Радиоактивные ряды

Радиоакти́вные ряды

Радиоактивные семейства, группы генетически связанных радиоактивных изотопов, в которых каждый последующий изотоп возникает в результате α- или β-распада предыдущего. Каждый Р. р. имеет родоначальника — изотоп с наибольшим периодом полураспада T_1/2 . Завершают Р. р. стабильные изотопы.

Если ядро испускает α-частицу, его заряд (Z) уменьшается на 2, а массовое число (А) — на 4. При испускании β-частицы Z увеличивается на 1, а А не изменяется. Следовательно, в каждом Р. р. массовые числа изотопов могут или быть одинаковыми, или различаться на число, кратное 4. Если значения массовых чисел членов данного Р. р. делятся на 4 без остатка, то такие массовые числа можно выразить общей формулой 4n (где n — некоторое целое число): в тех же случаях, когда при делении на 4 в остатке будет 1, 2 или 3, общие формулы для массовых чисел можно записать как 4n + 1, 4n + 2 или 4n + 3. В соответствии с этими формулами различают 4 Р. р., родоначальниками которых являются ₉₀²³²Th (ряд 4n); (4n + 1); ₉₂²³⁸U(4n + 2); ₉₂²³⁵U(4n + 3). Сами Р. р. обычно называют по их родоначальникам. Поэтому говорят о Р. р. тория, нептуния, урана (²³⁸U) и актино-урана (²³⁵U). Иногда ряд ²³⁸U называют рядом урана-радия (наиболее устойчивый изотоп радия ²²⁶Ra — член этого Р. р.). Разумеется, радиоактивный изотоп может входить только в один какой-либо определённый Р. р.

В природе существуют ряды тория, актиноурана и урана-радия (естественные Р. р.). Это связано с тем, что периоды полураспада ²³²Th (T_1/2 = 1,41․10¹⁰ лет), ²³⁵U (T_1/2 = 7,13․10⁸ лет) и ²³⁸U (T_1/2 = 4,51․10⁹ лет) соизмеримы с возрастом Земли (несколько миллиардов лет), и эти изотопы ещё не успели полностью распасться. Заканчиваются естественные Р. р. изотопами свинца ²⁰⁸Pb, ²⁰⁷Pb и ²⁰⁶Pb.

Период полураспада ²³⁷Np составляет 2,14․10⁶ лет. Поэтому нептуния и членов его Р. р. в природе нет; все они были получены в 40—50-х гг. 20 в. искусственно, с помощью ядерных реакций. Завершается ряд ²³⁷Np стабильным ²⁰⁹Bi. Каждый Р. р. содержит как долгоживущие, так и короткоживущие изотопы (см. рис.). Если изотоп принадлежит к естественному Р. р., то он обязательно присутствует в природе, даже если скорость распада его ядер очень велика. Связано это с тем, что в Р. р. с течением времени устанавливается т. н. вековое равновесие. Время достижения такого равновесия во всём 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 Р. р. 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 T_1/2 соответствующих изотопов — членов Р. р. Так, на 1 т урана в природе приходится всего около 0,34 г изотопа ²²⁶Ra, имеющего T_1/2 около 1600 лет.

Большинство членов естественных Р. р. имеет специальные названия и символы (см. рис.). Например, изотоп ²³⁰Th называется ионием (символ Io); ²¹⁴Po — радием-це-штрих (RaC'), a ²²⁸Ra — мезоторием-один (MsTh₁). Эти названия возникли исторически ещё до появления понятия об изотопах.

Некоторые изотопы — члены Р. р. — распадаются не по одному пути (α-, или β-распад), а по двум. Ядра таких изотопов в одних случаях испускают α-частицы, в других β-частицы. Например, ²²⁷Ac в ряду актиноурана в 988 случаях из 1000 претерпевает (α-распад, а в 12 случаях — β-распад. Вероятность распада по каждому пути (в процентах) указана числами около стрелок, соответствующих α- и β-распаду такого изотопа.

Лит. см, при ст. Радиоактивность.

С. С. Бердоносов.