Радиоактивный распад в природе

В отличие от Рентгена Беккерель открыл, а не изобрел радиоактивность. Радионуклиды достаточно широко распространены в природе и могут быть разделены на три большие группы:

а) индивидуальные первичные радионуклиды, образовавшиеся вместе с Землей и имеющие период полураспада порядка 10⁹ лет и больше;

б) радионуклиды, входящие в радиоактивные семейства ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th;

в) космогенные радионуклиды ³H, ¹⁴C, ⁷Be, ²²Na и некоторые другие, которые непрерывно образуются при попадании космического излучения в атмосферу Земли.

Из первой группы радионуклидов наиболее важным является ⁴⁰К, содержание которого в естественной смеси изотопов составляет 0, 0118 масс. % и которого период полураспада которого равен 1, 28·10⁹ лет. Активность природного калия составляет примерно 30 Бк/г, а так как калий является жизненно важным элементом, то не будет преувеличением сказать, что все живые организмы в той или иной степени радиоактивны. В значительной степени фоновое излучение почв также определяется содержанием в них ⁴⁰К. Другим важным радионуклидом является аналог калия ⁸⁷Rb с периодом полураспада 4, 8·10¹⁰ лет. Кроме того, слабая радиоактивность обнаружена у ¹³⁸La, ¹¹³Cd («исключения» из правила Маттауха), ¹⁸⁶Os, ¹⁹⁰Pt и некоторых других ядер.

Кроме индивидуальных радионуклидов, в природе существуют три радиоактивных семейства с родоначальниками ²³⁸U (T _1/2 = = 4, 468·10⁹ лет), ²³⁵U (T _1/2 = 7, 038·10⁸ лет) и ²³²Th (T _1/2 = 1, 405·10¹⁰ лет). Внутри семейства продукты распада, кроме последнего, радиоактивны, и испускание a-частиц чередуется с испусканием b-частиц. Содди и Фаянс сформулировали правила сдвига (или смещения):

1) при испускании a-частицы заряд ядра уменьшается на две единицы, а массовое число на 4;

2) при испускании b-частицы заряд ядра увеличивается на одну единицу, а массовое число остается неизменным.

Легко видеть, что правила сдвига являются следствием выполнения законов сохранения при радиоактивном распаде:

Э → Не + Э при a-распаде,

Э → e^- + Э при β ^–-распаде.

В соответствии с правилами сдвига массовые числа радионуклидов, входящих в какое-либо семейство, могут различаться на число, кратное 4. Тогда могут существовать лишь четыре радиоактивных семейства:

1) 4 n – семейство ²³²Th, конечный нуклид Pb;

2) 4 n +1 – семейство ²³⁷Np, конечный нуклид Bi;

3) 4 n +2 – семейство ²³⁸U, конечный нуклид Pb;

4) 4 n +3 – семейство ²³⁵U, конечный нуклид Pb.

Второе семейство в природе не существует из-за слишком малого периода полураспада ²³⁷Np (2, 144·10⁶ лет) по сравнению с возрастом Земли: за время существования Земли (порядка 4·10⁹ лет) он полностью распался. Однако ²³⁷Np образуется в больших количествах в ядерных реакторах, работающих на уране. Он пока не находит применения и является балластным радионуклидом.

Для того чтобы определить количество a-распадов при превращении начального нуклида Э_н в конечный нуклид Э_к, используют простое равенство:

, (2.22)

где подстрочечные индексы «н» и «к» относятся к начальному и конечному нуклидам.

Для определения количества β ^ˉ -распадов используют формулу

. (2.23)

С помощью уравнений (2.22) и (2.23) можно рассчитать число a- и β ^–-распадов в соответствующих рядах (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Количество a- и b-распадов, приходящихся на один распад

материнского ядра

Семейство	Материнский нуклид	Последний член	N α	N β
4 n
4 n + 1
4 n + 2
4 n + 3

С открытием искусственной радиоактивности было получено и изучено большое количество трансактиниевых нуклидов. В результате этого не только было обнаружено существование нового радиоактивного семейства нептуния, но и показано, что известные семейства естественных радионуклидов являются в действительности более многочисленными и имеют многих родоначальников и несколько побочных ветвей. Схемы радиоактивных семейств приведены в Приложении.