2. Радиоактивные семейства

Все встречающиеся в природе радиоактивные элементы являются звеном длинной цепочки взаимных превращений. Такие цепочки превращений называются радиоактивными рядами или радиоактивными семействами элементов. Переход одних элементов в другие осуществляется путем альфа- и бета-распадов. Массовые числа при альфа-распаде меняются сразу на четыре, заряд ядра меняется на две единицы и новый элемент отстоит в этом случае на дне клеточки влево по периодической системе (например, ²²⁶Ra₈₈ → ²²²Rn₈₆). При бета-распаде массовые числа не меняются вовсе, так как излучается электрон (т_{е =} т_р/1840 ). Заряд же ядра увеличивается на единицу, и новый элемент сдвигается вправо на одну клеточку в периодической таблице Д. И. Менделеева. По признаку делимости массовых чисел на 1 и на 4 (соответственно бета-- и альфа-распаду) должны существовать четыре радиоактивных семейства:

1) А=4п, 2) А=4п + 1, 3) А=4п+2, 4) А=4п + 3

Начинаться радиоактивные семейства должны с самого долгоживущего изотопа (с наибольшим периодом полураспада). Причем, изотопы должны иметь период полураспада, равный 1/10 от времени существования Земли; только при таких условиях они могут еще сохраниться до сего времени. Из возможных четырех радиоактивных семейств в природе в естественных условиях существуют только три.. Семейству типа 4n (n=52—58) соответствует ряд тория ²³²Th₉₀, кончающийся стабильным изотопом свинца ²⁰⁸Рb₈₂ (рис. 1). Для цепочки 4п+2 (п = 51—59) имеется ряд урана ²³⁸U, конечным продуктом распада в котором является другой стабильный изотоп-свинца ²⁰⁶Рb₈₂ (рис. 2). Третий естественный ряд 4n+3 (n=51—58) начинается с более легкого изотопа урана ²³⁵U₉₂ и по одному из членов ряда называется рядом актиния (раньше этот ряд назывался рядом актиноурана). Заканчивается он тоже на стабильном изотопе свинца ²⁰⁷Рb₈₂ (рис. 3). Любой из рассмотренных рядов завершается свинцом. Последовательность превращений в них показана на рисунках 1—3, где в скобках приведены старые названия изотопов. По характеру цепей распада и по положению промежуточных членов в периодической системе все три ряда похожи друг на друга. Ученых давно интересовали вопросы: почему из четырех возможных радиоактивных семейств в природе существуют только три? Почему нет в природе элементов тяжелее урана? Теперь ответ ясен — члены четвертого радиоактивного семейства А = 4n + 1 давно распались, так как период полураспада его членов оказался много меньше возраста Земли. В последнее время, когда стало возможно проводить синтез элементов, давно не существующих в природе, удалось «реставрировать» четвертый ряд. Заканчивается он не свинцом, а стабильным изотопом висмута ²⁰⁹Bi₈₃. По имени наиболее долгоживущего члена ряда его назвали рядом нептуния ²³⁷ Np₉₃. Цепочка распада членов этого ряда приведена на рис 4

Рис. 1, Естественное семейство тория — 4 n-элементы.

Для радиоактивных рядов характерны некоторые общие закономерности:

• родоначальниками каждого ряда являются альфа-активные радионуклиды, периоды полураспада которых лежат в пределах 10⁸–10¹⁰ лет;

• каждый ряд имеет в середине цепочки превращений изотоп инертного радиоактивного газа, который в зависимости от того, к какому семейству он относится, называют радоном , тороном или актиноном ;

• за радиоактивным газом в каждом ряду следует относительно короткоживущий элемент ;

• короткоживущие радионуклиды семейств испытывают конкурирующие альфа- и бета-распады, в результате екоторых ряды разветвляются;

• каждый ряд заканчивается стабильным изотопом свинца.

Рис.2 Естественное радиоактивное семейство урана (4n+2) -элементы.

На основе представлений о радиоактивных семействах стало возможно установить происхождение тех или иных элементов, наличие или возможное их присутствие в тех или иных рудах. Атомы более тяжелого изотопа урана-238 являются родителями радия, полония и других/

Рис, 3.Естественное радиоактивное семейство актиния (4n+З) -элементы,

Рис. 4. Воссозданное искусственно семейство нептуния— (4n+1) -элементы.