17

Учреждение образования

«Международный государственный экологический университет

имени А.Д.Сахарова»

Кафедра ядерной и радиационной безопасности

«Измерение характеристик ионизирующего излучения»

Лабораторный практикум

Определение возраста радиоактивного источника

Лабораторная работа № 8

Минск – 2010

Цель работы: изучение распада на примере радиоактивного ряда урана-радия; изучение радиоактивного равновесия; определение возраста источника, содержащего несколько членов одного радиоактивного ряда.

Основные положения

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 атомы претерпевают последовательные радио­активные распады, испуская на каждой ступени либо -, либо -частицы (с сопровождающим -излучением или без него) и превра­щаясь в атомы других химических элементов. Испускание -частицы, представляющей собой ядро гелия (тесный 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 -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 вещества, 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 -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).