3 Химические последствия радиоактивного распада

     Химические последствия радиоактивного распада представляют собой изменения, происходящие под влиянием самопроизвольных процессов, протекающих в ядре одного из атомов, входящих в состав молекулы. Наиболее интересными из таких процессов являются изомерный переход и -распад.

Глава 13

ХИМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИ ИЗОМЕРНЫХ ПЕРЕХОДАХ

     Ядерная изомерия — явление существования изотопа в двух различных энергетических состояниях (мета стабильном и основном). Эти состояния, как правило, связаны друг с другом генетически, т. е. одно из них возникает в результате распада другого. В общем виде этот распад можно представить следующим образом:

^Am_ZX ^A_ZX где ^Am_ZХ — ядро атома, находящегося в метастабильном состоянии; ^A_ZХ—ядро атома, находящегося в основном состоянии; ИП — изомерный переход.

     Химические последствия при изомерных переходах обусловлены «взрывообразными» разрушительными процессами исходных молекул, связанными с накоплением высокого положительного заряда на атомах, образующихся в результате этих превращении.

     С явлением ядерной изомерии, изомерными состояниями и процессами, происходящими при изомерных переходах, приходится сталкиваться в различных областях радиохимии. Наличие ядерных изомеров у исследуемого радиоактивного элемента может привести к появлению «лишних» периодов полураспада и излучений, изменению химического состояния исследуемых форм радиоактивных элементов и т. д. Все это необходимо учитывать при проведении радиохимических исследований.

     С процессами образования изомерных ядер связано получение сверхтонких разновидностей атомов, лишенных каких-либо изотопных эффектов и поэтому являющихся идеальными радиоактивными индикаторами. Большой интерес представляют и химические последствия изомерных переходов, не имеющие какой-либо аналогии с процессами классической химии.

§ 1. История открытия ядерной изомерии

Рассматривая вопрос о сложности химических элементов и развивая идеи изотонии, Ф. Содди высказал предположение о возможности существования тонких разновидностей атомов-изотопов высшего порядка. Эти разновидности, по идее Содди, должны иметь не только одинаковые заряды ядра, но и одинаковые массовые числа. Зарегистрировать существование таких разновидностей с помощью масс-спектрометра не представлялось возможным. Нельзя было и отделить их друг от друга с помощью химических и физических методов, используемых для разделения изотопов.

     Хотя атомы изотопов высшего порядка обладают тождественными физико-химическими свойствами, они, по идее Содди, должны отличаться друг от друга ядерно-физическими характеристиками (постоянная распада, характер и энергия излучения).

     Первым подтверждением идеи Ф. Содди явились результаты исследований О. Гана, выполненных в 1921 г. В результате тщательного изучения свойств и химической природы ближайших продуктов распада естественных изотопов урана был установлен факт существования двух радиоактивных изотопов протактиния UX₂ и UZ, атомы которых характеризуются одинаковым зарядом ядер, одинаковыми массовыми числами и принадлежат одному и тому же элементу.

     К моменту начала этих исследований были известны следующие факты:    1) существование двух долгоживущих изотопов урана (^{238, 235}U), являющихся родоначальниками радиоактивных семейств;    2) образование в результате -распада указанных изотопов урана ^--paдиоактивных изотопов тория: ²³⁴Th и ²³¹Th;    3) образование ²³⁴Ра в результате ^--распада ²³⁴Th.

     Опыты О. Гана, приведшие к открытию ядерной изомерии, состояли в следующем. Из эфирных растворов уранилнитрата путем экстракции азотной кислотой выделялись ²³⁴Th и ²³¹Th и производилось накопление продуктов их распада. Для выделения продуктов распада этих изотопов торкя к раствор в качестве удерживающего носителя добавлялись небольшие количества нитрата тория, а также танталат натрия. Раствор подкисляли и отделяли осадок Та₂О₅ с соосадившимися с ним изотопами протактиния. Исследование кривых распада радиоактивных веществ, выделенных с Ta₂O₅, показало наличие двух периодов: 1,2 мин ²³⁴Pa(UX₂) и 6,7 ч (UZ). То, что UX₂ и UZ являлись изотопами протактиния, однозначно вытекало из характера распада их предшественников ^-, а также количественного соосаждения с гидратированньш пентоксидом тантала. Поскольку было известно, что UX₂ является продуктом распада ²³⁴Th, то логично было предположить, что UZ возникает в результате ^--распада ²³¹Th. Тем не менее О.Ган и Л.Мейтнер решили подтвердить это экспериментально, основываясь на различии периодов полураспада ²³⁴Th (T = 24,5 сут) и ²³¹Th (Т = 25,6 ч). Если UZ является дочерним продуктом относительно короткоживущего ²³¹Тh, то он не должен обнаруживаться в препаратах ²³⁴Th + ²³¹Th по истечении времени, большего 10 периодов полураспада ²³¹Th (ввиду практически полного распада его материнского вещества). Если же (как бы это ни казалось удивительным) UZ, как и UX₂, является продуктом распада ²³⁴Th, то по истечении указанного времени количество UZ уменьшится всего лишь на ~1/4 часть его первоначального количества. Опыт показал, что именно так и обстояло дело в реальной действительности, т. е. UZ, как и UX₂, является дочерним веществом ²³⁴Тh. Таким образом, в результате одного и того же вида распада одного и того же изотопа тория образуются две разновидности атомов. В соответствии с законами сдвига эти разновидности должны иметь один и тот же заряд ядра и одинаковое массовое число и, таким образом, являться одновременно и изотопами, и изобарами протактиния. Придерживаясь терминологии Ф.Содди, можно сказать, что UX₂ и UZ являются изотопами высшего порядка или, как их теперь называют, ядерными изомерами.

     Идеи Ф.Содди нашли дальнейшее развитие лишь полтора десятилетия спустя при исследовании радиоактивных изотопов брома, образующихся при облучении естественного брома нейтронами (работы И. В. Курчатова и Б. В. Курчатова, а также Л. И. Русинова и Л. В. Мысовского). Было установлено, что при облучении естественной смеси изотопов брома возникает несколько радиоактивных веществ. Анализ кривых распада показал, что они соответствуют распаду смеси трех радиоактивных нуклидов с периодами полураспада 36 ч, 4,4 ч и 18 мин. Методом изотопных носителей было установлено, что все три периода принадлежат радиоактивным изотопам брома, возникающим по реакциям ^79,80Вr (n,) ^80,80m,82Br. Естественно, возникал вопрос, каким образом по реакции (n, ) из двух стабильных изотопов брома возникают три периода полураспада? Не является ли появление третьего периода результатом неточного знания изотопного состава естественного брома? Тщательная проверка этого предположения дала отрицательные результаты. Бром действительно состоит лишь из двух стабильных изотопов. Поскольку, далее, в результате захвата нейтрона ядрами этих двух изотопов могут возникнуть лишь два радиоактивных изотопа этого элемента, то следовательно, одному из них. принадлежит не один, а два периода. Это означает, что один из указанных радиоактивных изотопов брома существует в виде двух изомерных состояний.