Фундаментальная радиохимия

вполне допустимо рассматривать эволюцию Th-228, учитывая только Ra-228, так сказать "через голову" Ac-228. Присвоив индексы Ra-228–1; Ac-228–2; Th-228–3, получим:

Очевидно, что при любом числе промежуточных членов подсемейства "p^…q", константы которых удовлетворяют неравенству T_x<q или _x>> _q , вывод будет тем же.

2) Если ряд (семейство, подсемейство) радиоактивных превращений возглавляется долгоживущим радионуклидом, таким, что A₁Hinv(t) в технологическом масштабе времени и ₁ << _k , где k– порядковый номер любого члена этого ряда, то в таком ряду может наступить вековое равновесие материнского радионуклида с любым членом ряда: A₁ = A₂ =… = A_k =…

3) Если установилось вековое радиоактивное равновесие между головным радионуклидом (родоначальником семейства) и другим членом ряда (№ z), период полураспада которого (T_z) уступает только родоначальнику семейства (T_z < T₁), но больше периода полураспада любого другого члена семейства (T_z > T_k), то можно сказать, что всё семейство и подавно находится в состоянии векового равновесия.

1.3.9. Природные радиоактивные семейства

Вскоре после открытий А. Беккереля, супругов Кюри, исследований Э. Резерфорда и других их современников и последователей выяснилось, что некоторые индивидуальные природные радиоактивные вещества находятся в «родственных» отношениях. Так, например, было установлено, что радон образуется при распаде радия, но и сам распад радона приводит к образованию некоторых не газообразных радиоактивных осадков. Дальнейшие подробные исследования минерального сырья, содержащего уран и торий, и соединений этих элементов позволили обобщить, казалось бы, разрозненные сведения о природной радиоактивности и сформулировать представление о трех природных радиоактивных семействах (рядах). Родоначальники этих семейств соответственно следующие радиоактивные изотопы: ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th.

В результате последовательных – и -распадов эти радионуклиды в конце концов порождают стабильные изотопы свинца с массовыми числами 206, 207 и 208 (Интересно отметить, что природный свинец состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 204 (1,48%), 206 (23,6%), 207 (22,6%) и 208 (52,3%). При этом вероятно, что Pb-204 является -излучателем с исключительно большим периодом полураспада (порядка 10¹⁷ лет). Таким образом, практически весь (98,5%) природный свинец имеет радиогенное происхождение, тем более, что кроме этих стабильных нуклидов известны еще четыре радиоактивных, входящих в природные семейства, с массовыми числами 210, 211, 212 и 214)..

Таким образом, члены каждого ряда генетически связаны друг с другом, а их массовые числа отвечают следующим формулам: 4n для ряда тория, 4n +2 для ряда урана-238 и 4n+3 для ряда урана-235 вследствие того, что при -превращении ядро с массовым числом (м.ч.) A образует новое ядро с м.ч. = А – 4, а при -распаде возникает изобар, т.е. м.ч. не изменяется. На этом основании можно быстро отнести любой радионуклид из этих семейств к своему ряду, проделав простейшее вычисление. Например, можно поинтересоваться, в какие семейства входят следующие изотопы радия: ²²⁶Ra, ²²³Ra, ²²⁴Ra и ²²⁸Ra? Очевидно, что 226 = 4 • 56 + 2; 223 = 4 • 55 + 3; 224 = 4 • 56 и 228 = 4 • 57.

То есть, первый радионуклид входит в семейство урана-238 (его часто и называют семейством урана–радия, т.к. именно радий-226 и был открыт супругами Кюри в урановой руде), второй принадлежит ряду урана-235, а два последних изотопа являются членами семейства тория (см. рис. 1.3. – 1.5.).

Семейства 4n+1 как природного ряда не существует, хотя искусственными методами в разное время были получены радионуклиды, взаимные превращения которых (При этом не следует забывать, что все самопроизвольные процессы радиоактивных превращений (распада) являются необратимыми.) логически укладываются в схему ряда 4n+1. Из всех известных на сегодняшний день наиболее долгоживущих искусственных радионуклидов этой формуле массового числа соответствует ²³⁷Np, который и «назначен» родоначальником этого семейства (впервые это было сделано Г. Сиборгом в 1948 году). Этот ряд в известной степени виртуален, т.к. на Земле скорей всего нет такого места, где члены данного семейства присутствовали бы практически полностью, хотя бы и в состоянии нарушенного равновесия, как, например, члены первых трех рядов в урановых и ториевых минералах «солидного» возраста. Даже если проанализировать какой-нибудь самый старый образец, содержащий ²³⁷Np (а он был получен не раньше 1940 года, когда были синтезированы ядерно-физическими методами первые радионуклиды нептуния Макмилланом и Эйблсоном), то в нем ни при каких обстоятельствах вековое равновесие не могло состояться, т.к. второй по значимости периода полураспада искусственный изотоп урана, входящий в это семейство, ²³³U, имеет T_1/2 = 1,59 • 10⁵ года.

Рис. 1.3. Радиоактивное семейство урана (U-238).

Рис. 1.4. Радиоактивное семейство урана (U-235).