Крупнейшее обобщение XIX века, выражающееся в статической форме учения о равновесиях, оказалось приложимым и к этим явлениям и выдвинуло идею о радиоактивном равновесии, далеко еще не все выводы которой вошли в сознание исследователей.

В.И. Вернадский

5.1. РЯДЫ РАСПАДА

В отличие от других долгоживущих природных радионуклидов ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th в процессе альфа-распада не сразу превращаются в стабильные дочерние продукты, а дают длинные цепочки сравнительно короткоживущих промежуточных продуктов распада, образующих ряды распада, или радиоактивные семейства (см. Приложение 1). Конечными стабильными дочерними продуктами всех трех рядов являются изотопы свинца, которые рассматривались в предыдущей главе. Ряды распада были открыты супругами Кюри, которые обнаружили, что радиоактивность урановых руд (содержащих помимо урана все продукты распада) в несколько раз выше радиоактивности чистых солей урана (содержащих только изотопы урана). Среди продуктов распада были открыты новые химические элементы: радий, полоний, радон, актиний, протактиний. Так как в этот период явление изотопии не было известно, вновь открытым радиоактивным веществам давали новые названия, считая их самостоятельными химическими элементами. Лишь после того, как Ф. Содди ввел понятие изотопии, обнаружилось, что вновь открытые радиоактивные продукты распада являются изотопами уже известных элементов. Поэтому каждый член ряда имеет по два индекса: старый, указывающий на принадлежность к тому или иному ряду распада, и обычный символ нуклида. Например, начало ряда распада ²³⁸U имеет обозначения:

238

92

 U (UI) 

α

────→

234

90

Th (UX₁) 

β

────→

234

91

Pa (UX₂)

β

────→

234

92

 U (UII) 

α

────→

 

230

90

 Th (Io) 

α

────→

α

────→

226

88

Ra →

222

86

Rn → ...

110

Радиоактивный распад - явление необратимое. Поэтому от начала каждого ряда к его концу в целом уменьшаются порядковые номера элементов и массовые числа. Это обеспечивается лишь за счет α-распада. (При β-распаде порядковый номер увеличивается на единицу, а массовое число остается без изменения.) Так как испускание α-частицы вызывает уменьшение массового числа на 4, то в принципе возможно существование четырех типов рядов, где массовые числа будут выражаться величинами 4n, 4n + 1, 4n + 2, 4n + 3 (n - произвольное положительное число, отличное от 0). Если рассмотреть массовые числа членов природных радиоактивных рядов, то можно убедиться, что они подчиняются данной закономерности. Например, ряд ²³²Th соответствует типу 4n (232 = 4 × 58); ряд ²³⁸U - (4n + 2) (238 = 4 × 59 + 2); ряд ²³⁵U - (4n + 3) (4 × 58 + 3). Ряд типа (4n + 1) в природе обнаружен не был. Члены этого ряда синтезированы в результате искусственных ядерных реакций. Ряд получил название "ряда нептуния", по наиболее долгоживущему своему члену

237

93

Np, который имеет период полураспада 2,25 · 10⁶ лет. Конечный стабильный продукт этого ряда

205

81

Тl. Считают, что природный

209

83

Bi (T_1/2 = 2,7 · 10¹⁷ лет) - единственный уцелевший член этого ряда. Остальные распались на самом раннем этапе существования Земли. Открытие новых искусственных радионуклидов позволяет продолжать ряды распада от конца к началу. Так, одним из дальних предков ²³⁸U является ²⁵⁸Md, ²³²Th - ²⁵⁶Es, ²³⁵U - ²⁴⁷Cm, ²³⁷Np - ²⁴¹Pu и т.д. Кроме того, были открыты побочные ветви рядов. Главные и побочные ветви совпадают, начиная с некоторого общего члена, хотя родоначальники у них разные. В целом все изотопы радиоактивных элементов оказываются распределены между четырьмя рядами распада.

В каждом из природных рядов встречается определенная последовательность типов превращений, когда за одним альфа-распадом следуют два бета-распада или наоборот. Альфа-распад уменьшает заряд ядра на 2 единицы, а два бета-распада увеличивают его на 2 единицы. В результате появляется новый изотоп первоначального элемента, у которого массовое число уменьшено на 4 единицы. Примером может послужить нахождение изотопов урана (²³⁸U и ²³⁴U) и тория (²³⁴Th и ²³⁰Th) в ряду ²³⁸U, часть которого была приведена выше.

Естественные ряды имеют между собой большое сходство. Все они заканчиваются стабильными изотопами свинца. В середине каждого ряда находится по одному изотопу единственного радиоактивного газа - радона. Радон делит ряды на две части. Начальные отрезки рядов содержат наиболее долгоживущие радионуклиды

111

- изотопы U, Th, Pa, Ac, Ra, Fr. Конечные отрезки всех трех рядов сходны. В них входят короткоживушие изотопы Pb, Bi, Po, Tl, At. Многие из них обладают способностью распадаться двумя путями (α и β), образуя "вилку", которая затем сходится к одному и тому же радионуклиду.

Радионуклиды конечных отрезков рядов отличаются наиболее высокой энергией излучения. Так, максимальной энергией γ-излучения в ряду ²³⁸U обладает ²¹⁴Bi (1,76 МэВ), а в ряду ²³²Th - ²¹²Т1 (2,62 МэВ). Последний отличается самой высокой энергией γ-излучения среди всех природных радионуклидов. Точно так же ²¹²Ро обладает максимальной энергией α-излучения среди природных радионуклидов (10,5 МэВ).

Ряд нептуния непохож на остальные 3 ряда. В настоящей главе рассмотрены лишь природные ряды распада.

112