Мария Кюри. Радиоактивность и элементы

Существует три естественных радиоактивных ряда, исходные изотопы которых — уран-238, уран-235 и торий-232. Мария работала в основном с первым, а Резерфорд — с третьим. Во всех трех случаях конечный стабильный элемент — это изотоп свинца. Периоды полураспада первых элементов рядов и их соответствующая распространенность следующие:

U-238 (99,27%) = 4,47 х 10⁹ лет;

U-235 (0,72%) = 7,1 х 10⁸ лет;

Th-232 (100%) = 232 х 10⁸ лет.

Радий-226 — один из членов первого ряда, а полоний-210 — предпоследний член этого ряда, который распадается, порождая свинец-206. Пропорции различных элементов ряда остаются с течением времени приблизительно постоянными. Отношение между концентрациями родительского элемента и дочерних элементов обратно пропорционально периодам полураспада. Эти пропорции можно использовать как часы для различных временных шкал, например они пригодились для определения возраста Земли. На прилагающемся графике в качестве примера показан радиоактивный ряд урана-238, конечный элемент которого — стабильный изотоп свинца-206. На горизонтальной оси показан атомный номер, Z (число протонов ядра), на вертикальной — массовое число, А (число протонов плюс нейтронов ядра), a-излучения показаны белыми стрелками, р — черными. Рядом с каждой белой стрелкой указано время полураспада в годах, днях, минутах или секундах. Наименьший период у полония-214, равный 200 микросекундам (200 х 10^–6 секунд). Наибольший — у урана-238, 4500 миллионов лет. На вертикальных линиях фигурирует один и тот же элемент (с одним и тем же атомным номером), в то время как на горизонтальных линиях появляются изотопы различных элементов с одним и тем же массовым числом.

* * * 

Позже было доказано, что уран, торий и радий принадлежат к одной и той же семье, так что все они присутствовали в настуране.

В нижней части таблицы Резерфорда и Содди есть указание на другое большое открытие, которое исследователи опубликовали в том же году, — закон радиоактивного распада. Оба ученых установили, что число радиоактивных атомов, которые распадаются за единицу времени, пропорционально общему числу атомов элемента, поэтому убывание следует экспоненциальному закону. В химии это называется кинетикой первого порядка, при которой скорость реакции пропорциональна концентрации реактивов в степени 1, что означает соответствие одномолекулярным процессам. В них концентрация реактивов подвержена экспоненциальному убыванию:

N(t) = N₀e^—γt

где N₀ — число атомов (точнее, их ядер, называемых радиоядрами) в начальный момент, t = 0; N(t) — число атомов в момент t; и γ — постоянная радиоактивного распада, то есть вероятность распада радиоактивного элемента на единицу времени. Эта постоянная характерна для каждого радиоактивного элемента и говорит о его стабильности. На ее основе был определен период полураспада, £_1/2, то есть время, необходимое для распада половины атомов образца данного элемента. Если

N = N₀/2 → t = t_1/2,

то t_1/2 = ln 2/γ.