В клетке. Манипуляторы с невидимым

МАНИПУЛЯТОРЫ С НЕВИДИМЫМ

Здесь речь пойдёт не о фокусниках, хотя часто их действительно называют манипуляторами, и они, судя по искусству учеников народного артиста Нио, работают с невидимым. Нет, речь здесь пойдёт о манипуляторах не в переносном, а в буквальном смысле этого слова (редкий случай, когда слово возникло и стало употребляться в переносном смысле раньше, чем в прямом!). Невидимое же здесь было невидимым не из-за „ловкости рук" учёных, а по причине крайне малых размеров исследуемых объектов.

Взгляните на рисунок. На нем изображено все наличное в 1944 году количество элемента америция. Справа — это отнюдь не телеграфный столб, а острие иглы, частокол внизу— это миллиметровая шкала: сам же рисунок сделан с помощью микроскопа.

Сколько здесь может быть америция? — спросите вы. Это известно точно: одна стотысячная грамма.

Возьмём одну из статей о каком-либо трансурановом элементе, которые теперь десятками публикуются в химических журналах.

Внешне ничего удивительного нет. Обычные традиционные химические фразы и выражения: «соединение получали сливанием двух растворов», «состав определяли титрованием», «соль растворяли в дистиллированной воде» и тому подобное, что всегда встречается в любой работе, имеющей даже отдалённое отношение к химии.

Однако внимательный разбор такой статьи сразу повергает непривычного читателя в изумление. Оказывается, бюретки здесь отмеривают не миллилитры, как в обычных химических лабораториях, а одну стотысячную долю миллилитра. Самые большие из тех химических стаканов, с которыми манипулировали авторы статей, имеют диаметр один миллиметр. На весах взвешиваются количества веществ в одну тысячную долю грамма, причём взвешивание проводится с точностью до одной миллионной доли грамма.

Может быть, кое-кому эти числа с большим количеством нулей впереди покажутся маловыразительными. Тогда призовём на помощь сравнения.

Одна стотысячная доля миллилитра... По сравнению с объёмом жидкости в стакане воды это то же, что метр в сравнении с половиной экватора. И этот объем измеряют с точностью до 1%. Иными словами, отмеряют объёмы жидкостей ещё в сто раз меньше. Это то же, что измерить окружность экватора с точностью до двух миллиметров. Представьте себе, что вам заявляют следующее: «От города Обояни до Сан-Франциско четырнадцать тысяч сто шестьдесят восемь километров девятьсот сорок четыре метра пятнадцать сантиметров и три миллиметра». Вы бы тотчас же ответили вашему собеседнику: не остроумно, не смешно — и все! Но когда химик пишет аналогичные вещи, мы хотя и удивляемся, но принимаем это как должное. Вот это и есть осязаемые чудеса атомного века!

Теперь представим себе, как протекает работа с подобными количествами веществ. Стаканы и пробирки настолько мизерны, что их берут не пальцами, а захватывают особыми пинцетами. Разные приспособления, вроде воронок для фильтрования, палочек для перемешивания растворов и прочей обычной химической утвари, имеют такой размер, что гвозди, которые сработал лесковский Левша, в сравнении с ними поражали бы своими громадными размерами.

Жидкости, находящиеся в этих сосудах, тщательно переливают из одного сосуда в другой, следя, чтобы не проливалось ни капли. Впрочем, о какой тут капле может идти речь? Ведь капля в тысячи раз больше того объёма раствора, с которым манипулирует (вот уж впрямь — манипулирует!) химик.

Ну, а весы, как выглядят они? Коромысло этих весов сделано из чистого кварца толщиной в человеческий волос. Большинство деталей этих весов вообще не видно невооруженным глазом, настолько тонки и невесомы они. Такие весы в обычной комнате уже не поставишь. Даже на самой прочной и неподвижной подставке они будут подвержены большим колебаниям. Пройдёт по улице рядом с домом, где находится лаборатория, человек — и весы уже соврут на несколько знаков; проедет по улице грузовик —на весах целая свистопляска.

Такие весы стоят в глубоком подвале. Приближаются к ним с осторожностью канатоходца. В этом помещении не положено громко разговаривать, нельзя сильно размахивать руками, производить резкие движения. Даже чихать здесь пришлось бы в специальную отдушину. И, уж конечно, упаси вас боже сказать при этом «Будьте здоровы!».

Исследователям трансурановых элементов приходилось работать с такими малыми количествами веществ, что они были вынуждены прибегнуть к новой единице измерения: микрограмм — одна миллионная доля грамма, величине в тысячу раз меньшей, чем миллиграмм.

Так вот, нептуний впервые был выделен в количестве 10 микрограммов, плутоний — 20 микрограммов. Количество полученного впервые америция мы уже видели на рисунке. В таких же количествах был вначале добыт и кюрий.

Для элементов же берклия и калифорния и микрограммы слишком большая единица измерения. Они были выделены в индивидуальном состоянии в десятых, а то и сотых долях микрограмма — это, соответственно, десятимиллионные и стомиллионные доли грамма.

Микрохимия — так назвали этот раздел химии, позволяющий исследовать свойства ничтожных количеств веществ. Это название является до некоторой степени и буквальным; ведь за превращениями, происходящими в пробирках, химику необходимо наблюдать в микроскоп.

Как видим, одна из основных трудностей, возникшая при работе с заурановыми элементами — чрезвычайно ничтожное количество их, — была успешно преодолена.

Но не просто быть алхимиком в наши дни. Если бы необходимость прибегать к методам микрохимии составляла единственную сложность работы с заурановыми элементами, то это было бы ещё полбеды или даже, выражаясь точнее (а химия — наука точная!), четверть беды. Ну, получили один раз 10 микрограмм, другой раз ещё столько же, третий раз, четвёртый, пятый... Глядишь, и есть уже одна десятитысячная грамма. А там и с десятую грамма набрать можно. А десятая грамма — это уже «величина».

Сложность была в другом.

На каждом контейнере, в котором в химическую лабораторию прибывает радиоактивный препарат, помимо жёлто-красного знака радиационной опасности ещё выведено большими черными буквами «ОСТОРОЖНО!» и рядом для совсем уж непонятливых пририсовано то, что обычно рисуют в таких случаях: череп и две берцовых кости под ним.

Эти обозначения красуются не только на контейнерах, скажем, с «взрывчатым» плутонием (кстати, в малых количествах плутоний взорваться никак не может), а даже с «безобидными» йодом, железом или натрием. Правда, в контейнерах находятся не обычные изотопы этих элементов, а радиоактивные. Мера — никак не лишняя.

Радиоактивное облучение оказывает очень вредное влияние на человеческий организм. Не один из тех, кто на заре работ по изучению радиоактивности, не зная этого свойства радиоактивных лучей, подвергнулся облучению, умер от лейкемии. Ещё сегодня в японских городах Хиросима и Нагасаки продолжают умирать люди, облучившиеся радиоактивными лучами в 1945 году во время атомных взрывов.

Радиоактивность заурановых элементов проявляется особенно сильно. Если один микрограмм урана испускает в минуту всего одну альфа-частицу, то микрограмм плутония «выстреливает» за это же время сто сорок тысяч альфа-частиц. Это очень много. Если какую-либо соль плутония растворить в воде, то в ней сейчас же начинает образовываться перекись водорода: альфа-частицы, выделяющиеся при распаде плутония, вызывают в воде сложные химические процессы.

Радиоактивность америция больше в сотни раз. Один микрограмм этого элемента испускает в минуту семьдесят миллионов альфа-частиц. Однако и это ничто в сравнении с радиоактивными свойствами соседа америция элемента кюрия. Кюрий испускает за такое же время десять миллиардов альфа-частиц на микрограмм.

А эти десять миллиардов означают вот что. При растворении в воде даже ничтожного количества соли кюрия раствор начинает интенсивно разогреваться. И вскоре закипает. Стоит этот стакан с раствором соли кюрия под стеклянным колпаком, а из стакана бурно валит пар, хотя поблизости нет никакого источника тепла. Этот источник — сам кюрий, или, вернее, испускаемые им радиоактивные частицы. Благодаря этому обстоятельству невозможно или, во всяком случае, очень сложно изготовить более или менее заметный кусок металлического кюрия, так как такой кусок немедленно бы разлетелся из-за саморазогревания.

Ещё более разителен пример с калифорнием. Энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде калифорния, так велика, что кусочек его величиною с булавочную головку (эталон!) мог бы отапливать в течение многих месяцев большую квартиру. Впрочем, проекту с калифорниевой печкой вряд ли суждено претвориться в жизнь. Потому что если бы даже и удалось какими-то неведомыми путями собрать воедино такое громадное его количество (шутка ли, с булавочную головку величиной!), то в следующее мгновение из-за саморазогревания калифорний разлетелся бы в разные стороны.

Все эти обстоятельства заставляют исследователей, работающих с заурановыми элементами, прибегать к особым мерам предосторожности.

Обычно радиоактивные препараты заурановых элементов помещают за прозрачным экраном. Этим исследователь защищает лицо и тело от действия радиоактивных лучей. На руки надевают специальные перчатки, которые также в значительной степени задерживают излучение.

Однако такие меры помогают, когда количество радиоактивного вещества небольшое, либо интенсивность излучения данного элемента невелика. Если приходится работать с большими количествами, то «удлиняют» руки с помощью манипуляторов. Это разнообразные инструменты: пинцеты, щипцы, захваты, которые укреплены на длинной ручке. Таким образом, исследователь может держаться от радиоактивного вещества на почтительном расстоянии.

Но если имеешь дело с такими излучателями, как америций или кюрий, то и ручные манипуляторы не спасают. Тогда приходится конструировать дистанционные устройства. Один из таких манипуляторов можно видеть на Выставке достижений народного хозяйства СССР. Я полагаю, что ловкости рук такого манипулятора мог бы позавидовать любой фокусник. Хотя, как видно из рисунка, каждая рука манипулятора имеет всего по два пальца, они способны выполнять самые тонкие операции. За манипулятор, который стоит на выставке, несколько раз в день садится оператор, и столпившиеся вокруг зрители с изумлением наблюдают, как металлические

«руки» раскрывают коробок спичек, вынимают одну спичку, зажигают ее и преподносят прикурить кому-либо из посетителей выставки. Тот сначала испуганно отстраняется, а затем с довольным видом прикуривает. После этого «рука» аккуратно бросает в урну обгоревшую спичку.

Впрочем, при работе с заурановыми элементами приходится выполнять более сложные манипуляции, чем зажигание спичек. Ведь количества, скажем, америция или кюрия, которые собирается исследовать химик, намного меньше спички по своим размерам да и по весу. Однако здесь уже дело только в опыте и мастерстве исследователя.

Когда же приходится исследовать такие высокорадиоактивные изотопы, как калифорний, то тут уже и дистанционные манипуляторы оказываются недостаточно надёжным средством защиты. Поэтому для работы с такими веществами сооружают защитные камеры, которые по размеру смахивают на двухэтажный дом—добротный дом с отличным чердаком и высокой крышей. Причём не лишним будет заметить, что стены этого «дома» имеют толщину почти полтора метра — именно такой слой материала необходим, чтобы поглотить все излучение, создаваемое невидимым кусочком калифорния.

Итак, и второе препятствие было успешно преодолено учёными. Но существует, оказывается, ещё одно обстоятельство, которое затрудняет исследования заурановых элементов гораздо больше, чем те, о которых я уже рассказал.

Что прежде было основным в проблеме изучения свойств нового элемента? Выделить более или менее значительные количества соединений этого элемента. Но мы уже знаем, сколь малым научились довольствоваться химики при определении абсолютной величины этих «более или менее значительных количеств».

А в этой, уже третьей проблеме все было сложнее: и техника эксперимента, и обстоятельства опыта да и количества новых элементов тоже оставляли желать большего.

Источник: Юрий Фиалков