Накопление радона из чистого радия и распад

Естественные радиоактивные ряды

В природе существуют три ряда (семейства) радиоактивных веществ: ряд урана-238, ряд тория-232 и ряд урана-235. В каждом ряду с течением времени ядра атомов претерпевают последовательные радиоактивные распады, испуская на каждой ступени либо a-, либо b-частицы (с сопровождающим g-излучением или без него) и превращаясь в атомы других химических элементов. Испускание a-частицы, представляющей собой ядро гелия (комплекс из двух протонов и двух нейтронов), уменьшает число частиц в ядре (массовое число А) на четыре и число положительно заряженных частиц в ядре (атомный номер Z)на две. Испускание b-частицы оставляет общее число частиц в ядре неизменным, но атомный номер возрастает на единицу, так как этот процесс представляет собой, в сущности, превращение нейтрона в протон и электрон, причем последний вылетает из ядра. Поскольку химическая природа атома определяется атомным номером, то при испускании частицы он превращается в атом соседнего элемента.

Существование в природе этих трех рядов определяется наличием в каждом случае родоначального элемента, период полураспада которого сравним с возрастом Земли (~4´10⁹ лет). В ряду урана-238 родоначальником является изотоп урана с массовым числом 238 (²³⁸U) и периодом полураспада 4,51´10⁹ лет; уран ²³⁵U, имеющий период полураспада 7,13´10⁸ лет, служит родоначальником своего ряда, торий (²³²Th) с периодом полураспада 1,39´10¹⁰ лет является исходным элементом в ториевом ряду. Стабильными конечными продуктами в каждом ряду превращений являются изотопы свинца, соответственно ²⁰⁶РЬ, ²⁰⁷РЬ и ²⁰⁸РЬ.

В каждом из трех рядов встречаются изотопы элемента с Z=86 (благородного газа радона). Эти изотопы распадаются в так называемые “радиоактивные осадки” соответственно тория, радия и актиния, которые состоят из последовательных короткоживущих дочерних продуктов. Здесь не учитываются продукты, получающиеся в результате распада по слабой ветви. В частности, атомы ближайшего дочернего продукта распада радона (²¹⁶Po, ²¹⁸Po и ²¹⁹Po) оказываются ионизированными, несут положительный заряд и поэтому могут быть собраны на отрицательно заряженный проводник (коллектор), введенный в газ вблизи радиоактивного источника. Это позволяет по распаду этого изотопа построить полную последовательность распада радиоактивного осадка; но, конечно, при указанном способе собирания ионов на коллектор попадет также некоторая часть дальнейших продуктов распада.

В каждом радиоактивном семействе имеется долгоживущий член, который можно посредством соответствующей химической обработки перевести в форму, удобную для получения радиоактивных осадков. Обычно для этой цели используются Тh²²⁸, Rа²²⁶ и Ас²²⁷. Они обычно находятся в закрытых металлических сосудах, в которые могут быть введены металлические проволочки, пластинки или диски, находящиеся под отрицательным потенциалом, для отбора активного осадка. Для получения значительных активностей коллектор должен выдерживаться в сосуде в течение времени, большого по сравнению с периодом полураспада наиболее долгоживущего компонента осадка.

Отметим (см. табл. 1 и 3), что периоды полураспада ²¹⁵Po и ²¹⁶Po столь малы, что за время, затрачиваемое на удаление коллектора из сосуда, эти продукты почти полностью распадаются; в результате активный осадок, по существу, содержит лишь смесь продуктов их дальнейшего распада в переходном равновесии (см. далее). В случае радия (см. табл. 2) уже через полчаса количество ²¹⁸Po становится пренебрежимо малым. Затем этот активный осадок, в отличие от двух других, распадается последовательно на три долгоживущих вещества ²¹⁰Pb, ²¹⁰Bi и ²¹⁰Po, активность которых составляет лишь ~ 3´10^-6 от активности первоначального осадка. В конце концов все эти вещества ряда исчезают с периодом ²¹⁰Pb, а именно около 20 лет.

Из сказанного выше и из приводимых далее схем распада (рис. 2 - 3) можно видеть, что массовые числа членов любого семейства изменяются только при испускании a-частицы. Они могут быть представлены выражением (4n + 2) для ряда ²³⁸U, (4n+3) – для ряда ²³⁵U и (4n) – для ряда тория, где n – целое число. Ряд (4 n + 1) в естественных условиях не встречается. Он был получен искусственно и назван рядом нептуния по имени наиболее долгоживущего его члена – Nр²³⁷, который, между прочим, не является родоначальником этого ряда. Период, полураспада нептуния 2,2´10⁶ лет, что значительно меньше, чем у родоначальников других рядов; по-видимому, этот ряд когда-то существовал на Земле, но в настоящее время практически полностью распался. Эта точка зрения подтверждается обнаружением одного из более ранних членов ряда (4n + 1) в уранините в концентрации 10^-12. Стабильным конечным продуктом в этом семействе является не свинец, а изотоп висмута (Bi²⁰⁹).

Радиоактивное равновесие

Когда короткоживущий дочерний продукт образуется из долгоживущего материнского вещества, возникает радиоактивное равновесие. Если материнское вещество живет очень долго по сравнению с дочерним, равновесие достигается, когда число атомов дочернего вещества, распадающихся в секунду, равно числу атомов того же вещества, образующихся в секунду из его материнского вещества.

Для упрощения рассуждений рассмотрим превращение радия в радон. Их постоянные распада соответственно равны l₁= 1,357´10^-11 с^-1и l₂=2,097´10^-6 с^-¹. Пусть N₀– начальное число атомов радия в образце, причем в этот момент радон совершенно отсутствует. Пусть в последующий момент времени t имеется N₁ атомов радия. Тогда

(1)

Число атомов радона, образующихся каждую секунду, равно числу распадающихся атомов радия минус число распадающихся за то же время атомов радона, т. е.

(2)

где N₂ – число атомов радона, присутствующих в момент t, или

(3)

Решая это уравнение, находим:

. (4)

Поскольку l₁ – весьма малая величина, так что даже спустя 10⁷секунд (приблизительно 4 месяца) l₁t будет порядка 10^-4, то мало отличается от единицы, т.е. количество радия остается по существу постоянным, как это следует из большого периода его полураспада (~1600 лет). В таком случае (4) имеет вид:

, (5)

где . Оно описывает рост числа атомов радона со временем; соответственно активность радона выражается как

l₂N₂, или l₂С(1 – ). (6)

Можно видеть, что по истечении приблизительно двух месяцев становится очень малой величиной, так что N₂приближается к постоянной С. Таким образом, активность радона становится почти постоянной, равной l₂С, и он распадается с периодом своего долгоживущего материнского вещества. Говорят, что радон в этом случае находится в вековом равновесии с радием.

На рис. 1 показано возрастание количества радона в соответствии с уравнением (6) за время, равное шести периодам полураспада т. е. в течение 22,95 дня.

Накопление радона из чистого радия и распад

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 101; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!