Периоды полураспада некоторых радиоактивных изотопов

Подчеркнем, что вследствие очень высоких энергий процессов, отсутствуют способы влияния на протекание и скорость радиоактивного распада. Так, в случае химических загрязнений существует (по крайней мере, потенциально, теоретически) возможность нейтрализации загрязняющего вещества путем каких-либо его химических превращений. Радиоактивный изотоп независимо от того, в каком химическом соединении он находится – в виде индивидуального соединения, раствора или в любой смеси, при какой температуре, влажности и т. п., характеризуется одним и тем же периодом полураспада t_0,5. Если для ²³⁵U t_0,5 = 7·10⁸ лет, то независимо от того, металлический это уран или его диоксид, находится он в составе природного минерала, в отвалах руд или в боеголовке, через 7·10⁸ лет останется 50 % его исходного количества и столько же распадется (причем с образованием более короткоживущих осколков!). Выводы о возможности создания безопасных технологий работы с радиоактивными материалами можете сделать сами.

Процессы радиоактивного распада сыграли большую роль в формировании химического состава земной коры и распространенности элементов в ней. Всего природных изотопов насчитывается около 300 (искусственно полученных более 2000, и это число постоянно растет). Установлено, что все земные тяжелые природные изотопы с Z > 83 (после Bi) образовались в результате последовательности радиоактивных a- и b^--распадов, причем таких цепочек распада насчитывается всего четыре. Эти цепочки называют радиоактивными семействами или рядами. Их родоначальники – ²³⁸₉₂U, ²³²₉₀Th, ²³⁵₉₂U и ²³⁷₉₃Np. Последний имеет относительно малый период полураспада ~2·10⁶ лет и в природе уже не встречается. Массовые числа изотопов, относящихся к тому или иному ряду, подчиняются соотношениям A = 4n + 2; A = 4n; A = 4n + 3; A = 4n + 1 в порядке их перечисления выше; здесь n – целое положительное число.

Строгое постоянство периода полураспада для данного изотопа позволяет использовать явление радиоактивного распада для определения возраста геологических материалов (геохронология). Например, ⁴⁰K претерпевает электронный захват, превращаясь в ⁴⁰Ar. Если определить в материале относительные количества исходного⁴⁰K и образовавшегося аргона, можно вычислить время, за которое произошло это превращение, т. е. определить возраст материала (аргоновый метод). Для этой цели используют также анализ соотношения He/U – гелиевый метод, т. е. определение количества выделившихся a-частиц, а также ²³⁵U/²⁰⁷Pb, ⁸⁷Rb/⁸⁷Sr и др.

Особенно интересно определение возраста углеродсодержащих материалов радиоуглеродным методом. Все живые организмы обмениваются углеродом (в виде углекислого газа) с атмосферой. Под действием космических лучей в атмосфере образуется и постоянно поддерживается определенное количество радиоактивного ¹⁴С: ¹⁴N + n ® ¹⁴C + p. Соотношение ¹⁴C/¹²C, равное в атмосфере 10^–12, остается таким же и во время жизни организма, но после его гибели уменьшается со временем вследствие прекращения углеродного обмена с атмосферой и b-распада ¹⁴С, содержащегося в организме. Таким образом, определив количество ¹⁴С относительно ¹²С в материале и зная период его полураспада 5760 лет, можно определить время, прошедшее от момента гибели организма (с точностью ±200 лет).

Кроме процессов радиоактивного распада, известны превращения атомных ядер при их взаимодействии с другими частицами (a‑, b‑, g‑, p, n и др.) или друг с другом – ядерные реакции (это могут быть реакции как деления, так и слияния ядер – синтеза).

Основа ядерных бомб и ядерной энергетики – вызываемые нейтронным облучением цепные реакции деления ²³⁵U или ²³⁹Pu , например ²³⁵U + n ®⁹²Kr + ¹⁴¹Ba + 3n + 200 МэВ.

Ядерные силы – короткодействующие (~10^-15 м), поэтому для осуществления ядерных реакций синтеза требуется сближение ядер до таких малых расстояний, т. е. очень высокие энергии. Реально такие условия реализуются либо в ускорителях, где элементарные частицы или легкие ядра разгоняют до очень больших скоростей и бомбардируют ими ядра-мишени, либо при очень высоких температурах, более 10¹⁰ К.

Именно при помощи ядерных реакций в ускорителях получены все химические элементы с Z > 92 (трансурановые), не встречающиеся в природе, и многие изотопы природных элементов, например: ¹⁴N + a ® ¹⁷O + p; ²⁴²Pu + ²²Ne ® ²⁶⁰₁₀₄Db + a[†].

Ядерные реакции синтеза при сверхвысоких температурах, при плазменном состоянии вещества, называют термоядерными. Они реализуются в природе в звездах и при термоядерных взрывах. При этом из легких элементов образуются более тяжелые («средние» ядра наиболее прочные, как уже говорилось) и выделяется энергия, например при «сгорании» водорода в гелий: 4p ® ⁴He²⁺ + 2e⁺ +2n, и далее 2 ⁴He ® ⁸₄Be; ⁴He + ⁸₄Be ® ¹²₆С; ¹²₆С + p ® ¹³₇N; ¹³₇N ® ¹³₆С + e⁺ и т. д. Это пример нуклеосинтеза в природе (nucleus – ядро). Действие термоядерной («водородной») бомбы может быть основано на реакции ⁶₃Li + ²₁D ® 2a + 22,4 МэВ и подобных ей.

Вопросы для самопроверки

1. Во сколько раз снизится количество испускаемых в единицу времени b-частиц для образца ¹⁴С за 57600 лет?

2. За какое время радиоактивное излучение ²²⁶Ra снизится в 8 раз?

3. Все ли искусственные изотопы радиоактивны? Все ли радиоактивные изотопы искусственные?

4. Может ли изотоп с А ³ 200 быть стабильным?

5. Запишите несколько возможных реакций последовательного радиоактивного распада ²³⁷₉₃Np. Какой стабильный изотоп происходит от его распада?

6. От какого радиоактивного ряда произошел изотоп ²⁰⁸Pb?