Явление полураспада радиоактивности

Период полураспада – время T_1/2, за которое количество радионуклидов уменьшается вдвое. Периоды полураспада у различных радионуклидов могут изменяться от долей секунды до тысяч лет.

Не следует считать, что за два периода полураспада распадутся все частицы, взятые в начальный момент. Поскольку каждый период полураспада уменьшает число выживших частиц вдвое, за время 2T_1/2 останется четверть от начального числа частиц, за 3T_1/2 – одна восьмая и т. д. Вообще, доля выживших частиц (или, точнее, вероятность выживания p для данной частицы) зависит от времени t следующим образом:

Период полураспада, среднее время жизни и постоянная распада связаны следующими соотношениями, полученными из закона радиоактивного распада:

 

Радиоактивные семейства. Все встречающиеся в природе радиоактивные элементы являются звеном длинной цепочки взаимных превращений. Такие цепочки превращений называются радиоактивными рядами или радиоактивными семействами элементов. Переход одних элементов в другие осуществляется путем альфа- и

 

бета-распадов. Массовые числа при альфа-распаде меняются сразу на четыре, заряд ядра меняется на две единицы и новый элемент отстоит в этом случае на дне клеточки влево по периодической системе (например, ²²⁶Ra₈₈ → ²²²Rn₈₆). При бета-распаде массовые числа не меняются вовсе, так как излучается электрон ( т_{е =} т_{р /1840} ). Заряд же ядра увеличивается на единицу, и новый элемент сдвигается вправо на одну клеточку в периодической таблице Д. И. Менделеева. По признаку делимости массовых чисел на 1 и на 4 (соответственно бета-- и альфа-распаду) должны существовать четыре радиоактивных семейства:

1) А =4 п,

2) А =4 п + 1,

3) А =4 п +2,

4) А =4 п + 3.

 

Начинаться радиоактивные семейства должны с самого долгоживущего изотопа (с наибольшим периодом полураспада). Причем, изотопы должны иметь период полураспада, равный 1/10 от времени существования Земли;

Только при таких условиях они могут еще сохраниться до сего времени. Из возможных четырех радиоактивных семейств в природе в естественных условиях существуют только три.. Семейству типа 4n (n=52—58) соответствует ряд тория ²³²Th₉₀, кончающийся стабильным изотопом свинца ²⁰⁸Рb₈₂ (рис. 1). Для цепочки 4п +2 ( п = 51—59) имеется ряд урана ²³⁸U, конечным продуктом распада в котором является другой стабильный изотоп-свинца ²⁰⁶Рb₈₂ (рис. 2). Третий естественный ряд 4n+3 (n=51—58) начинается с более легкого изотопа урана ²³⁵U₉₂ и по одному из членов ряда называется рядом актиния (раньше этот ряд назывался рядом актиноурана).

Заканчивается он тоже на стабильном изотопе свинца ²⁰⁷Рb₈₂ (рис. 3). Любой из рассмотренных рядов завершается свинцом. Последовательность превращений в них показана на рисунках 1—3, где в скобках приведены старые названия изотопов. По характеру цепей распада и по положению промежуточных членов в периодической системе все три ряда похожи друг на друга. Ученых давно интересовали вопросы: почему из четырех возможных радиоактивных семейств в природе существуют только три? Почему нет в природе элементов тяжелее урана? Теперь ответ ясен — члены четвертого радиоактивного семейства А = 4n + 1 давно распались, так как период полураспада его членов оказался много меньше возраста Земли. В последнее время, когда стало возможно проводить синтез элементов, давно не существующих в природе, удалось «реставрировать» четвертый ряд. Заканчивается он не свинцом, а стабильным изотопом висмута ²⁰⁹Bi₈₃. По имени наиболее долгоживущего члена ряда его назвали рядом нептуния ²³⁷

Np₉₃. Цепочка распада членов этого ряда приведена на рис 4

 

 

Рис. 1, Естественное семейство тория — 4 n- элементы.

 

Для радиоактивных рядов характерны некоторые общие закономерности:

 

· родоначальниками каждого ряда являются альфа-активные радионуклиды, периоды полураспада которых лежат в пределах 10⁸– 10¹⁰ лет;

· каждый ряд имеет в середине цепочки превращений изотоп инертного радиоактивного газа, который в зависимости от того, к какому семейству он относится, называют радоном Rn ²²²₈₆  Rn , тороном Rn ²²⁰₈₆ Tn  или актиноном Rn ²¹⁹₈₆ An _;

· за радиоактивным газом в каждом ряду следует относительно короткоживущий элемент.

 

 

· короткоживущие радионуклиды семейств испытывают конкурирующие альфа- и бета-распады, в результате екоторых ряды разветвляются;

 

· каждый ряд заканчивается стабильным изотопом свинца.

 

Рис.2 Естественное радиоактивное семейство урана (4n+2) -элементы.

 

На основе представлений о радиоактивных семействах стало возможно установить происхождение тех или иных элементов, наличие или возможное их присутствие в тех или иных рудах. Атомы более тяжелого изотопа урана-238 являются родителями радия, полония и других/

 

 

 

Рис, 3.Естественное радиоактивное семейство актиния (4n+З) -элементы,

 

 

 

Рис. 4. Воссозданное искусственно семейство нептуния— (4n+1) - элементы.