Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В ядерной науке под цепочкой распада понимается серия радиоактивных распадов различных продуктов радиоактивного распада как последовательный ряд превращений. Он также известен как «радиоактивный каскад». Большинство радиоизотопов не распадаются непосредственно до стабильного состояния, а скорее подвергаются серии распадов, пока в конечном итоге не будет получен стабильный изотоп .

Стадии распада относятся к предыдущим или последующим стадиям. Родительский изотоп является тот , который подвергается распаду с образованием дочернего изотопа . Одним из примеров этого является распад урана (атомный номер 92) до тория (атомный номер 90). Дочерний изотоп может быть стабильным или может распадаться с образованием собственного дочернего изотопа. Дочь дочернего изотопа иногда называют изотопом внучки .

Время, необходимое для распада единственного родительского атома на атом своего дочернего изотопа, может широко варьироваться не только между разными парами родитель-дочерний элемент, но также случайным образом между идентичными парами родительского и дочернего изотопов. Распад каждого отдельного атома происходит спонтанно, а распад первоначальной популяции идентичных атомов за время t следует экспоненциальному распаду e − λt , где λ называется константой распада . Одно из свойств изотопа - его период полураспада., время, за которое половина исходного количества идентичных родительских радиоизотопов распалась до своих дочерей, что обратно пропорционально λ. Период полураспада был определен в лабораториях для многих радиоизотопов (или радионуклидов). Они могут варьироваться от почти мгновенного (менее 10 −21 секунды) до более чем 10 19 лет.

Каждая из промежуточных стадий излучает такое же количество радиоактивности, что и исходный радиоизотоп (т. Е. Существует однозначное соотношение между количеством распадов в последовательных стадиях), но каждая стадия выделяет разное количество энергии. Если и когда достигается равновесие, каждый последующий дочерний изотоп присутствует прямо пропорционально его периоду полураспада; но поскольку его активность обратно пропорциональна его периоду полураспада, каждый нуклид в цепочке распада в конечном итоге вносит столько же индивидуальных преобразований, сколько и голова цепочки, хотя и не с той же энергией. Например, уран-238 слабо радиоактивен, но настуран , урановая руда, в 13 раз более радиоактивен, чем чистый металлический уран из-за наличия радия.и другие дочерние изотопы, которые он содержит. Не только нестабильные изотопы радия являются значительными источниками радиоактивности, но и в качестве следующего этапа в цепочке распада они также генерируют радон , тяжелый, инертный, встречающийся в природе радиоактивный газ. Камни, содержащие торий и / или уран (например, некоторые граниты), выделяют газ радон, который может накапливаться в закрытых местах, таких как подвалы или подземные шахты. [1]

Расчет количества с помощью функции Бейтмана для 241 Pu

Количество изотопов в цепочках распада в определенный момент времени рассчитывается с помощью уравнения Бейтмана .

История [ править ]

Все элементы и изотопы, обнаруженные на Земле, за исключением водорода, дейтерия, гелия, гелия-3 и, возможно, следовых количеств стабильных изотопов лития и бериллия, которые были созданы в результате Большого взрыва , были созданы с помощью s-процесса или r-процесс в звездах и для того, чтобы они сегодня были частью Земли, должен был быть создан не позднее 4,5 миллиарда лет назад . Все элементы, созданные более 4,5 миллиардов лет назад, называются первозданными., что означает, что они были созданы звездными процессами во Вселенной. В то время, когда они были созданы, те, что были нестабильными, сразу начали разлагаться. Все изотопы с периодом полураспада менее 100 миллионов лет были сокращены до2,8 × 10 -12 % или меньше от первоначальных количеств, созданных и захваченных аккрецией Земли; сегодня они в незначительном количестве или полностью распались. Есть только два других метода создания изотопов: искусственно , внутри искусственного (или, возможно, естественного ) реактора, или путем распада родительского изотопного вещества, процесс, известный как цепочка распада .

Нестабильные изотопы распадаются на свои дочерние продукты (которые иногда могут быть даже более нестабильными) с заданной скоростью; в конце концов, часто после серии распадов, получается стабильный изотоп: во Вселенной около 200 стабильных изотопов. В стабильных изотопах легкие элементы обычно имеют более низкое отношение нейтронов к протонам в ядре, чем более тяжелые элементы. Легкие элементы, такие как гелий-4, имеют отношение нейтрон: протон, близкое к 1: 1. Самые тяжелые элементы, такие как свинец, содержат около 1,5 нейтрона на протон (например, 1,536 в свинце-208 ). Ни один из нуклидов тяжелее свинца-208 не является стабильным; эти более тяжелые элементы должны терять массу для достижения стабильности, чаще всего в виде альфа-распада . Другой распространенный метод распада изотопов с высоким отношением нейтронов к протонам (n / p) - этобета-распад , при котором нуклид меняет элементную идентичность, сохраняя при этом ту же массу и снижая свое соотношение n / p. Для некоторых изотопов с относительно низким отношением n / p существует обратный бета-распад , при котором протон превращается в нейтрон, перемещаясь, таким образом, в стабильный изотоп; однако, поскольку при делении почти всегда образуются продукты с тяжелыми нейтронами, эмиссия позитронов относительно редка по сравнению с эмиссией электронов. Существует множество относительно коротких цепочек бета-распада, по крайней мере две (тяжелая, бета-распад, и легкая, позитронная).распад) для каждого дискретного веса примерно до 207 и более, но для элементов с более высокой массой (изотопы тяжелее свинца) существует только четыре пути, которые охватывают все цепочки распада. Это связано с тем, что существует всего два основных метода распада: альфа-излучение , которое уменьшает массу на 4 атомные единицы массы.(а.е.м.) и бета, который вообще не меняет атомную массу (только атомный номер и соотношение p / n). Эти четыре пути называются 4n, 4n + 1, 4n + 2 и 4n + 3; остаток от деления атомной массы на четыре дает цепь, которую изотоп будет использовать для распада. Существуют и другие режимы распада, но они неизменно возникают с меньшей вероятностью, чем альфа- или бета-распад. (Не следует предполагать, что эти цепи не имеют ответвлений: на диаграмме ниже показано несколько ответвлений цепочек, а на самом деле их гораздо больше, потому что существует гораздо больше возможных изотопов, чем показано на диаграмме.) Например, третий атом синтезированного нихония-278 претерпел шесть альфа-распадов до менделевия-254 с последующим захватом электрона (форма бета-распада) к фермию-254 , а затем седьмая альфа к калифорнию-250 , после чего она следовала бы цепи 4n + 2, как указано в этой статье. Однако самые тяжелые синтезированные сверхтяжелые нуклиды не достигают четырех цепочек распадов, потому что они достигают спонтанно делящегося нуклида после нескольких альфа-распадов, завершающих цепочку: это то, что случилось с первыми двумя атомами синтезированного нихония-278, а также с ко всем произведенным более тяжелым нуклидам.

У трех из этих цепочек есть долгоживущий изотоп (или нуклид) в верхней части; этот долгоживущий изотоп является узким местом в процессе, в котором цепь течет очень медленно, и поддерживает цепочку под ними «живой» потоком. Три долгоживущих нуклида - это 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 длительного изотопа узкого места, поэтому почти все изотопы в этой цепочке давно распались и почти достигли стабильности на дне. Ближе к концу этой цепочки находится висмут-209, который долгое время считался стабильным. Однако недавно было обнаружено, что висмут-209 нестабилен с периодом полураспада 19 миллиардов миллиардов лет; это последняя ступень перед стабильным таллием-205. В далеком прошломпримерно в то время, когда образовалась солнечная система, было доступно больше видов нестабильных изотопов с большим весом, а четыре цепи были длиннее с изотопами, которые с тех пор распались. Сегодня мы произвели вымершие изотопы, которые снова заняли свои прежние места: плутоний-239, топливо для ядерной бомбы, в качестве основного примера, имеет период полураспада «всего» 24 500 лет и распадается за счет альфа-эмиссии до урана-235. В частности, благодаря крупномасштабному производству нептуния-237 мы успешно воскресили уже исчезнувшую четвертую цепь.в качестве основного образца имеет период полураспада «всего» 24 500 лет и распадается за счет альфа-излучения до урана-235. В частности, благодаря крупномасштабному производству нептуния-237 мы успешно воскресили уже исчезнувшую четвертую цепь.в качестве основного образца имеет период полураспада «всего» 24 500 лет и распадается за счет альфа-излучения до урана-235. В частности, благодаря крупномасштабному производству нептуния-237 мы успешно воскресили уже исчезнувшую четвертую цепь.[2] Таким образом, приведенные ниже таблицы начинают четыре цепочки распада изотопов калифорния с массовыми числами от 249 до 252.

Типы распада [ править ]

Эта диаграмма иллюстрирует четыре цепочки распада, обсуждаемые в тексте: торий (4n, синий), нептуний (4n + 1, розовый), радий (4n + 2, красный) и актиний (4n + 3, зеленый).

Четыре наиболее распространенных режима радиоактивного распада: альфа-распад , бета-распад , обратный бета-распад (рассматриваемый как эмиссия позитронов и захват электронов ) и изомерный переход . Из этих процессов распада только альфа-распад изменяет атомное массовое число ( A ) 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, что разделит все нуклиды на четыре цепи. Члены любой возможной цепочки распада должны быть полностью взяты из одного из этих классов. Все четыре цепи также производят гелий-4. (альфа-частицы - это ядра гелия-4).

В природе наблюдаются три основные цепочки (или семейства) распадов, обычно называемые 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 с 1940-х годов.

Из-за относительно короткого периода полураспада его исходного изотопа нептуний-237 (2,14 миллиона лет) четвертая цепь, серия нептуния с A  = 4 n  + 1, уже вымерла в природе, за исключением последней стадии, ограничивающей скорость. , распад висмута-209 . Однако следы 237 Np и продуктов его распада все еще встречаются в природе в результате захвата нейтронов в урановой руде. [3] Конечный изотоп этой цепи теперь известен как таллий-205 . Некоторые более старые источники называют конечный изотоп висмут-209, но недавно было обнаружено, что он очень слабо радиоактивен с периодом полураспада2.01 × 10 19  лет . [4]

Существуют также нетрансурановые цепи распада нестабильных изотопов легких элементов, например магния-28 и хлора-39 . На Земле большинство исходных изотопов этих цепочек до 1945 года было произведено космическим излучением . С 1945 года в результате испытаний и применения ядерного оружия также высвободились многочисленные радиоактивные продукты деления . Почти все такие изотопы распадаются либо бета - или β + распад режимы, переход от одного элемента к другому , не изменяя атомную массу. Эти более поздние дочерние продукты, которые ближе к стабильности, обычно имеют более длительный период полураспада, пока они, наконец, не станут стабильными.

Цепочки альфа-распада актинидов [ править ]

В четырех таблицах ниже опущены второстепенные ветви распада (с вероятностью ветвления менее 0,0001%). Выделение энергии включает полную кинетическую энергию всех испускаемых частиц ( электронов , альфа-частиц , гамма-квантов , нейтрино , оже-электронов и рентгеновских лучей ) и ядра отдачи, если 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 цепочки распада были впервые обнаружены и исследованы. По этим историческим названиям можно определить конкретную цепочку, к которой принадлежит нуклид, и заменить ее современным названием.

Три встречающиеся в природе цепочки альфа-распада актинидов, приведенные ниже - торий, уран / радий (из U-238) и актиний (из U-235) - каждая оканчивается своим собственным специфическим изотопом свинца (Pb-208, Pb-206, и Pb-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 только первичное происхождение) могут быть использованы в методике уран-свинцового датирования пород.

Серия Thorium [ править ]

Цепь 4n Th-232 обычно называют «ториевой серией» или «ториевым каскадом». Начиная с природного тория- 232, эта серия включает следующие элементы: актиний , висмут , свинец , полоний , радий , радон и таллий . Все они присутствуют, по крайней мере временно, в любом природном содержащем торий образце, будь то металл, соединение или минерал. Серия заканчивается свинцом-208.

Полная энергия, выделяемая торием-232 в свинец-208, включая энергию, потерянную для нейтрино , составляет 42,6 МэВ.

Серия Neptunium [ править ]

Цепь 4n + 1 из 237 Np обычно называют «нептуниевым рядом» или «нептуниевым каскадом». В этой серии только два из рассматриваемых изотопов встречаются в естественных условиях в значительных количествах, а именно два последних: висмут-209 и таллий-205 . Некоторые из других изотопов были обнаружены в природе, происходящих из следовых количеств 237 Np производства (п, 2п) нокаута реакции в изначальном 238 U. [3] детектор дыма , содержащий америций -241 ионизационной камеры накапливает значительное количество из нептуния-237 при распаде америция; следующие элементы также присутствуют в нем, по крайней мере временно, в качестве продуктов распада нептуния: актиний , астат , висмут, франций , свинец , полоний , протактиний , радий , таллий, торий и уран . Поскольку эта серия была открыта и изучена только в 1947–1948 гг. [12], ее нуклиды не имеют исторических названий. Уникальной чертой этой цепочки распада является то, что благородный газ радонпроизводится только в редкой ветви, а не в основной последовательности распада; таким образом, он не мигрирует через породу почти так же, как другие три цепочки распада.

Полная энергия, выделяемая калифорнием-249 в таллий-205, включая энергию, потерянную для нейтрино , составляет 66,8 МэВ.

Урановая серия [ править ]

(Более подробная графика)

Цепочка 4n + 2 урана-238 называется «урановой серией» или «радиевой серией». Начиная с природного урана-238 , эта серия включает следующие элементы: астат , висмут , свинец , 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 из урана-238 в свинец-206, включая энергию, потерянную для нейтрино , составляет 51,7 МэВ.

Серия актиний [ править ]

Цепь 4n + 3 урана-235 обычно называют «актиниевой серией» или «актиниевым каскадом». Начиная с встречающегося в природе изотопа U-235, этот ряд распадов 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. Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца-207 .

( Более подробный график )

Полная энергия, выделяемая из урана-235 в свинец-207, включая энергию, потерянную для нейтрино , составляет 46,4 МэВ.

См. Также [ править ]

  • Ядерная физика
  • Радиоактивный распад
  • Долина стабильности
  • Продукт распада
  • Радиоизотопы ( радионуклиды )
  • Радиометрическое датирование

Примечания [ править ]

  1. ^ "Архивная копия" . Архивировано 20 сентября 2008 года . Проверено 26 июня 2008 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  2. ^ Кох, Лотар (2000). Трансурановые элементы в Энциклопедии промышленной химии Ульмана . Вайли. DOI : 10.1002 / 14356007.a27_167 .
  3. ^ а б Пеппард, Д. Ф.; Мейсон, GW; Серый, PR; Мех, Дж. Ф. (1952). «Возникновение серии (4n + 1) в природе» (PDF) . Журнал Американского химического общества . 74 (23): 6081–6084. DOI : 10.1021 / ja01143a074 .
  4. ^ Audi, G .; Кондев Ф.Г .; Wang, M .; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 41/3/030001 .
  5. ^ Плюс радий (элемент 88). Хотя на самом деле он является субактинидом, он непосредственно предшествует актинию (89) и следует за трехэлементным промежутком нестабильности после полония (84), где ни один нуклид не имеет периода полураспада не менее четырех лет (самый долгоживущий нуклид в промежутке - радон-222 с периодом полураспада менее четырех суток ). Таким образом, самый долгоживущий изотоп радия - 1600 лет - заслуживает включения в этот список.
  6. ^ В частности, отделения U-235 тепловыми нейтронами , например, в типичном ядерном реакторе .
  7. ^ Milsted, J .; Фридман, AM; Стивенс, CM (1965). «Период полураспада берклия-247; новый долгоживущий изомер берклия-248». Ядерная физика . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M . DOI : 10.1016 / 0029-5582 (65) 90719-4 .
    «Изотопные анализы выявили вид с массой 248 в постоянной численности в трех образцах, проанализированных в течение примерно 10 месяцев. Это было приписано изомеру Bk 248 с периодом полураспада более 9 [лет]. Рост Cf не наблюдался. 248 , и нижний предел для β - периода полураспада может быть установлен на уровне около 10 4 [лет]. Альфа-активность, связанная с новым изомером, не обнаружена; период полураспада альфа, вероятно, превышает 300 [лет] ]. "
  8. ^ Это самый тяжелый нуклид с периодом полураспада не менее четырех лет до " моря нестабильности ".
  9. ^ Исключая " классически стабильные " нуклиды с периодом полураспада, значительно превышающим 232 Th; например, в то время как 113m Cd имеет период полураспада всего четырнадцать лет, период полураспада 113 Cd составляет почти восемь квадриллионов лет.
  10. ^ Тренн, Таддеус Дж. (1978). «Торуран (U-236) как вымерший естественный родитель тория: преждевременная фальсификация существенно правильной теории». Анналы науки . 35 (6): 581–97. DOI : 10.1080 / 00033797800200441 .
  11. ^ а б http://nucleardata.nuclear.lu.se
  12. ^ Thoennessen, М. (2016). Открытие изотопов: полное собрание . Springer. п. 20. DOI : 10.1007 / 978-3-319-31763-2 . ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977 .
  13. ^ Thoennessen, М. (2016). Открытие изотопов: полное собрание . Springer. п. 19. DOI : 10.1007 / 978-3-319-31763-2 . ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977 .

Ссылки [ править ]

  • CM Lederer; JM Hollander; И. Перлман (1968). Таблица изотопов (6-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья .

Внешние ссылки [ править ]

  • Портал ядерной науки Nucleonica
  • Nucleonica's Decay Engine для профессиональных онлайн-расчетов распада
  • EPA - Радиоактивный распад
  • Правительственный веб-сайт со списком изотопов и энергий распада
  • Национальный центр ядерных данных - свободно доступные базы данных, которые можно использовать для проверки или построения цепочек распада
  • МАГАТЭ - Живая диаграмма нуклидов (с цепочками распада)
  • Искатель цепочки распада