4.8.4 Правила смещения и радиоактивные ряды

Процесс радиоактивного распада атомных ядер происходит в строгом соответствии с законами сохранения электрического заряда, числа нуклонов (массового числа) и обобщенного закона сохранения массы-энергии. По первому закону сумма зарядов возникающего дочернего ядра и возникающей частицы равна заряду исходного ядра.. Закон сохранения числа нуклонов указывает на то, что число нуклонов при радиоактивном распаде не изменяется, поэтому сумма массовых чисел возникающих частиц равна массовому числу исходного ядра

Из закона сохранения электрического заряда и закона сохранения массовых чисел вытекает правило смещения, которое сравнительно просто позволяло определить место получающегося элемента — изотопа в периодической системе, исходя из положения распадающегося изотопа. Сформулируем правило смещения для α- и β-распада.

Радиоактивный изотоп с атомным номером Z и массовым числом А при испускании α- частицы превращается в изотоп с атомным номером Z-2 и массовым числом А-4, т. е. в результате α-распада получается изотоп другого элемента, смещенный в периодической системе на два места раньше исходного элемента. Схематически α-распад можно записать так:

^ZХА→^Z-2УA-4 + ^2Не4

(4.113).

Радиоактивный изотоп с атомным номером Z и массовым числом А при испускании β--частицы (электрона) превращается в изотоп другого элемента, с тем же массовым числом, но с атомным номером Z+1, т. е. смещается в периодической системе на одно место за исходный элемент. Схема β--распада:

^ZХА→^Z+1УA + ^-1е0

(4.114)

Сформулированные правила смещения позволяют разобраться во всех радиоактивных превращениях тяжелых элементов, встречающихся в природе. Часто новый дочерний изотоп, возникающий в результате радиоактивного распада материнского изотопа, сам является радиоактивным и дает новые продукты распада. Поэтому многие естественно-радиоактивные изотопы (стоящие в периодической таблице за свинцом) оказываются генетически связанными между собой и образуют цепочку или ряд изотопов. Такая цепочка всех изотопов элементов, возникающих в результате ряда последовательных радиоактивных превращений из одного материнского элемента, называется радиоактивным семейством.

На рисунке 4.84 изображены схемы последовательных превращений трех радиоактивных семейств. По оси абсцисс отложены зарядовые числа Z, а по оси ординат — массовые числа ядер А.

Семейство урана начинается изотопом U₂₃₈ и заканчивается стабильным изотопом свинцом РЬ_206. Семейство тория начинается торием Th₂₃₂ и заканчивается устойчивым изотопом РЬ_208. Конечным продуктом семейства актиния является стабильный изотоп РЬ₂₀₇. Во всех трех семействах имеются разветвления, или «вилки», обусловленные тем, что данный изотоп, дающий начало вилке, способен распадаться двумя различными путями: или с испусканием α-частицы, или с испусканием β-частицы.

Все три ряда начинаются с элементов с очень большими периодами полураспада: ⁹⁸U₄₃₈ имеет период полураспада Т = 4,4•10⁹

В

81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 81 82 83 84 85 8S 87 88 89 90 91 92

Tl Рв Bi Po At Rn Fr Ra AC Th Pa U Tl PS Bi Pa At Rn Fr Ra AC Th Pa U

Семейство урана

81 82 83 84 85 86 87 88 89 SO 91 92'

TL Рв Bi PO At Rn Fr Ra Ac Th Pa U

Рисунок - 4.84

лет: для тория Т = 1,8•10¹⁹ лет и для AcU период Т = 4•10⁸ лет. Этим объясняется самый факт существования в земной коре радиоактивных элементов до настоящего времени. В отдаленные эпохи должны были происходить процессы образования этих элементов из более легких. Попав в земную кору, они начали распадаться, став родоначальниками всех остальных естественно-радиоактивных элементов. За время, прошедшее с момента их образования до нашей эпохи, они еще не успели полностью распасться. Месторождения радиоактивных элементов всегда сопровождаются наличием свинца, который является конечным продуктом их распада. Как было сказано, урановый ряд заканчивается изотопом Pb2₀₆, ториевый - изотопом Pb₂₀₈ и актиниевый - РЬ₂₀₇. В соответствии с этим, урановые руды (содержащие ⁹²U₂₃₈ и ⁹¹U₂₃₈) сопровождаются наличием свинца, представляющего собой смесь двух изотопов: РЬ2₀₆ и РЬ₂₀₇, а ториевые руды - наличием свинца, представляющего собой один чистый изотоп РЬ208. Это единственный случай, когда в земной коре стабильные изотопы встречаются в разделенном виде.

В 1935—1947 гг. было установлено существование еще четвертого радиоактивного семейства - семейства нептуния. Открытое четвертое семейство, родоначальником которого является изотоп 94Рu241, содержат в своем составе также и изотоп 93Np237. Решение вопроса о том, какой изотоп считать исходным для данного семейства, зависит от того, какие изотопы заурановых элементов известны науке в данное время. Радиоактивные семейства называют или именем наиболее долгоживущего изотопа семейства, или типом формулы, выражающей массовое число изотопов данного семейства. Естественные и искусственные радиоактивные изотопы исследованиях большинстве приборов и установок с применением радиоактивных изотопов используется способность бета- и гамма-лучей проникать сквозь значительные слои непрозрачного вещества. Например, для контроля качества сварного шва, качества отливки или исправности внутренних частей установки рентгеновские лучи часто не могут быть использованы из-за малой проникающей способности.

Гамма-лучи радиоактивного изотопа кобальта-60 и некоторых других изотопов обладают значительно более высокой проникающей способностью, чем рентгеновские лучи, получаемые от обычных рентгеновских аппаратов. С их помощью производится контроль качества сварных стыков в газопроводах и нефтепроводах, котлов высокого давления; контроль качества массивных отливок. Метод обнаружения дефектов с помощью гамма-лучей называется гамма-дефектоскопией.

Исследования поведения отдельных химических элементов или соединений в технологическом процессе или химических реакциях, в организме растения или животного путем введения в них небольших количеств радиоактивного изотопа исследуемого элемента называется методом меченых атомов.

В биологии и сельском хозяйстве радиоактивные изотопы помогают определить пути усвоения химических веществ растениями и животными, поведение этих веществ в живом организме. Так, добавление небольших количеств радиоактивного фосфора в фосфорное удобрение позволяет быстро выбрать эффективный способ внесения удобрений.

В медицине с помощью меченых атомов оказывается возможным определение многих заболеваний в ранней стадии, когда они легче поддаются излечению. Радиоактивный йод, например, помогает определить функциональное состояние щитовидной железы. Человек, функции щитовидной железы которого вызывают подозрения, выпивает раствор йода, содержащий радиоактивный изотоп йода в количестве безвредном для здоровья. Количество йода, усваиваемого щитовидной железой, определяется с помощью установки, регистрирующей гамма-излучение йода. У здоровых людей количество радиоактивного йода в щитовидной железе достигает максимального значения примерно через сутки после приема, у больных этот срок сокращается до 6—12 часов.

Гамма- и бета-излучения широко применяются при лечении злокачественных опухолей. Облучение мощным потоком гамма-лучей или бета-частиц поражает клетки опухоли, рост ее прекращается. В значительном числе случаев достигается полное излечение. Особенно часто для лечения злокачественных опухолей применяется гамма-излучение радиоактивного изотопа кобальта-60.

Возникновение жизни, появление человека и цивилизации на Земле оказалось возможным благодаря Солнцу, где происходит термоядерный синтез легких ядер в естественных условиях с освобождением большого количества ядерной энергии. Исследование радиоактивности материалов и изотопного содержания звездных атмосфер также позволяет оценить возраст космических объектов. Исследования радиоактивности дают весьма ценный материал для решения других важнейших космогонических проблем.