Радиоактивные семейства
В природе постоянно происходят распады радиоизотопов. При этом образуются как стабильные, так и нестабильные ядра новых элементов. Нестабильные изотопы при этом вновь вступают в ядерные распады.
Этот процесс может представлять собой очень длительное явление и проходить через ряд промежуточных элементов. Такая цепочка элементов, связанных между собой, называется радиоактивным семейством (рядом). Каждое из них носит название своего родоначальника.
В качестве примера возьмем хотя бы атом урана-238, в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов (α-частица). Уран-238 превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержатся 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение происходит, однако, не так, как в предыдущем случае, а с выделением из ядра электрона, и торий-234 превращается в протактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Далее следуют превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка, в конце концов, оканчивается стабильным нуклидом свинца, что видно из ниже приводимых данных (см. табл. 8).
Разумеется, существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) радионуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям.
Если изотоп принадлежит к естественному радиоактивному семейству, то он обязательно присутствует в природе, даже если скорость распада его ядер очень велика. Связано это с тем, что в радиоактивных семействах с течением времени устанавливается так называемое вековое равновесие.
Время достижения такого равновесия во всем ряду приблизительно равно 10 периодам полураспада самого долгоживущего промежуточного члена ряда. При вековом равновесии скорости образования изотопа и его распада равны. Поэтому содержание такого изотопа остаётся практически неизменным в течение столетий. Оно с неизмеримо малой скоростью уменьшается лишь по мере распада родоначальника ряда. Установлением векового равновесия в естественных семействах объясняется присутствие в природе таких относительно малоустойчивых радиоактивных химических элементов, как протактиний, актиний, радий, франций, радон, астат и полоний.
Содержание каждого из них в природе тем ниже, чем меньше T1/2(период полураспада) соответствующих изотопов - членов радиоактивного ряда. Так, на 1 турана в природе приходится всего около 0,34 г изотопа Ra226, имеющего T1/2=1600 лет.
Некоторые изотопы радиоактивных семейств - распадаются не по одному, а по двум типам (a- и b-распады).
Всего существует три естественных и одно искусственное радиоактивные семейства:
1). семейство урана-238 (92U238). Иногда это семейство обозначается также как семейство урана - радия, т.к. наиболее важным его представителем является изотоп 88Ra226 (табл. 8).
Таблица 8. Радиоактивное семейство урана-238
| Химический элемент | Атомная масса | Тип распада | Период полураспада |
| Уран | a | 4,5×109 лет | |
| Торий | b- | 24,1 сут | |
| Протактиний Протактиний | 234 234 | b + (99,88%) b- (0,12%) | 1,17 мин 6,69 час |
| Уран | a | 2,5×105 лет | |
| Торий | a | 8×104 лет | |
| Радий | a | 1600 лет |
Продолжение таблицы 8
| Радон | a | 3,8 сут | |
| Полоний | a | 3,1 мин | |
| Свинец | β- | 26,8 мин | |
| Висмут Висмут | 214 214 | b+ (99,96%) a (0,04%) | 19,7 мин 19,7 мин |
| Полоний | a | 1,6×10–4 сек | |
| Таллий | β- | 1,3 мин | |
| Свинец | β- | 22,3 года | |
| Висмут | β- | 5,01 сут | |
| Полоний Таллий | a β- | 138,4 сут 4,2 мин | |
| Свинец | Стабилен | - |
Уран был открыт в 1789 году немецким химиком Мартином Клапротом и назван им в честь одноимен-
ной планеты.
Кстати, это имя в древнегреческой мифологии носил бог неба, супруг Геи (Земли), отец титанов, циклопов и сторуких исполинов, который был свергнут собственным сыном Кроносом.
Более пятидесяти лет «уран Клапрота» считался
М. Клапрот (1743-1817) металлом. И только в 1841 г. французский ученый
Эжен Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, «уран Клапрота» не чистый элемент, а его окисел - UO2. В металлическом состоянии уран был получен Пелиго при восстановлении хлорида урана (UCl4) металлическим калием.
2). семейство урана-235 (92U235) приведено в таблице 9. Иногда используется еще одно название - семейство актиноурана (89Ac227).
Таблица 9. Радиоактивное семейство урана-235
| Химический элемент | Атомная масса | Тип распада | Период полураспада |
| Уран | α | 7,04 млн. лет | |
| Торий | β- | 25,5 часа | |
| Протактиний | α | 3,28 .104лет | |
| Актиний | α | 21,7 года | |
| Торий Франций | α α | 18,2 сут 22 мин | |
| Радий Астат | α β- | 11,4 сут 0,9 мин | |
| Полоний | α | 1,8 .10-3сек | |
| Астат Свинец | α α | 10-4 сек 36,1 мин | |
| Висмут | α | 2,16 мин | |
| Таллий Полоний | α α | 4,77 мин 0,52 сек | |
| Свинец | Стабилен | - |
Следующий важный шаг в изучении урана был сделан в 1874 году выдающимся русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Опираясь на разработан-
ную им периодическую систему, он разместил уран в самой дальней клетке своей таблицы. Прежде атомный вес урана считали равным 120. Великий химик удвоил это значение. И, как оказалось,он был совершенно
Д.И. Менделеев прав.
(1834-1907)
Через 12 лет гениальное предвидение Менделеева было подтверждено опытами немецкого химика Иоганна Циммермана.
«Для меня лично, – писал позже Дмитрий Иванович, – уран весьма знаменателен уже потому, что играл выдающуюся роль в утверждении периодического закона, так как перемена его атомного веса вызвана была признанием закона и оправдана действительностью, а для меня (вместе с атомными весами Ce и Be) служила пробным камнем общностипериодического закона».
Длительное время уран представлял интерес только для узкого круга химиков и находил ограниченное применение для производствакрасоки стекла.Но с момента открытия в 1896 г. А. Беккерелем радиоактивности урана началась промышленная переработка урановых руд с целью его извлечения и использования в научных исследованиях и медицине. С 1942 года, после открытия явления деления ядер (1939 г.), его изотопы стали применяться в качестве основного ядерного топлива.
В природе уран – характерный элемент гранитного слоя и осадочной оболочки земной коры. Его среднее содержание в земной коре составляет по массе 2,5·10-4 %. В кислых изверженных породах его удельный вес не превышает 3,5·10-4 %, в глинах и сланцах - 3,2·10-4 %, а в основных породах - 5·10-5 %.
Уран достаточно энергично мигрирует в холодных и горячих, нейтральных и щелочных водах в форме простых и комплексных ионов, особенно в форме карбонатных комплексов. При этом важную роль в геохимии урана играют окислительно-восстановительные реакции, поскольку его соединения, как правило, хорошо растворимы в водах с кислой средой и плохо растворимы в водах со щелочной средой (например, сероводородных).
Всего известно около 100 урановых минералов, из которых только 12 представляют практический интерес. Наибольшее промышленное значение имеют окислы урана – уранинит и его разновидности (настуран и урановая чернь), а также силикаты – коффинит, титанаты – давидит и браннерит; водные фосфаты и арсенаты уранила – урановые слюдки.
На сегодняшний день основным топливом для атомных станций является уран, а точнее - его 235-й изотоп. По распространенности в земной коре уран можно сравнить с цинком. Его концентрация в среднем составляет 0,00014%.
Но в урановой руде, используемой для промышленного производства урана, его концентрация может достигать 2%. Наибольшими мировыми запасами обладает Австралия (табл. 10).
Таблица 10. Распределение природных запасов урана в мире, тыс. т*
| Страны | U3O8 | В % к мировым запасам |
| Австралия | ||
| Казахстан | ||
| Канада | ||
| Южная Африка | ||
| Намибия | ||
| Бразилия | ||
| Россия | ||
| США | ||
| Узбекистан | ||
| Всего в мире | - |
* - по данным Uranium Information Center
Доля Австралии в мировой добыче урана возросла с 1% (365 т) в 1977 г. до 22% (7579 т) в 2000 г., так что теперь эта страна занимает второе место после Канады. Сама Австралия уран не потребляет; а весь добываемый металл экспортируется в страны Северной Америки, Ближнего Востока и Европы, где он используется в качестве топлива на атомных электростанциях. В последнее время появились сообщения о том, что к 2028 г. Казахстан намерен довести производство урана с 2,5 до 15 тыс. т в год, что сделает его крупнейшим производителем урана в мире. С 2001 г. начата разработка трех месторождений урана, расположенных в Южно-Казахстанской и Кзыл-Ордынской областях, общие запасы которых составляют примерно 53 тыс. т урана.
В ходе геологической истории содержание урана в земной коре уменьшилось за счёт радиоактивного распада; с этим процессом связано накопление в земной коре атомов свинца. Радиоактивный распад изотопов урана играет важную роль в энергетике земной коры, являясь существенным источником глубинного тепла.
3). семейство тория-232 (90Th232).Торий был открыт в 1828 г. шведским химиком Йенсом Берцелиусом в одном из редких минералов горных пород Норвегии. Свое название он получил в честь Тора - всемогущего древнескандинавского бога войны.
Кстати, именно Й. Берцелиус в 1813 г. предложил обозначать химические элементы начальной или на-
чальной и одной из последующих букв их латинского названия. Чистый препарат тория был получен лишь
в 1882 г. другим известным шведским химиком Лар-
Й.Берцелиус (1779-1848) сом Нильсоном, ставшим первооткрывателем скандия.
Следующее важное событие в истории элемента № 90 произошло в 1898 году, когда независимо друг от друга и практически одновременно Мария Склодовская-Кюри и немецкий ученый Герберт Шмидт обнаружили, что торий радиоактивен. Склодовская-Кюри отметила тогда же, что активность чистого тория даже выше активности урана.
Торий приблизительно в три раза более распространен в земной коре, чем уран и представляет собой характерный элемент верхней части земной коры (гранитного слоя и осадочной оболочки), где его удельное содержание в среднем составляет соответственно 1,8·10-3 и 1,3·10-3 %. В таблице 11 приведен радиоактивный ряд изотопов семейства тория-232.
Таблица 11. Радиоактивное семейство тория-232
| Химический элемент | Атомная масса | Тип распада | Период полураспада |
| Торий | α | 13,9 млрд. лет | |
| Радий | β- | 6,7 года | |
| Актиний | β- | 6,13 часа | |
| Торий | α | 1,9 года | |
| Радий | β- | 3,64 сут | |
| Радон | α | 51,5 сек | |
| Полоний | α | 0,145 сек | |
| Свинец Астат | β- α | 10,6 часа 3.10-4 сек | |
| Висмут | α | 60,5 мин | |
| Полоний Таллий | α β- | 3.10-7 сек 3,1 мин | |
| Свинец | Стабилен | - |
Торий представляет собой серебристо-белый металл с удельной плотностью 11,7 г/см3. Его температуры плавления и кипения соответственно равны
1750 и 3500-4200°С.
В природных водах тория содержится особенно мало: в пресной воде –
2.10-9 %, а в морской - только 1.10-9 %. Он очень слабо мигрирует в биосфере и гидротермальных растворах. В основном он участвует в магматических процессах, накапливаясь в гранитах, щелочных породах и пегматитах. Способность к концентрации слабая.
Основной промышленный источник тория — морские и континентальные монацитовые россыпи. Известно 12 собственных ториевых минералов. В частности он содержится в монаците, уранините, цирконе, апатите, ортите и других.
Характерным свойством естественных радиоактивных семейств является образование одного из очень токсичных газообразных изотопов. Это: радон (86Rn222) - в семействе урана-238, торон (86Rn220) - в семействе тория-232 и актинон (86Rn219) - в семействе урана-235.
В книге Парацельса «Uber die Bergsuсht und andere Bergkrankeiten», изданной еще
в 1567 г., было описано загадочное заболевание горняков, позже получившее название «шнеебергская легочная болезнь». В середине XIX века его идентифицировали как рак легких. Лишь в наше время удалось выяснить, почему у шахтеров он возникал в десятки раз чаще, чем у остального населения. Заболевание оказалось связанным с радиоактивным газом радоном и короткоживущими продуктами его распада, накапливающихся в воздухе плохо вентилируемых шахт.
Концентрация этих инертных радиоактивных газов в приземном воздухе зависит от состава подстилающих пород Земли, погодных и других факторов и в большинстве случаев колеблется в пределах от 5•10-12 до 5•10-13 Ки/л для радона и от 1•10-13 до 3•10-14 Ки/л - для торона.
Конечным продуктом распада во всех трех семействах является один из стабильных изотопов свинца: Pb206 - в семействе U238, Pb207 - в семействе U235 и Pb208 - в семействе Th232.
С момента получения искусственных радиоизотопов было выделено еще одно семейство. Его родоначальником является изотоп 93Np237. Радиоактивный ряд нептуния-237 представлен в таблице 12.
Таблица 12. Радиоактивное семейство нептуния-237
| Химический элемент | Атомная масса | Тип распада | Период полураспада |
| Нептуний | α | 2,14 млн. лет | |
| Протактиний | β- | 27 сут | |
| Уран | α | 1,6 .105 лет | |
| Торий | α | 7340 лет | |
| Радий | β- | 14,9 сут | |
| Актиний | α | 10 сут | |
| Франций | α | 4,8 мин | |
| Астат | α | 32 мсек | |
| Висмут Висмут | α β- | 46 мин | |
| Полоний Таллий | α β- | 4 мксек 2,2 мин | |
| Свинец | β- | 3,25 час | |
| Висмут | Стабилен | - |
Нептунийбылпервым из открытых трансурановых элементов и назван в честь планеты Нептун. В виде изотопа Np239 он впервые был получен Эдвином Макмилланом и Филиппом Эйблсоном (Абельсоном) в 1940 г. в Калифорний-
ском университете (г. Беркли) при бом-
Э. Макмиллан (1907-1991) бардировке ядер урана нейтронами.
Нептуний-237 получают как побочный продукт при производстве плутония в ядерных реакторах. Следовые количества нептуния обнаружены в при-
роде как результат реакций трансмутации в урановых рудах, вызываемых нейтронами, которые образуются в результате природного процесса деления урана. Конечным продуктом его распада является висмут-209 (83Bi209).
Элементарный нептуний - это ковкий, сравнительно мягкий металл с серебристым блеском плотностью около 20,5 г/см3и температурами плавления 640°С и кипения 3902°С. По химическим свойствам он во многом сходен с ураном и плутонием. Весомые количества изотопа Np237 образуются в качестве побочного продукта при производстве плутония в атомных реакторах за счёт ядерных реакций урана с нейтронами. Нептуний используется в основном для научно-исследовательских целей.