2. Изотопы

К 1982 году было известно 24 изотопа актиния, на данный момент известен 31 изотоп актиния и ещё 8 возбужденных изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе были найдены три изотопа — ²²⁵Ac, ²²⁷Ac и ²²⁸Ac, остальные получаются искусственным путём. На практике применяют три природных изотопа. Актиний-225 является членом радиоактивного ряда нептуния; был впервые обнаружен в 1947 году в качестве продукта распада урана-233. Если выдержать 1 г урана-233 в течение года, то активность образовавшегося в образце ²²⁵Ac составит 1,8×10⁶ расп/мин. Данный нуклид является α-излучателем с периодом полураспада 10 сут. Актиний-225 по сравнению с актинием-228 менее доступен, но в практическом отношении как радиоактивный индикатор является более перспективным.

Актиний-227 — член радиоактивного ряда урана-актиния. Встречается во всех урановых рудах, однако в малых количествах. На один грамм урана при радиоактивном равновесии приходится всего 2×10⁻¹⁰ г ²²⁷Ac. Период полураспада изотопа ²²⁷Ac составляет 21,77 лет.

Актиний-228 является членом радиоактивного ряда тория; был открыт О. Ганом в 1906 году. Данный изотоп образуется при распаде ²²⁸Ra. В 1 т тория содержится 5×10⁻⁸ г ²²⁸Ac. Изотоп является β⁻-излучателем с периодом полураспада 6,15 ч.

Из изотопов протактиния известны 29 нуклидов с массовыми числами 212—240 и 3 возбужденных изомерных состояния некоторых его нуклидов. Из этого количества только два нуклида — ²³¹Pa и ²³⁴Pa — встречаются в природе, остальные — синтезируются. Продолжительность жизни всех изотопов, за исключением протактиния-231, невелика. С практической точки зрения наиболее важными являются долгоживущий изотоп ²³¹Pa и искусственно полученный ²³³Pa. Протактиний-233 является промежуточным продуктом при получении урана-233, он же является наиболее доступным среди других искусственных изотопов протактиния. По своим физическим свойствам (период полураспада, энергия γ-излучения и др.) является удобным веществом для химических исследований. Благодаря данному изотопу было получено очень много ценных химических сведений по химии протактиния. Протактиний-233 является β-излучателем с периодом полураспада 26,97 дня.

Уран имеет 25 его изотопов с массовыми числами 217—242. Для урана известно наличие 6 изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе в заметных количествах уран находится в виде трёх изотопов — ²³⁴U, ²³⁵U и ²³⁸U. Из всех остальных важнейшим является ²³³U, который получается как конечный продукт превращений при облучении ²³²Th замедленными нейтронами. Ядро ²³³U обладает эффективным поперечным сечением деления на тепловых нейтронах, по сравнению с ²³⁵U. Из большинства изотопов урана наиболее удобным для изучения химических свойств считается уран-238, период полураспада которого составляет 4,4×10⁹ лет.

В настоящее время известно 19 изотопов нептуния с массовыми числами от 225 до 244. Для работы с изотопами обычно применяются долгоживущий ²³⁷Np (T_½=2,20×10⁶ лет) и короткоживущие ²³⁹Np, ²³⁸Np. Важнейшим из них является нептуний-237. Данный изотоп наиболее пригоден для исследования физических и химических свойств. Спектр данного изотопа является очень сложным и состоит из более 20 энергетических линий. Применение больших количеств ²³⁹Np в химической лаборатории осложняется его высокой радиоактивностью.

Для изотопов америция на данный момент известно 16 нуклидов с массовыми числами от 232 до 248. Важнейшими из них являются ²⁴¹Am и ²⁴³Am, оба являются альфа-излучателями; имеют мягкое, но интенсивное γ-излучение; оба они могут быть получены в изотопически чистом виде. Химические свойства америция были изучены в основном на ²⁴¹Am, однако в дальнейшем стали доступны весовые количества ²⁴³Am, который более удобен для химических исследований, так как почти в 20 раз менее активен, чем америций-241. Недостатком изотопа ²⁴³Am является наличие короткоживущего дочерноего изотопа нептуния-239 (см. приложение Б, табл Б 1), с которым приходится считаться при определении по γ-активности.

На данный момент известно 19 изотопов кюрия. Наиболее доступные из них — ²⁴²Cm, ²⁴⁴Cm являются α-излучателями, но имеют гораздо меньшие, чем у изотопов америция, периоды полураспада. У этих изотопов почти отсутствует γ-излучение, но зато заметным являются спонтанное деление и связанное с ним испускание нейтронов.

Более долгоживущие изотопы кюрия(^245—248Cm, все α-излучатели) образуются в виде смеси при облучении нейтронами плутония или америция. В этой смеси при не очень продолжительном облучении преобладает кюрий-246, а затем начинает накапливаться кюрий-248. Оба эти изотопа, особенно ²⁴⁸Cm, имеют большие периоды полураспада и гораздо более удобны для проведения химических исследований, чем ²⁴²Cm и ²⁴⁴Cm; однако они также обладают довольно большой скоростью спонтанного деления. Наиболее долгоживущий изотоп кюрия — ²⁴⁷Cm — не образуется в больших количествах из-за сильного деления на тепловых нейтронах.

Для берклия известно 14 изотопов с массовыми числами 238—252. Единственный доступный из них в больших количествах — ²⁴⁹Bk имеет сравнительно малый период полураспада (330 дней) и испускает в основном мягкие β-частицы, неудобные для регистрации. У него имеется также слабое альфа-излучение (1,45×10⁻³ % по отношению к β-излучению), которое иногда используется для определения этого изотопа. Известен долгоживущий изотоп берклия-247 с периодом полураспада 1380 лет, имеющий альфа-излучение, но пока он не получен в весовых количествах. Образование изотопа при нейтронном облучении плутония не происходит из-за β-стабильности изотопов кюрия с массовым числом меньше 248.

Изотопы калифорния с массовыми числами 237—256 образуются в ядерном реакторе, как и другие. Изотоп калифорния-253 является β-излучателем, а все остальные — α-излучателями. Кроме того, изотопы с чётными массовыми числами (²⁵⁰Cf, ²⁵²Cf и ²⁵⁴Cf) характеризуются большой скоростью спонтанного деления, особенно изотоп калифорния-254, у которого 99,7 % распадов происходит путём спонтанного деления. Стоит отметить изотоп калифорния-249, который обладает довольно большим периодом полураспада (352 года) и слабым спонтанным делением. У этого изотопа имеется и сильное γ-излучение, которое может значительно облегчить его идентификацию. Изотоп ²⁴⁹Cf не получается в больших количествах в ядерном реакторе вследствие медленного β-распада материнского изотопа ²⁴⁹Bk и большого сечения взаимодействия с нейтронами, однако он может быть накоплен в изотопически чистом виде как продукт β-распада предварительно выделенного ²⁴⁹Bk. Калифорний, выделенный из облучённого в реакторе плутония, содержит в основном изотопы ²⁵⁰Cf и ²⁵²Cf (при большом потоке нейтронов преобладает ²⁵²Cf), и работа с ним затруднена из-за мощного нейтронного излучения.

Известно 16 изотопов эйнштейния с массовыми числами от 241 до 257. Наиболее доступным из его изотопов является ²⁵³Es — α-излучатель с периодом полураспада 20,47 дней, имеющий относительное слабое γ-излучение и небольшую по сравнению с изотопами калифорния скорость спонтанного деления. При более длительном облучении в реакторе образуется также долгоживущий ²⁵⁴Es (T_½=275,5 дней).

Из изотопов фермия известно 19 нуклидов с массовыми числами от 242—260. Изотопы ²⁵⁴Fm, ²⁵⁵Fm, ²⁵⁶Fm являются α-излучателями с короткими периодами полураспада (часы) и поэтому не могут быть выделены в весовых количествах. Но при более длительном и мощном облучении можно, по-видимому, ожидать накопления заметных количеств долгоживущего изотопа фермия-257 (T_½=100 дней). Все изотопы фермия, в том числе и ²⁵⁷Fm, характеризуются очень большими скоростями спонтанного деления.

Для менделевия известно 15 нуклидов с массовыми числами от 245 до 260. Все исследования свойств изотопов менделевия проводились с ²⁵⁶Md, который распадается главным образом путём электронного захвата (α-излучение ≈ 10 %) с периодом полураспада 77 минут. Известен долгоживущий изотоп ²⁵⁸Md (T_½=53 дня), он также является альфа-излучателем. Оба эти изотопа получают из изотопов эйнштейния (соответственно ²⁵³Es и ²⁵⁵Es), поэтому возможность получения изотопов менделевия ограничивается количеством имеющегося эйнштейния.

Долгоживущие изотопы нобелия имеют малые периоды полураспада; по аналогии, все последующие после актиноидов элементы имеют все меньшие (местами) периоды полураспада. Для этого элемента известно 11 его нуклидов с массовыми числами от 250 до 260, и 262. Изучение химических свойств нобелия и лоуренсия проводились с изотопами ²⁵⁵No (T_½=3 мин.) и ²⁵⁶Lr (T_½=35 сек.). Наиболее долгоживущий ²⁵⁹No (Т_½≈1,5 часа) синтезирован в 1970 году.

Основные свойства изотопов представлены в таблице 3.

Таблица 3

Ядерные свойства важнейших изотопов трансплутониевых элементов
Изотоп	Период полураспада	Вероятность спонтанного деления, %	Энергия излучения, МэВ (выход, в %)		Удельная активность
			α	γ	α, β-частицы, Бк/кг	деления, Бк/кг
^241Am	432,2(7) лет	4,3(18)×10^−10	5,485 (84,8) 5,442 (13,1) 5,388 (1,66)	0,059 (35,9) 0,026 (2,27)	1,27×10^14	546,1
^243Am	7,37(4)×10^3 лет	3,7(2)×10^−9	5,275 (87,1) 5,233 (11,2) 5,181 (1,36)	0,074 (67,2) 0,043 (5,9)	7,39×10^12	273,3
^242Cm	162,8(2) суток	6,2(3)×10^−6	6,069 (25,92) 6,112 (74,08)	0,044 (0,04) 0,102 (4×10^−3)	1,23×10^17	7,6×10^9
^244Cm	18,10(2) года	1,37(3)×10^−4	5,762 (23,6) 5,804 (76,4)	0,043 (0,02) 0,100 (1,5×10^−3)	2,96×10^15	4,1×10^9
^245Cm	8,5(1)×10^3 лет	6,1(9)×10^−7	5,529 (0,58) 5,488 (0,83) 5,361 (93,2)	0,175 (9,88) 0,133 (2,83)	6,35×10^12	3,9×10^4
^246Cm	4,76(4)×10^3 лет	0,02615(7)	5,343 (17,8) 5,386 (82,2)	0,045 (19)	1,13×10^13	2,95×10^9
^247Cm	1,56(5)×10^7 лет	—	5,267 (13,8) 5,212 (5,7) 5,147 (1,2)	0,402 (72) 0,278 (3,4)	3,43×10^9	—
^248Cm	3,48(6)×10^5 лет	8,39(16)	5,034 (16,52) 5,078 (75)	—	1,40×10^11	1,29×10^10
^249Bk	330(4) суток	4,7(2)×10^−8	5,406 (1×10^−3) 5,378 (2,6×10^−4)	0,32 (5,8×10^−5)	5,88×10^16	2,76×10^7
^249Cf	351(2) год	5,0(4)×10^−7	6,193 (2,46) 6,139 (1,33) 5,946 (3,33)	0,388 (66) 0,333 (14,6)	1,51×10^14	7,57×10^5
^250Cf	13,08(9) года	0,077(3)	5,988 (14,99) 6,030 (84,6)	0,043	4,04×10^15	3,11×10^12
^251Cf	900(40) лет	?	6,078 (2,6) 5,567 (0,9) 5,569 (0,9)	0,177 (17,3) 0,227 (6,8)	5,86×10^13	—
^252Cf	2,645(8) года	3,092(8)	6,075 (15,2) 6,118 (81,6)	0,042 (1,4×10^−2) 0,100 (1,3×10^−2)	1,92×10^16	6,14×10^14
^254Cf	60,5(2) суток	≈100	5,834 (0,26) 5,792 (5,3×10^−2)	—	9,75×10^14	3,13×10^17
^253Es	20,47(3) суток	8,7(3)×10^−6	6,540 (0,85) 6,552 (0,71) 6,590 (6,6)	0,387 (0,05) 0,429 (8×10^−3)	9,33×10^17	8,12×10^10
^254Es	275,7(5) суток	< 3×10^−6	6,347 (0,75) 6,358 (2,6) 6,415 (1,8)	0,042 (100) 0,034 (30)	6,9×10^16	—
^255Es	39,8(12) суток	0,0041(2)	6,267 (0,78) 6,401 (7)	—	4,38×10^17(β) 3,81×10^16(α)	1,95×10^13
^255Fm	20,07(7) ч	2,4(10)×10^−5	7,022 (93,4) 6,963 (5,04) 6,892 (0,62)	0,00057 (19,1) 0,081 (1)	2,27×10^19	5,44×10^12
^256Fm	157,6(13) мин	91,9(3)	6,872 (1,2) 6,917 (6,9)	—	1,58×10^20	1,4×10^19
^257Fm	100,5(2) суток	0,210(4)	6,752 (0,58) 6,695 (3,39) 6,622 (0,6)	0,241 (11) 0,179 (8,7)	1,87×10^17	3,93×10^14
^256Md	77(2) мин	—	7,142 (1,84) 7,206 (5,9)	—	3,53×10^20	—
^257Md	5,52(5) ч	—	7,074 (14)	0,371 (11,7) 0,325 (2,5)	8,17×10^19	—
^258Md	51,5(3) суток	—	6,73	—	3,64×10^17	—
^255No	3,1(2) мин	—	8,312 (1,16) 8,266 (2,6) 8,121 (27,8)	0,187 (3,4)	8,78×10^21	—
^259No	58(5) мин	—	7,455 (9,8) 7,500 (29,3) 7,533 (17,3)	—	4,63×10^20	—
^256Lr	27(3) с	< 0,03	8,319 (5,4) 8,390 (16) 8,430 (33)	—	5,96×10^22	—
^257Lr	646(25) мс	—	8,796 (18) 8,861 (82)	—	1,54×10^24	—