Радиоактивные ряды (семейства) и трансурановые элементы

Радиоактивные семейства (ряды) – генетически связанныепоследовательным радиоактивным распадом цепочки (ряды) ядер естественного происхождения.

Систематическое изучение радиоактивных элементов, встречающихся в природе, показало, что все они могут быть расположены в виде трех последовательных цепочек.

Первое семейство называется семейством урана. Оно начинается с α-активного изотопа урана ₉₂U²³⁸, который с периодом полураспада 4.5∙10⁹ лет превращается в ₉₀Th²³⁴.

В свою очередь ₉₀Th²³⁴ является α-радиоактивным изотопом и с периодом 24 дня превращается в β-радиоактивный протактиний ₉₁Pa²³⁴ и т.д. Среди других ядер семейство урана содержит радий ₈₈Ra²²⁶ и радиоактивный газ – радон (изотоп ₈₆Rn²²²) и заканчивается стабильным изотопом свинца ₈₂Pb²⁰⁶.

Второе семейство – семейство актиноурана начинается с другого α-активного изотопа урана ₉₂U²³⁵, который с периодом полураспада примерно 7∙10⁸ лет превращается в ₉₀Th²³¹, испускающий β-частицы и превращающийся в ₉₁Pa²³¹. Этот изотоп в отличие от ₉₁Pa²³⁴, является α-радиоактивным и превращается в актиний ₈₉Ac²²⁷ и т.д. Семейство актиноурана, как и семейство урана, содержит радиоактивный газ – радон (изотоп ₈₆Rn²¹⁹) и заканчивается вторым стабильным изотопом свинца ₈₂Rb²⁰⁷.

Наконец, третье семейство – семейство тория начинается с α-радиоактивного изотопа тория ₉₀Th²³², имеющего период полураспада 1.4∙10¹⁰ лет и превращающегося в β-радиоактивный изотоп радия ₈₈Ra²²⁸ и т.д. Это семейство также содержит в своем составе радиоактивный газ – радон (изотоп ₈₆Rn²²⁰) и заканчивается третьим стабильным изотопом свинца ₈₂Pb²⁰⁸ (что указывает на особую устойчивость ядер свинца, содержащих магическое число протонов – 82).

1 Семейство тория.

2 Семейство актиноурана (вымирающее).

3 Семейство урана.

4 Семейство (вымершее и восстановленное искусственно).

Из приведенных участков цепочек видно, что массовые числа элементов в пределах каждого радиоактивного семейства или не меняются совсем, или изменяются на четыре единицы. При этом в первом случае заряд следующего элемента повышается на единицу, а во втором – понижается на две единицы.

Эта закономерность, названная правилами смещения, очевидно, объясняется тем, что радиоактивное превращение сопровождается либо испусканием β-частицы (электрона), в результате чего заряд ядра повышается на единицу, а массовое число остается неизменным, либо испусканием α-частицы, уносящей четыре массовые единицы и двойной заряд. Правила смещения помогли правильно идентифицировать члены радиоактивных семейств, а в настоящее время используются при изучении трансурановых элементов.

Из правил смещения вытекает, что массовые числа членов всех трех семейств описываются следующей формулой:

A = 4n + C, (3.3)

n – целое число.

C = 2 для семейства урана (n > 50), C = 3 для семейства актиноурана (n > 50), C = 0 для семейства тория (n > 51). Обращает на себя внимание отсутствие четвертого семейства при C = 1, существование которого в принципе можно ожидать. Такое семейство действительно существует, но оно состоит из изотопов, не встречающихся в природе.

Трансурановые эелменты – химические элементы с зарядом (числом протонов) большим, чем у урана, т.е. Z > 92. Все они были получены искусственным путем.

Первые трансурановые элементы, как отмечалось, были получены в результате облучения ²³⁸U нейтронами. В результате захвата нейтрона и последующего β^--распадазаряд первоначального ядра увеличивается на единицу. С созданием ядерных реакторов большой мощности стало возможным накапливать необходимые количества трансурановых элементов и использовать их в качестве мишеней для продвижения к большим Z путем облучения на циклотронах легкими заряженными частицами. В частности, таким способом удалось получить достаточно большие количества изотопа²³⁹Pu, так как период полураспада его составляет 2.4·10⁴ лет.
Элементы с Z = 96-98 были получены впервые в результате облучения трансурановых мишеней α-частицами.