5.3.2. Механизмы нарушения радиоактивного равновесия

Радиоактивное равновесие в ряду распада считается нарушенным, если соотношение между членами ряда не удовлетворяет выражению (5.2). Нарушение равновесия возникает в результате перемещения одних членов ряда относительно других из системы либо в систему. При этом перемещение радионуклидов из системы или внутрь нее должно происходить на расстояние, превышающее размеры системы, и за время, более короткое, чем то, которое необходимо для установления радиоактивного равновесия.

Так, в зависимости от того, как давно система была открыта, а затем закрылась либо с какой частотой она открывается, мы можем наблюдать различные соотношения между отдельными членами рядов:

  • а) если после нарушения равновесия система оставалась закрытой в течение 107 лет и более, то во всех трех природных рядах распада устанавливается радиоактивное равновесие;
  • б) если система закрылась 103 - 104 лет назад, то можно наблюдать неравновесные отношения только между родоначальниками рядов и наиболее долгоживущими дочерними членами рядов:

238U - 234U - 230Th - 226Ra и 235U - 231Pа;

122

  • в) в тех случаях, когда мы имеем дело с процессами, длительность которых не превышает 10 лет, либо с сезонными вариациями (месяцы), к указанным радионуклидам добавляются 210Рb, 210Ро (ряд 238U); 227Ac (ряд 235U) и цепочка 232Th - 238Ra - 228Th (ряд 232Th);
  • г) неравновесность короткоживущих продуктов конечных отрезков рядов можно обнаружить при измерении на месте в том случае, когда геохимические процессы, приводящие к нарушению равновесия, протекают непрерывно и с высокой скоростью. Сказанное выше позволяет оценить возможность геохимического использования неравновесных радиоактивных систем и выбора тех или иных радионуклидов в зависимости от задачи исследования.

Обычно используют пары радионуклидов, генетически связанных между собой, например 234U/ 238U; 226Ra/ 238U; 230Th/ 234U; 228Th/ 228Ra и др. Степень неравновесности определяется либо в виде отношения активности дочернего AD и материнского АM радионуклидов (AD/AM), либо в виде относительного превышения активности над равновесным значением: δD (%) =
AD - AM
AM
· 100. Как следует из определения, в случае радиоактивного равновесия отношения активностей дочернего и материнского радионуклидов будут равны
AD
AM
= 1 и δD = 0.

В зависимости от соотношения периодов полураспада Т1/2 материнского и дочернего радионуклидов может встречаться несколько вариантов изменения их активностей.

  1. ТM < TD: материнский радионуклид распадется быстрее, чем дочерний. В этом случае равновесие наступить не может, если материнский радионуклид изолирован и не подкреплен предыдущим, более долгоживущим членом ряда. Активность материнского при этом уменьшается в соответствии с уравнением N = N0et. Активность дочернего проходит через максимум, значительно меньший, чем активность материнского. Затем дочерний полностью распадается вслед за исчезновением материнского (рис. 5.1). Примером может служить пара 234Th (24 дня) - 234U (2,5 · 105 лет).
  2. ТM > TD. Если период полураспада материнского радионуклида соизмерим или несколько больше периода полураспада дочернего, то с течением времени активность дочернего возрастет до состояния подвижного равновесия с материнским. Затем их равные между собой активности будут уменьшаться в соответствии с периодом ТM (рис. 5.2). Примером может служить пара 228Ra (5,75 года) - 228Th (1,9 года).

123

Рис. 5.1. Изменение активности короткоживущуго материнского радионуклида AМ и долгоживушего дочернего АD во времени
Рис. 5.1. Изменение активности короткоживущуго материнского радионуклида AМ и долгоживушего дочернего АD во времени
Рис. 5.2. Изменение активности материнского AM и дочернего AD в случае, когда Tм > Tp
Рис. 5.2. Изменение активности материнского AM и дочернего AD в случае, когда Tм > Tp
Рис. 5.3. Изменение активности материнского AM и дочернего АD радионуклидов для случая TM ≫ ТD
Рис. 5.3. Изменение активности материнского AM и дочернего АD радионуклидов для случая TMТD
Рис. 5.4. Два варианта неравновесных систем для случая TM ≫ ТD
Рис. 5.4. Два варианта неравновесных систем для случая TMТD
  1. TMТD. Чаще используют пары, где период полураспада материнского радионуклида несравнимо больше дочернего: 226Ra (1,6 · 103 лет) - 222Rn (3,8 дня). В этом случае по истечении времени, зависящего от TD, устанавливается вековое равновесие и отношение активностей нуклидов будет определяться уравнением AD/AM = 1 - eDt. Из соотношения NMλM = NDλD понятно, что чем больше скорость распада дочернего радионуклида, тем меньшее число его атомов соответствует радиоактивному равновесию с материнским (рис. 5.3).
  2. В природных системах редко встречаются случаи, описанные выше, когда в момент начала отсчета (t = 0) дочерний радионуклид полностью отсутствует (AD = 0). Обычно некоторое его количество находится вместе с материнскими атомами, хотя ADAM. Изменение активности дочернего нуклида во времени в этом случае будет описываться уравнением

124

AD = AD (0) eDt + AM (1 - eDt).
 
I
 
II
(5.3)

Слагаемое I соответствует распаду дочерних атомов (1.18), а слагаемое II - накоплению их из материнских (1.35). При этом могут иметь место два варианта: AD (0) > АM и AD (0) < АM, что хорошо видно на рис. 5.4.

125



Купить BlueTooth гарнитуру

Яндекс цитирования Rambler's Top100
Tikva.Ru © 2006. All Rights Reserved