Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 9 из 63)

3.5 Радиоактивные семейства

Как было отмечено выше, радиоактивные нуклиды, возникающие друг за другом, вследствие распада одного материнского вещества, образуют радиоактивное семейство, последний элемент которого представляет собой стабильный не радиоактивный элемент.

Переход одних элементов в другие осуществляется путем a и b - распада. Массовые числа при a - распаде меняются сразу на 4, заряд ядра меняется на 2 единицы:

Х ®

Х +

Не

и новый элемент отстоит в этом случае на две клеточки влево в периодической системе, например:

Ra Rn

При b

- распаде массовые числа не меняются вовсе, а заряд увеличивается на 1 и новый элемент сдвигается вправо в периодической системе:

Х

X + e

Очевидно, например, что все продукты распада изотопа тория ²³²Th , массовое число которого кратно четырем ( 4n), тоже должны иметь делящиеся на четыре массовые числа: А= 232, 228, 224 и т. д. Соответственно все продукты распада урана ²³⁸U (4n+2) будут иметь массовые числа А= 238, 234, 230, и т.д., деление которых на 4 дает 4n+2. Поэтому, в принципе, в природе могут существовать 4 независимых семейства радиоактивных элементов с массовыми числами 4n, 4n+1, 4n+2, 4n+3, где n - целое число. Фактически в природе найдено три ряда радиоактивных семейств. Это ряд тория( 4n), ряд урана (4n+2) и ряд актиния (4n+3) .

Четвертое семейство с формулой 4n + 1 (семейство нептуния) не было обнаружено в природе, так как оно состоит из нуклидов со сравнительно короткими периодами полураспада. Поэтому за время существования Земли все они давно распались.

Для любого члена радиоактивного ряда справедливо выражение

l₁ N₁ =l₂N_2.= l_і N_і , (3,16)

где l_i N_i постоянная распада и число ядер i-того члена радиоактивного семейства. Исходя из этого выражения, можно вычислить содержание любого дочернего элемента, зная содержание материнского и наоборот.

Таблица 3.1. Некоторые данные о четырех радиоактивных семействах

Структура массового ядра	Название семейства	Материнское ядро	Период полураспада	замыкающее стабильное ядро
А = 4n	ториевое		1,39×1010 лет
А = 4n+1	нептуниевое		2,2×106 лет
А = 4n+2	урано-радиевое		4.5×109 лет
А = 4n+3	урано-актиниевое		7.18×108 лет

Кроме представленных в таблице четырех радиоактивных семейств слабо выраженной радиоактивностью обладают еще ряд естественно радиоактивных изотопов:

(a) Т_1/2 5 ·10¹¹ лет

²⁴⁴Pu (a) Т_1/2 = 8,2 10⁷ лет

(b^-, b⁺, K-захват) Т_1/2 = 1.27 ·10⁹ лет

V(b^-, K-захват) Т_1/2 = 6· 10¹⁵ лет

(b^-) Т_1/2 = 5.7 ·10¹⁰ лет

(b^-) Т_1/2 = 5.0 ·10¹⁴ лет

( K-захват) Т_1/2 = 1.2·10¹³ лет

(b^-, K-захват) Т_1/2 = 1.1 ·10¹¹ лет

(a) Т_1/2 = 2.4 ·10¹⁵ лет

(a) Т_1/2 = 1.1 ·10¹¹ лет

(a) Т_1/2 = 2.0 ·10¹⁵ лет

(b^-) Т_1/2 = 3.6 ·10¹⁰ лет

(b^-) Т_1/2 = 6.0 ·10¹⁰ лет

(a) Т_1/2 = 7.0 ·10¹¹ лет

ВОПРОСЫ

1.Сформулируйте закон радиоактивного распада в диффереренциальной форме.

2.Сформулируйте закон радиоактивного распада в интегральной форме.

3. Как определить число распавшихся и оставшихся ядер по истечении времени t?

4.Дайте определение абсолютной радиоактивности радионуклида и единицы радиоактивности.

5. Дайте определение периода полураспада радиоактивного вещества.

6. Дайте определение радиоактивного равновесия.

7. Что собой представляют радиоактивные семейства?

Глава 4. Типы ядерных превращений

После открытия явления радиоактивного распада, Э. Резерфорд, сосредоточил внимание на изучении этого явления. В 1899 г. Э. Резерфорд установил, что излучение урана состоит из двух компонент, обозначенных впоследствии первыми буквами греческого алфавита

и

, спустя год П. Вийар открыл гамма-излучение (γ).

Рис.4.1.Отклонение альфа-, бета- и гамма-лучей в электрическом и магнитном полях

В 1903 г Резерфордом и Содди была предложена теория радиоактивного распада атомов, согласно которой в результате радиоактивного распада происходит превращение одного химического элемента в другой. В процессе эмиссии радиоактивного излучения вещество претерпевает ряд изменений. При этом довольно быстро было обнаружено, что разные ядра распадаются по-разному с испусканием различных частиц в зависимости от комбинации частиц в ядре или его состояния.

В 1913 г. Содди и Фаянс независимо друг от друга сформулировали правило смещения при различных видах радиоактивного распада.

Радиоактивные превращения обладают двумя особенностями, делающие их более простыми по сравнению с химическими превращениями.

Первая особенность заключается в том, что для всех типов радиоактивных превращений справедлив один кинетический закон.

Вторая особенность состоит в том, что количество типов радиоактивных превращений очень ограничено.

В настоящее время известно семь основных типов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, гамма-распад, спонтанное деление, испускание запаздывающего нейтрона и запаздывающего протона.

Испускание каждой частицы или g-кванта переводит ядро с энергетически более высокого уровня на новый более низкий уровень. Разность между исходным и конечным энергетическим уровнем (за вычетом энергии, связанной с массой покоя вылетающей частицы) характеризуют полную энергию распада.

Радиоактивный распад в общем виде можно записать уравнением:

А ® В + Х + DЕ, где:

А - материнский нуклид,

В - дочерний нуклид,

Х - испускаемая частица или квант,

DЕ - кинетическая энергия испускаемых частиц или гамма- квантов.

Рассмотрим основные типы ядерных превращений.

4.1 Альфа - распад

Альфа распадом, называются ядерные превращения, при котором из ядра вылетает a-частица, являющаяся ядром атома гелия

Не и движущаяся со скоростью 1,4×10³-2,6×10³ км/с. Пробег в воздухе 2,5 - 9 см.

Превращения с испусканием a-частиц характерны в основном для ядер атомов тяжелых элементов, исключение составляют ядра

Ве, практически мгновенно распадающиеся на две a-частицы, а также искусственно получаемого изотопа ¹⁵²Sm.