В чём сходство между счётчиком Гейгера и коллайдерами? Как работают датчики дыма? Правда ли, что благородные газы не взаимодействуют ни с какими элементами, и как их тогда можно обнаружить? Этим вопросам был посвящён телемост «Атомы на связи», который соединил 25 сентября Информационные центры по атомной энергии (ИЦАЭ) Новосибирска и Саратова.
Об особенностях благородных газов и их применении в науке рассказал Виктор Устюжанин, младший научный сотрудник института ядерной физики Сибирского отделения РАН, старший преподаватель Новосибирского государственного университета.
К инертным, или благородным газам относятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон – все они расположены в 18-й группе таблицы Менделеева. Интересно, что в этой же группе находится короткоживущий элемент оганесон, синтезированный в 2002 году российскими и американскими учёными в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Его условно относят к благородным газам, однако свойства элемента не изучены полностью.
Одна из главных особенностей элементов 18-й группы кроется в их названии – они инертные. «Когда эти газы открывали и исследовали, наблюдалось следующее: они очень слабо реагировали с другими химическими элементами, и не образовывали химические соединения», – объяснил Виктор Устюжанин.
Химические связи образуются из-за взаимодействия электронов во внешних оболочках атомов. У инертных газов все электронные оболочки заполнены, и потому они не могут соединиться с другими атомами: у электронов просто нет возможности «зацепиться» за свободное место в оболочке. Спикер отметил, что в 1960-х годах учёные всё-таки доказали возможность благородных газов соединяться с другими химическими элементами, но для этого нужны экстремальные условия.
Инертные газы бесцветные, не имеют запаха и вкуса, а также не горят при обычных условиях. Кроме того, они эффективно излучают свет, когда через них проходят заряженные частицы. «То есть, простыми словами, эти газы очень хорошо светятся, если через них пропустить электрический ток», – пояснил Виктор Устюжанин.
Он рассказал о сферах применения инертных газов в науке. В частности, эти вещества используются в счётчиках Гейгера. Основной элемент в устройстве – электрический конденсатор, заполненный неоном или аргоном. Когда радиоактивные частицы попадают в конденсатор, своей высокой энергией они могут вырывать у атомов электроны – так появляются ионы, проводящие ток, что и показывает уровень радиационного фона.
Аргон, гелий, ксенон и неон помогают исследовать реакции столкновения пучков в коллайдерах. Для этого благородные газы заполняют специальные дрейфовые и время-проекционные камеры. Частицы, разгоняясь в коллайдере, пролетают через эти камеры и формируют там электронные лавины – по тому же принципу, что и в счётчике Гейгера.
Отдельное внимание спикер уделил гелию – второму по распространённости элементу во Вселенной. Ядра гелия образуются из водорода при термоядерном синтезе в звёздах, а когда водород заканчивается, гореть начинает уже сам гелий, образуя углерод.
В термоядерных реакторах на Земле тоже производится гелий (из ядер дейтерия и трития – изотопов водорода), а для охлаждения стенки термоядерной установки и диагностики термоядерной плазмы используются другие благородные газы и примеси на их основе.
Более тяжёлые инертные газы – ксенон и криптон – используются в ионных двигателях для космических аппаратов. Они образуют плазменный поток, который помогает космическим кораблям корректировать движение в космосе.
Как саратовские учёные изобрели специальные детекторы для обнаружения благородных газов, рассказал Александр Петрунин, ассистент кафедры радиотехники и электродинамики Института физики Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.
Сначала Александр объяснил, что из себя представляют обычные газовые датчики: «Газовый сенсор – чувствительный элемент для определения качественного и количественного состава газовой смеси. Второе название газового сенсора – «электронный нос», что как нельзя лучше подчёркивает назначение этого инструмента».
Основной элемент любого газового сенсора – детектирующая поверхность. Это химический элемент, который активно взаимодействует с другими химическими элементами: «Это может быть оксид олова, наночастицы ZnO на поверхности графена. Используются также передовые разработки газовой сенсорики, связанные с максенами», – объяснил Александр.
«Электронный нос» может почувствовать ацетон, этанол, метанол, угарный газ, бензол, толуол, тротил – в основном это органические соединения, которые токсичны для человека в большой концентрации либо легковозгораемы.
Газовые сенсоры применяют в медицине для диагностики заболеваний, в промышленной безопасности и геологоразведке, а также в пищевой промышленности для определения свежести продуктов.
Прообразом газовых датчиков были канарейки, которых в XIX веке шахтёры брали с собой в шахты. «Они очень резко реагировали на угарный газ и метан, и когда птицы переставали петь, шахтёры покидали данное место», – объяснил Александр Петрунин.
Он также рассказал про первый газовый сенсор – пеллистор, изобретенный в 1920 году, и про первый метал-оксидный полупроводниковый газовый сенсор Наоёси Тагучи, открытый случайно в 1969 из-за курения рядом с нагревательным элементом с диоксидом олова.
В работе газовых детекторов важное место занимает электрическое сопротивление. Оно изменяется, когда на детектирующую поверхность попадают молекулы различных веществ. По этим изменениям можно определить и состав, и количество вещества в воздухе.
Александр поведал и о последнем изобретении саратовских физиков – датчике обнаружения инертных газов. Основной принцип детектирования благородных газов заключается в том, что у атома инертного газа отнимается один из электронов. Ион инертного газа садится на поверхность оксида олова и меняет сопротивление тока. Так можно детектировать гелий, неон и аргон.
Над новым способом детектирования благородных газов Александр Петрунин работал в команде Ольги Глуховой – профессора, д. ф.-м. н., заведующей кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ. Над изобретением совместно рудились учёные двух саратовских университетов – СГУ имени Н.Г. Чернышевского и СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Участница телемоста из Новосибирска Виктория Замиралова записывала самые интересные моменты лекций:
«Я записываю в блокнот на таких мероприятиях чисто для себя, чтобы что-то можно было перечитать и увидеть ответ – как говорится, «плохой карандаш лучше доброй памяти». Иногда случается кого-то удивлять своими знаниями. Особенно меня впечатлило разнообразие газовых датчиков – «электронных носов», о которых рассказал спикер из Саратова. Я знала, что есть датчики дыма в лабораториях, чтобы фиксировать утечки, но про такое большое разнообразие применения услышала впервые».
А старшеклассница из Саратова Самира Ибрагимова рассказала, чем её впечатлила лекция Виктора Устюжанина:
«Было очень интересно, потому что много рассказывали про химию. Думаю, что полученные знания могут быть полезными при подготовке к экзамену. Я освежила в памяти образование химических связей и узнала об изотопах водорода».
