Радиоактивные изотопы и их применение

Альфа- и бета-распад сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.

При гамма-излучении энергия ядра атома уменьшается, но состав ядра остается неизменным.

Правило сдвига дало возможность найти место в периодической системе элементов Менделеева для всех вновь открытых изотопов.

3. Семейства радиоактивных изотопов

Правило сдвига позволило ученым установить связь между целыми группами радиоактивных изотопов. Так, оказалось, что торий с массовым числом 232, выбрасывая альфа-частицу, превращается в изотоп радия — мезоторий 1 с массовым числом 228 и порядковым номером 88. Мезоторий 1 в свою очередь выбрасывает электрон и превращается в мезоторий 2 — изотоп актиния. Мезоторий 2 испускает бета-лучи и превращается в радиоторий.

Цепь превращений идет от одного радиоактивного изотопа к другому, пока в результате радиоактивного распада не образуется устойчивый изотоп.

Так получается ряд радиоактивных изотопов, или радиоактивное семейство.

Исследуя процессы радиоактивного распада, ученые установили три ряда радиоактивных элементов, которые находятся в природе: ряд урана, ряд тория и ряд актиноурана.

Уран 238, торий и актиноуран (уран 235) являются родоначальниками этих рядов, и каждый ряд заканчивается нерадиоактивным изотопом свинца.

Одним из важных членов семейства урана является изотоп радия с массовым числом 226; он широко применяется в медицине, технике и в научных изысканиях.

Позднее искусственным путем было получено новое семейство радиоактивных изотопов — семейство нептуния; оно заканчивается устойчивым изотопом висмута.

На рис. 5 и 6 приведены радиоактивные семейства. В кружках указаны названия элементов, масса атома и заряд ядра. Стрелки показывают, в каком направлении идет превращение, значки α и β около стрелок — род излучения, а цифры — периоды полураспада.

Рис. 5. Семейства урана (а) и тория (б)

Рис. 6. Семейства актиноурана (а) и нептуния (б)

4. Радиоактивное равновесие

В каждом радиоактивном семействе есть изотопы с самыми различными периодами полураспада. Уран 238 имеет период полураспада, равный 4,5 миллиарда лет; количество атомов урана изменяется настолько медленно, что даже в течение многих веков убыль их практически нельзя заметить. Период полураспада радия — 1590 лет, а радия А — всего 3 минуты.

С течением времени в смеси изотопов радиоактивного ряда наступает так называемое радиоактивное равновесие. Это значит, что количество атомов того или иного радиоактивного элемента в смеси остается практически неизменным; сколько атомов получается, столько же распадается. Если из смеси удалить один из изотопов, то равновесие нарушается, но через определенное время оно наступает вновь.

Чтобы понять это, сравним радиоактивное семейство с системой бассейнов с водой, которые расположены друг под другом и связаны между собой трубами различного сечения. Представим, что количество воды в них соответствует количеству радиоактивных изотопов, а сечения соединяющих труб — постоянным их распада. Учтем, что скорость вытекания зависит от напора воды: чем выше уровень воды в бассейне и чем шире труба, тем быстрее течет из него вода. Допустим, что в первом бассейне находится такое большое количество воды, что убыль ее практически не влияет на уровень воды. Из первого бассейна вода протекает во второй по трубе сечением, равным 2 кв. сантиметрам. Из второго бассейна вода течет в третий по трубе сечением, равным 1 кв. сантиметру. Труба, соединяющая третий бассейн с четвертым, имеет сечение 4 кв. сантиметра.

Вначале вода во втором бассейне будет прибывать, но одновременно она будет вытекать в третий бассейн. Когда высота уровня во втором бассейне станет вчетверо больше, чем в первом, скорость протока воды во второй бассейн будет равна скорости вытекания из него в третий. В первом бассейне уровень в 4 раза ниже, чем во втором, но зато сечение трубы в 2 раза больше. Поэтому вода во втором бассейне будет сохранять один и тот же уровень.

То же можно сказать про третий бассейн. Вода в нем будет прибывать до тех пор, пока уровень ее не достигнет высоты, в 4 раза меньшей, чем в первом бассейне.

Когда уровни будут находиться в соотношении 4:16:1, скорости притока и вытекания воды для каждого бассейна станут равны. Наступит равновесие.

Если теперь из второго бассейна часть воды вычерпать, то равновесие будет нарушено: скорость поступления воды во второй бассейн будет прежней, но скорость вытекания уменьшится и в третьем бассейне вода начнет убывать. Однако через некоторое время уровень во втором бассейне повысится, и равновесие наступит вновь.

Подобное этому равновесие имеет место и при радиоактивном распаде. Чем больше период полураспада элемента, тем больше его находится в смеси. В семействе тория, например, из тория образуется в единицу времени столько атомов мезотория 1, сколько их распадается с образованием мезотория 2.