Радиоактивные изотопы в природе

Больше половины элементов таблицы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы. Если все радиоактивные ядра сами собой распадаются, то возникают вопросы: почему же на Земле, возраст которой не менее 4-5 млрд. лет, до сих пор встречаются радиоактивные изотопы? Почему радиоактивные ядра давно не распались?

Среди всех радиоактивных элементов заслуживают особого внимания уран и торий. Содержание их в земной коре составляет соответственно около 2,6^.10^-4 % и 1,2^.10^-3 %. Знакомство с характеристиками радиоактивных изотопов этих элементов очень просто объясняет загадку их существования: Период полураспада радиоактивного изотопа урана равен 4,5 млрд. лет, а изотопа тория – 14 млрд. лет. Неудивительно, что за время существования Земли эти изотопы распались лишь частично.

Но в природе встречаются радиоактивные изотопы со значительно более короткими периодами полураспада. Так, период полураспада радия около 1600 лет, радона – 3,82 дня, а полония всего лишь 3 мин. Почему количество этих изотопов практически не меняется? Для ответа на эту загадку придётся подробнее познакомиться с тем, что происходит при радиоактивных распадах ядер урана и тория.

Продукты распада урана и тория не являются стабильными изотопами. Они, в свою очередь, испытывают радиоактивный распад, распадаются продукты их распада и т. д. Цепь радиоактивных превращений включает до 14 – 15 звеньев. Конечными продуктами радиоактивных превращений урана и тория являются стабильные изотопы свинца. Вся совокупность радиоактивных изотопов, возникающих в результате радиоактивных превращений урана, называется радиоактивным семейством урана. Торий и продукты его радиоактивных превращений образуют радиоактивное семейство тория. Убыль ядер изотопов радиоактивных семейств в результате радиоактивного распада постоянно пополняется за счет распадов новых ядер урана и тория.

Уран, торий и члены их радиоактивных семейств, а также радиоактивный изотоп калия играют серьёзную роль в геологических процессах. Как известно, внутренние области земного шара довольно сильно разогреты. По мере углубления от поверхности Земли к её центру температура в земной коре повышается в среднем на 30на каждый километр. На глубине 1000 км температура поднимается примерно до 3000 К. Общий тепловой поток, излучаемый Землёй в мировое пространство, составляет 1,2^.10Дж в год.

Источник внутренней энергии Земли долгое время был неизвестен. Лишь после открытия радиоактивности и определения содержания веществ в земной коре стало ясно, что одним из основных источников внутренней энергии Земли является энергия радиоактивного распада урана и тория и членов их радиоактивных семейств. Процессы горообразования и движения материков, извержения вулканов и землетрясения связаны с наличием разогретых внутренних слоёв Земли. Следовательно, эти великие и грозные явления природы обусловлены, в конечном счёте, естественной радиоактивностью земных пород.

Естественные радиоактивные изотопы встречаются всюду – в воде, в воздухе, в почве, в тканях растений и животных, в продуктах питания и в составе человеческого организма. В тканях растений, животных и человека в наибольшем количестве содержатся изотопы калия и углерода. Радиоактивность калия обусловлена наличием в нём бетарадиоактивного изотопа . В природном калии на долю этого изотопа приходится 0,012%, период полураспада его около 1,24 млрд. лет. В 1 г калия происходит примерно 1900 бета-распадов в минуту. В 1 кг пшеничного хлеба, содержащем 1 – 1,5 г калия, за минуту происходит 2000 – 3000 распадов ядер естественного радиоактивного изотопа калия.

Радиоактивность углерода в биологических тканях обусловлена присутствием радиоактивного изотопа . Этот изотоп с периодом полураспада 5570 лет образуется в верхних слоях земной атмосферы под действием потока быстрых заряженных частиц из космоса. Возникающий в атмосфере радиоактивный изотоп углерода усваивается из воздуха растениями с углекислым газом. С пищей он попадает в состав тканей животных и человека. В 1 г углерода биологического происхождения в среднем происходит 15,3 распада в 1 мин на 1 г. Зная средний химический состав человеческого организма, легко определить естественную радиоактивность тела человека, обусловленную наличием в нём этих элементов.

В клетчатке только что спиленного дерева каждый грамм вещества излучает в среднем 17,5 бета-частиц в течение 1 мин. Так как это дерево уже не поглощает углерод из атмосферы, то активность древесины будет непрерывно уменьшаться. Зная период полураспада (5570 лет), можно по остаточной активности деревянного изделия определить, когда дерево было спилено. Этот метод используется в археологии для определения даты того или иного события, например, когда была построена лодка египетского фараона или когда был зажжён костёр первобытным человеком.

Основным источником естественной радиоактивности атмосферы является радиоактивный инертный газ радон, возникающий в результате альфа-распада радия. Так как радий содержится в небольших количествах практически во всех почвах, повсюду из почвы в атмосферу выделяется радон. Наряду с радоном в атмосфере содержится радиоактивный газ торон (продукт альфа-распада тория), а также продукты их распада.

Естественные радиоактивные изотопы имеются в заметных количествах в почве и стенах зданий, в воздухе и воде, в пище и в тканях человеческого организма, однако содержание их в природе во много раз меньше тех количеств, которые могут представлять опасность для здоровья человека.

Человек с помощью своих органов чувств не способен обнаружить не только слабые, и потому безвредные, ионизирующие излучения, но даже те, которые представляют для него смертельную опасность. Поэтому важной для практики является задача изучения свойств ядерных излучений, особенностей их взаимодействия с веществом, выяснения влияния ионизирующих излучений на человеческий организм и разработка приборов, способных регистрировать такого рода излучения, измерять поток ионизирующих излучений и сообщать человеку о грозящей опасности.

§ 43. Деление ядер, цепная ядерная реакция

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О.Ганном и Ф.Штрассманом. Они установили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы – лантан и барий. Этот результат объясняется тем, что тяжелое ядро под действием нейтронов делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, массы которых отличаются примерно в 1,5 раза.

Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z»1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N/Z»1,6) то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. После цепочки b^--превращений соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу. Например, при делении ядра урана

(20.6)

осколок деления в результате трех актов b^--распада превращается в стабильный изотоп лантана :

(20.7)

Расчеты показывают, что деление ядер должно сопровождаться также выделением большого количества энергии. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ (см.рис.17.1). Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон и общая энергия Q = 200Мэв.

Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления действительно выделя­ется огромная энергия в виде кинетической энергии ядер-осколков (основная доля) и нейтронов деления.

Цепная реакция деления. Испускаемые при делении ядра вторичные нейтроны могут вызвать деление соседних ядер, что делает возможным осуществление цепной реакции деления. Вторичные нейтроны, которые возникают при делении ядер первой очереди (нейтроны и ядра первого поколения) вызывают деление ядер и образование вторичных нейтронов второй очереди (нейтроны и ядра второго поколения).

Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k ней­тронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деле­ния является требование k³1. Уже при k = 1,01 цепная реакция носит взрывообразный характер и сопровождается выделением огромной энергии. При делении всех ядер, имеющихся в m = 1 г урана, выделяется энергия:

,

где N – число ядер; Q – энергетический выход ядерной реакции; М – молярная масса урана; N_А – число Авогадро. Такая же примерно энергия получается при сгорании 3 тонн угля.

Коэффициент размножения k нейтронов определяется следующими факторами.

1. Из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покидает активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром.

2. Часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в ак­тивной зоне(продукты деления, ядра замедлителя, ядра конструктивных элементом установки).

3. Часть вторичных нейтронов захватывается ядрами урана без последующего деления (радиационный захват).

Природный уран состоит в основном из двух изотопов: - 0,7% и -99,7%. Ядра делятся как быстрыми так и медленными нейтронами, но особенно хорошо эти ядра делятся медленными, так называемыми тепловыми нейтронами. Ядра хорошо поглощают быстрые нейтроны, но редко при этом делятся. Гораздо чаще происходит радиационный захват нейтронов, с последующим радиационным b- превращением в ядро плутония

. (20,8)

Трансурановый элемент плутоний имеет достаточно большой период полураспада - порядка 24000 лет, поэтому при протекании реакции (20,8) в активной зоне этот элемент может накапливаться. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что ядра этого элемента делятся медленными нейтронами, так же как и изотоп . Поэтому с помощью плутония также может быть осуществлена цепная реакция, которая сопровождается выделением громадной энергии. Реакции (20,8), таким образом, открывают реальную возможность воспроиз­водства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.