Ряды радиоактивных семейств урана и тория. Другие естественные радиоактивные элементы.

На рисунке приведена схема радиоактивных превращений се­мейства урана.

На рисунке приведена схема радиоактивных превращений се­мейства тория.

(На этих рисунках стрелками указана последовательность распада. Над стре­л­ками приведены типы излучений, сопровождающие распад, под стрел­ками – периоды полураспада в следующих единицах: л – годы (лет), д -дни, ч – часы, м – минуты, с – секунды.)

В настоящее время известно более 50 естествен­ных радиоак­тивных элементов. К ним относятся тяжелые элементы, входя­щие в состав радиоактивных семейств, и более легкие радиоактивные эле­мен­ты, распад которых ограничивается одним звеном превра­щений.

В число радиоактивных семейств входят элементы семейств урана U²³⁸, ак-тиноурана U²³⁶ и тория Th²³². Представи­тели ряда актиноурана U²³⁶ в при­роде встречаются в малых количествах.

Распад этих семейств имеет много общего.

Родоначальники семейств характеризуются самыми большими массо­выми числами и относятся к наиболее долгоживущим. Во всех случаях в результате распада образуются все более легкие элементы. В первой полови­не цепи превращений каждого семей­ства распад сопровождается преимуще­ст­венно испусканием α -ча­стиц, во второй половине преобладает β -распад. В середине цепи превращений каждого семейства имеются радиоактивные газы — эманации (в ряду урана это радон Rn²²⁰, в ряду тория – торон Tn²²⁰), отно­ся­щиеся к группе инертных. За эманациями следуют группы короткоживу­щих элементов, часть атомов которых распадается с испусканием α -частиц, а другая часть - β -частиц. Эти элементы образуют разветвления рядов - «вил­ки». Необходимо отметить, что α - и β -распады сопровождаются испусканием γ -квантов различных энергий. Конеч­ным продуктом распада этих двух семейств являются стабильные изотопы свинца РЬ²⁰⁶ и РЬ²⁰⁸.

По суммарной α -активности семейства урана и тория примерно оди­на­ковы, энергетические спектры α -частиц, испускаемых каждым семей­ством в целом, друг от друга существенно не отличаются, энергия α -частиц находит­ся в интервале 2 ÷ 8 Мэв. По суммарной интенсивности β -излучения семей­ства урана и тория существенно не различаются.

Основными γ -излучателями в семействе урана являются про­дукты рас­пада радия (Ra²²⁶) и радона (Rn²²²). Важ­ной особенностью этого семейства является то, что на долю про­дуктов распада урана, расположенных в цепи превращения до радия, приходится всего лишь около 2% от общего γ -излу­чения ряда. Вследствие этого при нарушении в горных по­родах радиоакти­в­ного равновесия между ураном и радием, при­водящего к недостатку радия, γ -активность горных пород резко снижается, и, наоборот, породы, обогащен­ные солями радия или радоном, даже при отсутствии в них урана являются γ -активными. В семействе тория основные γ -излучатели распределены относи­тельно равномерно. Ниже, в таблице, приведены сведения об основных γ -излучателях в рядах урана и тория.

Строка «% выхода» в таблице показывает процент γ -квантов данной энергии от суммарного количества γ -квантов, испускаемых всеми изотопами данного ряда в единицу времени. Необходимо отметить, что в обоих рядах излучается примерно по 50 γ -квантов различных энергий, значительная часть которых обла­дает энергией меньшей 250 Кэв. Максимальной энергией γ -квантов в ряде урана обладает Bi²¹⁴ (2.204 Мэв), в ряде тория - Tl²⁰⁸ (2.615).

К числу радиоактивных элементов, не входящих в состав рас­смотрен­ных семейств, относятся изотопы калия (К⁴⁰), рубидия (Rb⁸⁷), индия (In ^ll5), самария (Sm ^l47), лютеция (Lu ^l76), рения (Re ^l87) и др. Основные характеристи­ки некоторых из этих изото­пов приведены в таблице.

Все одиночные радиоактивные изотопы характеризуются весьма боль­ши­ми периодами полураспада (Т > 10⁹ лет). За исключе­нием самария и вольф­ра­ма они распадаются путем К-захвата и β -распада, превращаясь в устойчивый изотоп нового элемента. Содержание в природе большинства из перечисленных радио­активных изотопов, как правило, очень мало. В ядерной геологии и геофизике наибольший интерес представляют радиоактивные изо­то­пы калия (К⁴⁰) и рубидия (Rb⁸⁷), распад которых исполь­зуется для опреде­ле­ния возраста пород.

Наибольший интерес представляет изотоп K⁴⁰, т.к. распространенность элемента Ca⁴⁰ в природе огромно – этот элемент входит в состав породообра­зую­щих минералов (например кальцит, известняк, доломит и др.). Другие радиоактивные элементы, не входящие в ряды, за исключением вольфрама, относятся к группе редкоземельных, и их вклад в естественную радиоактив­ность пород ничтожен. В ядерной геофизике эти элементы используются при определении абсолютного возраста пород.