§ 215. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения

Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении частиц, так как в электронной оболочке их просто нет. Ядерное происхождение частиц доказывается химическими опытами. Если частицы испускаются ядрами, то радиоактивность должна приводить к изменению химической природы атома. В самом деле, электрон уносит из ядра единицу отрицательного заряда, т. е. увеличивает положительный заряд ядра на единицу. Ядро будет удерживать вокруг себя уже не , а  электронов; радиоактивный атом превратится в атом следующего по порядку элемента периодической системы. И действительно, химические исследования обнаружили, что в веществах, испускающих излучение, накапливаются атомы элемента с порядковым номером, на одну единицу превышающим порядковый номер излучателя.

Испускание частиц также изменяет заряд ядра и потому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание полностью подтверждается опытами.

Итак, испуская излучение, атомы радиоактивного элемента изменяются, превращаясь в атомы нового элемента.

В этом смысле испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом. Различают распад — испускание частиц, и распад — испускание частиц.

Так как частица уносит положительный заряд в две единицы и массу в четыре единицы, то в результате распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше. Масса частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей массы; поэтому испускание частицы не изменяет массового числа ядра. Следовательно, в результате распада радиоактивный элемент превращается в элемент с порядковым номером, на единицу большим и с тем же массовым числом.

Эти правила, указывающие смещение элемента в периодической системе, вызванное распадом, называются правилами смещения.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента. В случае урана, тория и радия скорость распада настолько мала, что уменьшение числа атомов этих элементов неощутимо даже за промежуток времени в несколько лет. Существует, однако, большое число быстрораспадающихся радиоактивных элементов. Рассмотрим, например, радиоактивный изотоп висмута с массовым числом 210, так называемые (радий ).  выделяется из радия, в котором присутствует в крайне малых количествах. Ничтожные по массе количества  легко обнаруживаются по интенсивному излучению. Измеряя периодически с помощью газоразрядного счетчика число частиц, испускаемых препаратом  в единицу времени, мы обнаружим, что это число постепенно уменьшается. График спадания активности со временем приведен на рис. 388.

Рис. 388. График спадания активности  радиоактивного вещества  со временем

Как видно из графика, по истечении 5 суток активность  равна  начальной, через 10 суток —  начальной, через 15 суток —  начальной и т. д. За каждые 5 суток активность уменьшается вдвое. Но для того, чтобы уменьшить активность вдвое, достаточно разделить препарат пополам. Следовательно, число атомов  уменьшается вдвое за каждые 5 суток.

Интервал времени, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного вещества, носит название периода полураспада. Таким образом, вещество, распад которого изображен на рис. 388, имеет период полураспада 5 суток. Пусть в начальный момент  число атомов радиоактивного вещества равно . Период полураспада этого вещества обозначим . По истечении  периодов полураспада, т. е. в момент , число нераспавшихся атомов равно, очевидно,

.

Подставляя , получим

.                                               (215.1)

Наш вывод соотношения (215.1) проведен для промежутков времени , кратных периоду полураспада (т. е. для целых ); можно доказать, однако, что оно справедливо и для любых . Соотношение (215.1), дающее зависимость числа нераспавшихся радиоактивных атомов от времени, называется законом радиоактивного распада.

Период полураспада является одной из основных характеристик радиоактивного вещества. Многочисленные опыты показали, что период полураспада радиоактивного вещества есть строго постоянная величина, которая не может быть изменена такими воздействиями (в доступных нам пределах), как охлаждение, нагрев, давление, магнитное поле, силы химического средства и др. Независимость периода полураспада от внешних условий не должна быть для нас удивительной. Радиоактивный распад есть свойство атомных ядер, а для изменения атомного ядра энергия обычных земных воздействий недостаточна (§208).

Измерение периода полураспада короткоживущих ядер сводится к определению промежутка времени, в течение которого интенсивность излучения спадает вдвое. Период полураспада долгоживущих ядер можно вычислить, измерив число атомов, распадающихся в единицу времени (равное числу испускаемых за это время частиц), и зная полное число атомов в образце. Действительно, доля числа атомов, распадающаяся за некоторое время, зависит от периода полураспада. Чем меньше период полураспада, тем быстрее распад и тем большая доля атомов распадается за то же время.

Измерения такого рода дают для периода полураспада радия величину 1600 лет. Естественно, что за промежутки времени порядка года убыль радия настолько мала, что изменение его активности практически незаметно.

Из геологии известно, что возраст минералов измеряется миллионами лет. За промежутки времени геологического масштаба распад радия должен был бы привести к его полному исчезновению. Очевидно, в природе наряду с распадом происходит образование новых атомов радия. Тот факт, что радий всегда содержится в урановых и только в урановых рудах, наводит на мысль, что источником новых атомов радия служит радиоактивный распад урана.

Уран является радиоактивным веществом, т. е. испускает частицы. Период полураспада урана (точнее, основного изотопа урана с атомной массой 238), измеренный по активности, составляет 4,5 миллиарда  лет. Даже по геологической шкале времени распад урана происходит весьма медленно.

распад ядра  приводит, согласно правилам смещения, к образованию ядра с зарядом  и массовым числом , т. е, изотопа тория . Этот изотоп тория, называемый иначе , (уран-икс-один), также оказывается радиоактивным веществом, испускающим частицы. Продуктом распада  оказывается  — изотоп элемента протактиния с атомной массой 234, называемый иначе . Этот изотоп опять-таки радиоактивен и т.д. Цепочка последовательных продуктов распада урана, так называемое радиоактивное семейство урана, изображена на рис. 389. Только после 14 следующих друг за другом распадов атом урана превращается в нерадиоактивный или, как говорят, стабильный изотоп свинца .

Распад урана приводит в конечном счете к накоплению свинца. И действительно, урановые руды всегда содержат свинец. В урановых рудах накапливаются, конечно, и все промежуточные продукты цепи распада урана. Радий является пятым продуктом в этой цепи. , о котором шла речь выше, — седьмой продукт в цепи распада радия. Первым потомком радия является  — радиоактивный инертный газ радон (называемый иногда эманацией радия).

Накопление радиоактивных продуктов превращения ограничивается их распадом. Чем меньше период полураспада вещества, тем быстрее оно распадается и тем меньше его содержание в материнском веществе (уране или радии).

Всякое радиоактивное превращение связано, как мы знаем, с испусканием либо , либо частицы. Некоторые превращения сопровождаются еще и излучением. Сюда относится, например, превращение  в  (рис. 389).

Рис. 389. Радиоактивное семейство урана:  — массовое число ядра,  — порядковый номер,  — радиоактивные изотопы,  устойчивый изотоп, наклонные стрелки — распад, вертикальные стрелки — распад

Помимо семейства урана, в природе существуют еще два радиоактивных семейства. Родоначальником одного из них является торий, родоначальником другого — редкий изотоп урана .