В ядерной науке цепочкой распада называют серию радиоактивных распадов различных продуктов радиоактивного распада как последовательную серию превращений. Его еще называют «радиоактивным каскадом». Типичный радиоизотоп не распадается непосредственно до стабильного состояния, а распадается до другого радиоизотопа. Таким образом, обычно происходит серия распадов, пока атом не станет стабильным изотопом , что означает, что ядро атома достигло стабильного состояния.
Стадии распада называются по их взаимосвязи с предыдущими или последующими стадиями. Родительский изотоп — это тот, который подвергается распаду с образованием дочернего изотопа . Одним из примеров этого является распад урана ( атомный номер 92) на торий (атомный номер 90). Дочерний изотоп может быть стабильным или может распадаться с образованием собственного дочернего изотопа. Дочь дочернего изотопа иногда называют внучатым изотопом . Обратите внимание, что родительский изотоп становится дочерним изотопом, в отличие от биологического родителя и дочери.
Время, необходимое для распада одного родительского атома на атом дочернего изотопа, может сильно различаться не только между разными парами родитель-дочерний, но также случайным образом между идентичными парами родительского и дочернего изотопов. Распад каждого отдельного атома происходит спонтанно, а распад первоначальной популяции идентичных атомов с течением времени t следует затухающему экспоненциальному распределению e − λt , где λ называется константой распада . Одним из свойств изотопа является его период полураспада — время, в течение которого можно статистически ожидать, что половина исходного числа идентичных родительских радиоизотопов распадется на своих дочерних элементов, что обратно пропорционально λ. Периоды полураспада были определены в лабораториях для многих радиоизотопов (или радионуклидов). Они могут варьироваться от почти мгновенных (менее 10–21 секунды ) до более чем 10–19 лет .
Каждая из промежуточных стадий излучает то же количество радиоактивности, что и исходный радиоизотоп (т. е. существует взаимно-однозначное соотношение между числом распадов на последовательных стадиях), но каждая стадия выделяет разное количество энергии. Если и когда равновесие достигнуто, присутствие каждого последующего дочернего изотопа прямо пропорционально его периоду полураспада; но поскольку его активность обратно пропорциональна его периоду полураспада, каждый нуклид в цепочке распада вносит столько же индивидуальных преобразований, сколько и начало цепи, хотя и не ту же энергию. Например, уран-238 слаборадиоактивен, но настуран , урановая руда, в 13 раз более радиоактивен, чем чистый металлический уран, из-за присутствия короткоживущих продуктов распада, таких как радий и благородный газ радон . Породы, содержащие торий и/или уран (например, некоторые виды гранита), выделяют газ радон, который имеет тенденцию накапливаться в закрытых местах, таких как подвалы или подземные шахты, из-за своей высокой плотности. [1]
Количество изотопов в цепочках распада в определенный момент времени рассчитывается по уравнению Бейтмана .
За исключением водорода-1, водорода-2 (дейтерия), гелия-3, гелия-4 и, возможно, следовых количеств стабильных изотопов лития и бериллия, которые были созданы в результате Большого взрыва , все элементы и изотопы, обнаруженные на Земле, были созданные в результате s-процесса или r-процесса в звездах или звездных столкновениях , и для того, чтобы они сегодня стали частью Земли, они должны были быть созданы не позднее 4,5 миллиардов лет назад . Все элементы, созданные 4,5 миллиарда лет назад или ранее, называются первичными , то есть они были созданы в результате звездных процессов во Вселенной. В то время, когда они были созданы, те, что были нестабильны, начали сразу же распадаться. Все изотопы с периодом полураспада менее 100 миллионов лет были восстановлены до2,8 × 10 −14 или меньше любых первоначальных количеств, созданных и захваченных в результате аккреции Земли; Сегодня они в незначительном количестве или вообще распались. Есть только два других метода создания изотопов: искусственно , внутри искусственного (или, возможно, природного ) реактора или путем распада родительских видов изотопов, процесс, известный как цепочка распада .
Нестабильные изотопы распадаются на дочерние продукты (которые иногда могут быть еще более нестабильными) с заданной скоростью; в конце концов, часто после серии распадов, достигается стабильный изотоп: во Вселенной существует 251 стабильный изотоп. В стабильных изотопах легкие элементы обычно имеют более низкое соотношение нейтронов и протонов в ядре, чем более тяжелые элементы. Легкие элементы, такие как гелий-4, имеют соотношение нейтрон:протон около 1:1. Самые тяжелые элементы, такие как свинец, содержат около 1,5 нейтронов на протон (например, 1,536 в свинце-208 ). Ни один нуклид тяжелее свинца-208 не является стабильным; этим более тяжелым элементам приходится терять массу, чтобы достичь стабильности, в основном за счет альфа-распада . Другим распространенным способом распада изотопов с высоким соотношением нейтронов к протонам (n/p) является бета-распад , при котором нуклид меняет элементную идентичность, сохраняя при этом то же массовое число и снижая соотношение n/p. Для некоторых изотопов с относительно низким соотношением n/p происходит обратный бета-распад , в результате которого протон превращается в нейтрон, двигаясь таким образом к стабильному изотопу; однако, поскольку в результате деления почти всегда образуются продукты, которые являются тяжелыми нейтронами, эмиссия позитронов или захват электронов редки по сравнению с эмиссией электронов. Существует много относительно коротких цепочек бета-распада, по крайней мере две (тяжелый бета-распад и легкий позитронный распад) для каждого дискретного веса примерно до 207 и некоторых выше, но для элементов с более высокой массой (изотопов тяжелее свинца) существуют Это всего лишь четыре пути, охватывающие все цепочки распада. [ нужна цитата ] Это потому, что существует всего два основных метода распада: альфа-излучение , которое уменьшает массу на 4 атомные единицы массы (а.е.м.), и бета-излучение, которое не меняет массовое число (только атомный номер и p/ соотношение n). Четыре пути называются 4n, 4n + 1, 4n + 2 и 4n + 3; остаток от деления атомной массы на четыре дает цепочку, которую изотоп будет использовать для распада. Существуют и другие режимы распада, но они всегда происходят с меньшей вероятностью, чем альфа- или бета-распад. (Не следует полагать, что эти цепочки не имеют ответвлений: на схеме ниже показано несколько ответвлений цепочек, а на самом деле их гораздо больше, поскольку возможных изотопов гораздо больше, чем показано на схеме.) Например, третий атом синтезированного нихония-278 претерпел шесть альфа-распадов до менделевия-254 , [2] с последующим захватом электрона (форма бета-распада) до фермия-254 , [2] и затем седьмого альфа-распада до калифорния-250 , [2]после чего он следовал бы цепочке 4n + 2, как указано в этой статье. Однако самые тяжелые синтезированные сверхтяжелые нуклиды не доходят до четырех цепочек распада, поскольку после нескольких альфа-распадов, завершающих цепочку, они достигают спонтанно делящегося нуклида: именно это произошло с первыми двумя синтезированными атомами нихония-278 [3] [4], а также ко всем образующимся более тяжелым нуклидам.
Три из этих цепочек имеют долгоживущий изотоп (или нуклид) вверху; этот долгоживущий нуклид является узким местом в процессе, через который цепь течет очень медленно, и сохраняет цепь под ними «живой» потоком. Тремя долгоживущими нуклидами являются уран-238 (период полураспада 4,5 миллиарда лет), уран-235 (период полураспада 700 миллионов лет) и торий-232 (период полураспада 14 миллиардов лет). Четвертая цепочка не имеет такого долгоживущего узкого нуклида в верхней части, поэтому почти все нуклиды в этой цепочке уже давно распались до самого конца: висмута-209. Долгое время этот нуклид считался стабильным, но в 2003 году было обнаружено, что он нестабильен с очень длительным периодом полураспада - 20,1 миллиарда миллиардов лет; [5] это последний шаг в цепочке перед стабильным таллием-205. Поскольку это узкое место настолько долговечно, образуются очень небольшие количества конечного продукта распада, и для большинства практических целей конечным продуктом распада является висмут-209.
В далеком прошлом, в течение первых нескольких миллионов лет истории Солнечной системы, существовало больше видов нестабильных нуклидов большой массы, и четыре цепочки были длиннее, поскольку они включали нуклиды, которые с тех пор распались. Примечательно, что 244 Pu, 237 Np и 247 Cm имеют период полураспада более миллиона лет и тогда были бы меньшими узкими местами в цепочках 4n, 4n+1 и 4n+3 соответственно. [6] (В цепочке 4n+2 нет нуклида с периодом полураспада более миллиона лет выше 238 U.) Сегодня некоторые из этих ранее вымерших изотопов снова существуют, поскольку они были произведены. Таким образом, они снова занимают свои места в цепочке: основным примером является плутоний-239, используемый в ядерном оружии, который распадается до урана-235 посредством альфа-излучения с периодом полураспада 24 500 лет. Также имело место крупномасштабное производство нептуния-237, который возродил до сих пор вымершую четвертую цепь. [7] Таким образом, приведенные ниже таблицы начинают четыре цепочки распада изотопов калифорния с массовыми числами от 249 до 252.
Эти четыре цепочки обобщены на диаграмме в следующем разделе.
Четыре наиболее распространенных режима радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, обратный бета-распад (рассматриваемый как испускание позитронов, так и захват электронов) и изомерный переход . Из этих процессов распада только альфа-распад (деление ядра гелия-4 ) изменяет атомное массовое число ( А ) ядра и всегда уменьшает его на четыре. Из-за этого почти любой распад приведет к образованию ядра, атомное массовое число которого имеет тот же остаток по модулю 4. Это делит список нуклидов на четыре класса. Все члены любой возможной цепочки распада должны полностью принадлежать одному из этих классов.
В природе наблюдаются три основные цепочки (или семейства) распада. Их обычно называют сериями тория, сериями радия или урана и сериями актиния , представляющими три из этих четырех классов и заканчивающимися тремя различными стабильными изотопами свинца . Массовое число каждого изотопа в этих цепочках можно представить как A = 4 n , A = 4 n + 2 и A = 4 n + 3 соответственно. Долгоживущие исходные изотопы этих трех изотопов, соответственно торий-232 , уран-238 и уран-235 , существуют с момента образования Земли, игнорируя искусственные изотопы и их распады, созданные с 1940-х годов.
Из-за относительно короткого периода полураспада исходного изотопа нептуния-237 (2,14 млн лет) четвертая цепочка, ряд нептуния с А = 4 n + 1, уже вымерла в природе, за исключением финальной лимитирующей стадии. , распад висмута-209 . Однако следы 237 Np и продуктов его распада встречаются в природе в результате захвата нейтронов в урановой руде. [8] Сейчас известно, что конечным изотопом этой цепочки является таллий-205 . В некоторых более старых источниках конечный изотоп указан как висмут-209, но в 2003 году было обнаружено, что он очень малорадиоактивен, с периодом полураспада2,01 × 10 19 лет . [9]
Существуют также нетрансурановые цепи распада нестабильных изотопов легких элементов, например магния-28 и хлора-39 . На Земле большая часть стартовых изотопов этих цепочек до 1945 года была образована космическим излучением . С 1945 года испытания и применение ядерного оружия также привели к выбросу многочисленных радиоактивных продуктов деления . Почти все такие изотопы распадаются либо по β- , либо по β + -модам распада, переходя от одного элемента к другому без изменения атомной массы. Эти более поздние дочерние продукты, будучи ближе к стабильности, обычно имеют более длительный период полураспада, пока они окончательно не распадутся до стабильности.
В четырех таблицах ниже минорные ветви распада (с вероятностью ветвления менее 0,0001%) опущены. В энерговыделение входит суммарная кинетическая энергия всех испущенных частиц ( электронов , альфа-частиц , гамма-квантов , нейтрино , оже-электронов и рентгеновских лучей ) и ядра отдачи, если предположить, что исходное ядро находилось в состоянии покоя. Буква «а» обозначает год (от латинского annus ).
В таблицах ниже (кроме нептуния) также приведены исторические названия встречающихся в природе нуклидов. Эти названия использовались в то время, когда впервые были открыты и исследованы цепочки распада. По этим историческим названиям можно определить конкретную цепочку, к которой принадлежит нуклид, и заменить ее современным названием.
Приведенные ниже три встречающиеся в природе цепи альфа-распада актинидов — торий, уран/радий (из урана-238) и актиний (из урана-235) — каждая заканчивается своим собственным специфическим изотопом свинца (свинец-208, свинец-206, и свинец-207 соответственно). Все эти изотопы стабильны и также присутствуют в природе в виде первичных нуклидов , но их избыточные количества по сравнению со свинцом-204 (имеющим лишь первичное происхождение) могут быть использованы в технике уран-свинцового датирования для датирования горных пород.
Цепочку 4n тория-232 обычно называют «ториевой серией» или «ториевым каскадом». Начиная с встречающегося в природе тория-232, в этот ряд входят следующие элементы: актиний , висмут , свинец, полоний , радий, радон и таллий . Все они присутствуют, по крайней мере временно, в любом природном торийсодержащем образце, будь то металл, соединение или минерал. Серия заканчивается свинцом-208.
Плутоний-244 (который в этой цепочке оказывается на несколько ступеней выше тория-232, если распространить его на трансурановые соединения) присутствовал в ранней Солнечной системе [6] и достаточно долгоживущ, чтобы до сих пор сохраняться в следовых количествах. , [15] , хотя неизвестно, был ли он обнаружен. [16]
Полная энергия, выделяющаяся из тория-232 в свинец-208, включая энергию, потерянную нейтрино, составляет 42,6 МэВ.
.svg/1280px-Decay_Chain(4n+1,_Neptunium_Series).svg.png)
Цепь 4n+1 нептуния-237 обычно называют «серией нептуния» или «каскадом нептуния». В этой серии только два из задействованных изотопов встречаются в природе в значительных количествах, а именно два последних: висмут-209 и таллий-205. Некоторые другие изотопы были обнаружены в природе и происходят из следовых количеств 237 Np, образующихся в результате реакции (n,2n) -нокаута в первичном 238 U. [8] Детектор дыма , содержащий ионизационную камеру америция-241, накапливает значительное количество нептуния - 237 при распаде его америция. В нем также присутствуют, хотя бы кратковременно, как продукты распада нептуния: актиний, астат , висмут, франций , свинец, полоний, протактиний , радий, радон, таллий, торий и уран . Поскольку этот ряд был открыт и изучен лишь в 1947–1948 гг. [21], его нуклиды не имеют исторических названий. Одной из уникальных особенностей этой цепочки распада является то, что благородный газ радон образуется только в редкой ветви (не показанной на рисунке), но не в основной последовательности распада; таким образом, радон из этой цепочки распада не мигрирует через горные породы почти так же сильно, как из трех других. Еще одна уникальная особенность этой последовательности распада состоит в том, что она заканчивается таллием, а не свинцом. Этот ряд завершается стабильным изотопом таллием-205.
Полная энергия, выделяющаяся при переходе от калифорния-249 к таллию-205, включая энергию, потерянную нейтрино , составляет 66,8 МэВ.
.svg/1280px-Decay_chain(4n+2,_Uranium_series).svg.png)
Цепочка урана-238 4n+2 называется «урановым рядом» или «радиевым рядом». Начиная с встречающегося в природе урана-238, в этот ряд входят следующие элементы: астат, висмут, свинец , ртуть, полоний, протактиний , радий , радон , таллий и торий. Все они присутствуют, по крайней мере временно, в любом природном урансодержащем образце, будь то металл, соединение или минерал. Серия заканчивается свинцом-206.
Полная энергия, выделяемая ураном-238 в свинец-206, включая энергию, потерянную нейтрино, составляет 51,7 МэВ.
Цепочку 4n+3 урана-235 обычно называют «актиниевой серией» или «актиниевым каскадом». Начиная с встречающегося в природе изотопа урана-235, этот ряд распада включает следующие элементы: актиний, астат , висмут , франций , свинец , полоний , протактиний , радий, радон, таллий и торий . Все они присутствуют, по крайней мере временно, в любом образце, содержащем уран-235, будь то металл, соединение, руда или минерал. Этот ряд завершается стабильным изотопом свинца-207 .
В ранней Солнечной системе эта цепочка возвращалась к 247 см. Сегодня это проявляется в изменении соотношения 235 U/ 238 U, поскольку кюрий и уран имеют заметно разный химический состав и разделились бы по-разному. [6] [24]
Полная энергия, выделяющаяся при переходе от урана-235 к свинцу-207, включая энергию, потерянную нейтрино, составляет 46,4 МэВ.
