МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ

СЕМЕЙСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Правило сдвига дало возможность установить связь между целыми группами радиоактивных элементов. Так, оказалось, что торий с массовым числом 232, выбрасывая альфа-частицу, пре­вращается в изотоп радия—мезоторий-1 с массовым числом 228 и порядковым номером 88. Мезоторий-1, в свою очередь, выбрасывает электрон и превращается в мезоторий-2—изотоп актиния.

Мезоторий-2 испускает бета-лучи и превращается в радио­торий.

Цепь превращений идёт от одного радиоактивного элемента к другому, пока в результате радиоактивного распада не образуется устойчивый элемент.

Так получается семейство или ряд радиоактив­ных элементов.

Исследуя процессы радиоактивного распада, учёные уста­новили три ряда радиоактивных элементов, которые находятся в природе: ряд урана, ряд тория и ряд актиноурана.

Уран, торий н актиноуран являются родоначальниками этих рядов, и каждый ряд заканчивается одним из нерадиоак­тивных изотопов свинца.

Одним из важных членов семейства урана является изотоп радия с массой 226; он широко применяется в медицине, технике и в научных исследованиях.

Впоследствии искусственным путём было получено новое семейство радиоактивных элементов — семейство нептуния, которое заканчивается устойчивым изотопом висмута.

На рисунках 6 и 7 приведены радиоактивные семейства. В кружках указаны названия элементов, масса атома и заряд ядра. Стрелки показывают, в каком направлении идёт превращение, а значки аир около стрелок — род излучения.

Каждый радиоактивный атом рано или поздно превращается в другой атом. Но не все атомы одного и того же радиоактив­ного элемента существуют одинаковое время: одни атомы распадаются быстро, а другие могут оставаться неизменными очень долго.

Каким же законам подчиняется радиоактивный распад?

Оказывается, число распадающихся за едини­цу времени атомов прямо пропорционально наличному числу радиоактивных атомов. Это значит, что у того или другого радиоактивного элемента за единицу времени распадается всегда одна и та же часть, одна и та же доля атомов, строго определённая для каждого элемента.

Этот закон учёные установили опытным путём, наблюдая за изменением интенсивности излучения радиоактивных эле­ментов со временем.

Доля атомов, претерпевающих превращение за единицу времени, называется постоянной распада или к о и - стантой распада.

Если, например, мы имеем 8 ООО ООО радиоактивных ато­мов, п константа распада равна 0,1, то это значит, что в каждую секунду распадается одна десятая часть наличных атомов, за первую секунду — 800 000 атомов, за вторую — десятая часть оставшихся 7 200 000, то-есть 720 000 ато­мов п т. д.

Продолжительность существования радиоактивного элемен­та обычно выражают периодом полураспада. Период полураспада — это время, в течение которого наличное ко­личество атомов уменьшается вдвое. Например, период по­лураспада урана X! равен 24 дням. Это значит, что из 6400 000 атомов через 24 дня останется 3 200 000 атомов, ещё через 24 дня—1 600 000 атомов, затем — 800 000 ато­мов и т. д.

В этих примерах даны довольно большие числа. Это со­вершенно необходимо, так как для малых количеств атомов закон не будет соблюдаться: из двух атомов урана X! за 24 дня может не распасться ни один, а могут распасться и оба.

На рисунках 6 и 7 периоды полураспада радиоактивных элементов даны около стрелок.

В каждом радиоактивном семействе есть элементы с са­мыми различными периодами полураспада. Уран-238 имеет период полураспада, равный 4,5 миллиарда лет; количество атомов урана изменяется настолько медленно, что даже в течение многих веков убыль их нельзя заметить. Период полураспада радия— 1590 лет, а радия А — всего 3 минуты.

С течением времени в смеси элементов радиоактивного ряда наступает радиоактивное равновесие. Это значит, что количество атомов того или иного радиоактив­ного элемента в смеси остаётся практически неизменным: сколько атомов получается, столько же распадается. Если из смеси удалить один из элементов, то равновесие нарушается, но через определённое время оно наступает вновь.

Чтобы понять это, сравним радиоактивное семейство с системой бассейнов с водой, которые расположены друг под другом и связаны между собой трубами различного сече­ния (рис. 8). Представим, что количество воды в бассейнах соответствует количеству радиоэлементов, а сечения соеди­няющих бассейны труб — константам их распада. Учтём, что скорость вытекания зависит от напора воды: чем выше уровень воды в бассейне и чем шире труба, тем быстрее течёт вода из бассейна. Допустим, что в первом бассейне находится такое большое количество воды, что убыль её практически не влияет на уровень воды. Из первого бассейна вода протекает во второй по трубе с сечением, равным 4 кв. см. Из второго бассейна вода течёт в третий по трубе с сечением, равным 2 кв. см. Труба, соединяющая третий бассейн с четвёртым, имеет сечение 8 кв. см.

Вначале вода во втором бассейне будет прибывать, но одновременно она будет вытекать в третий бассейн. Когда высота уровня во втором бассейне станет вдвое больше, чем в первом, скорость притока воды во второй бассейн будет равна скорости вытекания из него в третий. В первом бас­сейне уровень в 2 раза ниже, чем во втором, но зато сече­ние трубы в 2 раза больше. Поэтому вода во втором бас­сейне будет сохранять один п тот же уровень.

То же самое можно сказать про третий бассейн. Вода в нём будет прибывать до тех пор, пока уровень её не достиг­нет высоты, в 4 раза меньшей, чем во втором бассейне.

Когда уровни будут находиться в соотношении 2:4; 1в скорости притока и вытекания воды для каждого бассейна станут равны. Наступит равновесие.

Если теперь из второго бассейна часть воды вычерпать, то равновесие будет нарушено: скорость поступления воды во второй бассейн будет прежней, но скорость вытекания

Уменьшится и в третьем бассейне вода начнёт убывать. Однако через некоторое время уровень во втором бассейне повысится, и равновесное состояние наступит вновь.

Подобное этому равновесие имеет место и при радиоак­тивном распаде. Чем больше период полураспада элемента, тем меньше его находится б смеси. В семействе тория, на­пример, из тория образуется в единицу времени столько атомов мезотория-1, сколько их распадается с образованием мезотория-2.

Уран, торий и актиноуран находились в земной коре мно­гие тысячелетия, и за это время в рядах урана, тория и актиноурана установилось равновесие.