия, ¹₁Н, к дейтерию, ²₁Н). Для изотопов других элементов эта величина и, как следствие, разница в свойствах будут еще меньше. Так, температура кипения ¹₁Н₂¹⁸₈О при давлении 0,1 МПа выше температуры кипения ¹₁Н₂¹⁶₈О всего на 0,2 градуса. В обычных химических реакциях свойства веществ в основном определяются строением внешних (валентных) электронных оболочек, которое не зависит от наличия дополнительного нейтрона в ядре атома элемента. Поэтому в ряде учебников по химии и даже энциклопедиях указывается, что химические свойства изотопов не отличаются. На самом деле целый ряд изотопов легких элементов в промышленных масштабах производят, используя небольшое различие в химических свойствах изотопологов. Причина появления этого различия будет обсуждена ниже.

Из изложенного выше следует, что процессы разделения изотопных смесей относятся к экстремальным разделительным технологиям. Применение термина «экстремальная технология» обусловлено тем, что приходится использовать очень небольшую разницу в свойствах изотопологов и при этом добиваться значительного изменения относительной концентрации компонентов в смеси. Учитывая, что однократный разделительный эффект мал, его необходимо многократно повторять. Это, в свою очередь, требует больших аппаратурных и энергетических затрат. Поэтому исходный выбор разделительной технологии для решения той или иной задачи и условий ее реализации определяется, в первую очередь, на основе термодинамики и кинетики процесса, лежащего в ее основе. При этом термодинамический анализ позволяет выбирать процессы, обладающие максимальным однократным разделительным эффектом, что уменьшает количество необходимых его повторов. Кинетические характеристики процесса определяют размеры разделительной аппаратуры.

В настоящем учебном пособии рассматриваются основы термодинамики и кинетики процессов разделения изотопов физико-химическими методами. Эти методы в настоящее время являются основными при разделении изотопов легких элементов – от водорода до кремния.