Радиоактивные семейства

Все встречающиеся в природе элементы с атомными номерами, превышающими 83 (висмут), радиоактивны. Они являются звеньями цепей последовательных радиоактивных превращений. Элементы, входящие в одну цепь, образуют радиоактивное семейство (радиоактивный ряд). Известны четыре природных радиоактивных семейства, причём в них наблюдаются только а- и p-распады. Так как при а-распаде масса атома изменяется на четыре единицы, а при p-распаде изменение массы пренебрежимо мало, то массовые числа элементов, образующих радиоактивный ряд, различаются на величины, кратные четырем. Поэтому возможно существование радиоактивных рядов четырёх типов. Атомные веса членов этих рядов выражаются числами: 4п, 477+1,477+2,477+3.

Массовые числа элементов, входящих в семейство урана, определяются общей формулой 477+2, где 77-целое число. Действительно: атомный вес 2з8и=4*59+2, атомный вес 226Ra: 226=4-56+2. Все природные семейства представлены на рис. 13. Торий-232 является родоначальником (477)- семейства, или семейства тория, конечным стабильным продуктом которого является свинец с массовым числом 208. Атомный вес здаТЬ равен 4-58, атомный вес находящегося в ториевом ряду 228Ra равен 226=4-56+2. Семейство актиния (актино-урана, (477+з)-семейство), имеет родоначальником 235U и конечным стабильным продуктом 20~РЬ. Атомный вес 235U равен: 235=4-58+3-

Схематически распад трёх, ещё существующих в природе, радиоактивных рядов можно представить в виде:

В радиоактивных рядах встречаются разветвления. В трёх радиоактивных семействах имеются изотопы элемента с атомным номером 86 (радон с разновидностями: радон, торон и актинон). Радиоактивные потомки эманаций (активный налет) могут собираться на любой поверхности; особенно эффективно они оседают на отрицательно заряженных электродах. Изотопы радона делят ряды на специфические части. Начальные отрезки цепочек содержат наиболее долгоживущие члены рядов — изотопы элементов, расположенных в периодической системе после радона (Fr, Rn, Ac, Th, Pa, U). Конечные участки схем распада всех трёх семейств сходны даже по внешнему виду. В них находятся наиболее короткоживущие продукты — изотопы свинца, висмута, полония, таллия и астата.

Многие изотопы распадаются двумя путями: часть атомов изотопа распадается с испусканием а-частиц, другая часть — с испусканием р-частиц, образуя так называемую «вилку». Распад вновь образовавшихся изотопов имеет противоположный характер: если изотоп возник в результате а-распада, то он оказывается p-активным; изотоп, образовавшийся в результате р-распада, a-активен. Благодаря такой закономерности эти продукты превращаются в один и тот же изотоп одного и того же элемента.

Примером может служить распад 2,2Bi (ThC) семейства тория:

Ряды урана, актиноурана и тория до сих пор существуют в природе (их периоды полураспада близки к возрасту Земли). Ряд нептуния практически полностью распался. Встречающийся сейчас в природе нептуний вовсе не является остатком древнего ряда. Ныне он непрерывно образуется по реакции 2:*8U(n,2n)237U -»р-> 237Np при действии на уран нейтронов деления или нейтронов, испускаемых лёгкими ядрами урановых руд под действием а-частиц. (477+1) семейство обнаружено и исследовано при синтезе трансурановых элементов. В ряду нептуния все изотопы имеют периоды полураспада меньше ю7 лет. Наиболее долгоживущим членом этого ряда является 237Np (Т= 2.2106 лет), а конечным стабильным продуктом 209Bi. Значительная часть природного висмута обязана своим происхождением исчезнувшему ряду7 нептуния. Радона в этом ряду7 нет.

Замечание. Нептуниевый ряд начинается вовсе не с нептуния, а с кюрия. Ряд назван нептуниевым из-за того, что нептуний 23?Np в нём — наиболее долгоживущий элемент, а предшествующие ему материнские радионуклиды сравнительно быстро распадаются (Период полураспада истинного родоначальника ряда - кюрия, 2+Ст, — всего 32,8 дня). В состав семейства нептуния входят изотопы урана, тория, протактиния, таллия, свинца, полония, а также изотопы практически не существующих в природе элементов: нептуния, плутония, америция, франция и астата.

Рассмотрим некоторые общие свойства приведенных выше рядов.

Радиоактивные превращения элементов происходят за счёт испускания или захвата электрона с образованием изобарных пар или триад, а также за счёт испускания а-частицы с изменением массы ядра, отличающейся на значения, кратные 4 (477, 477+1, 477+2, 477+3). Например, каждый атом 238U при последовательном распаде даёт 8 атомов гелия с общей массой 32 и один атом 20бРЬ, или один грамм-атом материнского вещества превращается в грамм-атом дочернего (238U—>2o6Pb+8^He). Превращение одного изотопа в другой происходит за счёт двух /?-распадов и одного а-распада в любой последовательности.

Максимальной энергией у-излучения в ряду 477+2 (238U) обладает изотоп 2,+Bi (1.76 МэВ), а в ряду 477 (232Th) — изотоп 206Т1 (2.62 МэВ), испускает излучение самой высокой энергией у-излучения из всех природных радионуклидов.

Вклады в радиационный гамма-фон с поверхности Земли рассматриваемых семейств и не входящего в радиоактивные семейства изотопа 4°К составляют: ряд тория — 40%, ряд урана — 25%, 40К — 35% при среднем содержании элементов в почвах 8.5*Ю'4%, i.5-io4% и 1.2% соответственно. Максимальную энергию а-излучения (10.5 МэВ) имеет природный радионуклид ториевого семейства (477) 212Ро.

Все члены радиоактивных рядов связаны друг с другом последовательными необратимыми взаимными превращениями, и в закрытой системе со временем наступает равновесие. Скорость наступления равновесия в целом по ряду определяется периодом полураспада наиболее долгоживущего его члена. Например, для уранового семейства, в котором самый долгоживущий член 234U (7=2.45 ю5 лет), продолжительность установления равновесия 1.7 млн. лет.

В ру'дах в равновесии с ураном, торием находятся значимые количества дочерних радиотоксичных изотопов (табл. 2). Радиоактивность урановых руд, отнесённая к 1 кг природного урана, в 4 раза выше, чем радиоактивность ториевых руд.

Все члены этого участка ряда имеют периоды полураспада меньше

ю8 лет.

Искусственно полученные изотопы 239U, 239Np и 2з9Ри являются предшественниками 235U. Сравнительно быстрый их распад привёл к тому, что в природе обнаружены лишь ничтожные следы этих изотопов.

Семейства искусственных трансплутониевых радионуклидов, в отличие от природных, имеют главные и побочные ветви, с разными родоначальниками, но, начиная с некоторого общего члена, сливаются и повторяют природные ряды. Техногенные изотопы актинидов являются «предками» существующих в природе семейств. Например, 248Ст (7=3.39105 лет) относится к предшественникам ториевого семейства. 245Сш (7=8.5 юз лет) — предшественник нептуниевого семейства. 24бСш (7=4.73103 лет) и 25°Cf (7=6.9юз лет) - предшественники уранового семейства, а ^Ст (7=1.56 ю7 лет) - предшественник уфан-актиниевого ряда.

Табл. 1. Природные радиоактивные семейства.

Семейство

Изменение

массы

Радиоактивный материнский изотоп

Стабильный дочерний изотоп

Тория

477

232Th, 7=1.40510ю лет

2о8РЬ

Нептуния

477+1

237Np, 7=2.14-ю6 лет

2°9Bi

Урана

471+2

238U, 7=4,47-109 лет

20брЬ

а. Семейство зТЬ, 4 и

Рис. 13а. Семейство 2з2ТЬ, 4 и.

Семейство нептуния, 471+1

Рис. 146. Семейство нептуния, 471+1.

в. Семейство U, 4П+2

Рис. 13в. Семейство 238U, 4П+2

Табл. 2. Равновесное содержание радиотоксичных изотопов (мг) на 1 т урана или тория.

Радиоактивное семейство

Изотоп

Период полураспада, T

Содержание

4 п

232Th

1.41x10ю лет

109

Торцевое

226Ra

5-75 лет

0.470

228Th

1.91 года

0.134

224Ra

3.66 сут.

6.910-4

4П+2

236U

4.47-109 лет

9-93-ю8

Урановое

234U

2.45-105 лет

5-ю4

23°Th

7.70-10» лет

1.78-ю4

226Ra

1600 лет

3.30102

21opb

22.30 лет

432

4П+3

235U

7.04-ю8 лет

7.06-Ю6

Актиниевое

23ipa

3.28-ю4 лет

3.14-ю2

22?Ac

21.77 юда

0.21

223Ra

11.30 сут.

2.90-Ю*4

г. Семейство актинорана, 35U, 4/1+3

Рис. 13г. Семейство актинорана, 235U, 4/1+3.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >