Радиоактивные изотопы и их применение

Соотношение количества изотопов в природном уране, а следовательно, и в урановой руде соответствует 99,28% урана 238, 0,714% урана 235 и 0,006% урана 234. Но это соотношение миллиард лет назад было иным, так как скорости распада урана 235 и урана 238 различны. Образование свинца из урана происходит чрезвычайно медленно, так как периоды полураспада урана 238 и урана 235 очень велики. За 900 миллионов лет количество атомов урана 235 уменьшилось в два раза, а от имевшегося количества урана 238 осталось 86%. За 2 миллиарда лет количество урана 235 уменьшилось в 4,65 раза, а количество урана 238 — в 1,36 раза. Следовательно, природная смесь урана, находящаяся в настоящее время в земной коре, получилась из урана 238 и урана 235.

Накопление свинца в урановой руде подчиняется закону радиоактивного распада. Расчет показывает, что за один миллион лет из 1 грамма природной смеси изотопов урана образуется 0,000137 грамма свинца, а за 10 миллионов лет — 0,00136 грамма свинца. Если учесть изменение соотношения изотопов в смеси с течением времени, то можно рассчитать количество свинца, которое могло образоваться из урана и за более продолжительное время. Можно решить и обратную задачу: определить количество урана и свинца в урановой руде и по соотношению этих количеств рассчитать время, прошедшее с момента образования руды. В этих рассуждениях предполагается, что весь свинец, который находится в урановой руде, образовался из урана.

Эта интересная задача решается следующим образом.

Кусочек урановой руды растворяется в смеси кислот. Из полученного раствора свинец осаждается химическим путем. Но весь свинец выделить очень трудно. Как же узнать, какое количество свинца было в руде? Для этого приходится использовать меченые атомы. Перед осаждением свинца к раствору урановой руды добавляется ничтожное по весу количество радиоактивного изотопа свинца — радия D. Радий D — продукт распада радия. Он имеет период полураспада, равный 22 годам. Химические свойства радия D и свинца одинаковы. И если из раствора выделяется, допустим, одна двадцатая часть всего прибавленного радия D, то и свинца выделяется такая же часть. Определить относительное количество радия D в растворе и в осадке легко по радиоактивности. Зная соотношение между растворенным и выделенным радием D и определив количество выделенного свинца, рассчитывают его общее количество, а затем вычисляют время образования уранового минерала. Если этот минерал образовался вместе со всей массой земной коры, то тем самым определяется возраст земной коры. По таким подсчетам возраст земной коры равен приблизительно 4 миллиардам лет.

Определение геологического возраста можно производить не только по свинцу. При переходе урана в свинец в цепи превращений выделяется 8 альфа-частиц (8 атомов гелия). За один год из одного грамма урана образуется 1,1∙10^-7 кубических сантиметров гелия. Гелий скапливается в урановой руде и может быть из нее извлечен. Определив количество гелия в руде, можно рассчитать время, прошедшее с момента образования урановой руды. Однако такой расчет менее точен, чем по свинцу, так как газообразный гелий частично теряется минералами.

Поиски полезных ископаемых. Как определить наличие того или иного вещества в земной коре? Для этого необходимо исследовать пробы, взятые с различных глубин земли, например из буровой скважины. Но анализ проб — сложная и трудоемкая работа. На помощь геологам могут прийти радиоактивные атомы.

Если в буровую скважину опустить ионизационную камеру, соединенную с прибором, записывающим активность, то можно обнаружить залегание минералов, содержащих радиоактивные элементы уран, торий, калий и др. (рис. 20).

Рис. 20. Схема прибора для поисков радиоактивных минералов:

а — разрез скважины; 1 — счетчик; 2 — регистрирующий прибор; б — график изменения активности по мере спускания счетчика в скважину

Исследования показали, что глины, сланцы и фосфорные известняки обладают высокой радиоактивностью, а каменный уголь, песчаные образования и известняки, в которых может быть нефть, и газы — низкой. Таким образом, с помощью ионизационной камеры можно обнаружить залегание нефти.