Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров
Таковы основные виды превращений ядер.
Закон радиоактивного распада
Атомы радиоактивных элементов не могут «жить» сколь угодно долго. Все они с течением времени претерпевают те или иные превращения. Но если «жизнь» атома ограничена во времени, значит можно говорить об их «времени распада». Ученые заметили, что если для наблюдения взять большое количество радиоактивного вещества, то за единицу времени распадется много атомов. Если же взять небольшое количество — число распадающихся атомов и интенсивность излучения пропорционально уменьшаются. Чем меньше радиоактивного вещества было взято, тем медленнее оно распадалось, но процент распадающихся атомов во всех случаях был одинаков. Этот «постоянный процент» носит название радиоактивной постоянной и обычно обозначается греческой буквой λ (ламбда). Наконец, каждый радиоактивный элемент распадается наполовину, сколько бы его ни было взято, за строго определенное время. Его называют периодом полураспада и обозначают T½[5].
Периоды полураспада известных в настоящее время радиоактивных изотопов различны — от миллионных долей секунды до миллиардов лет. Так, период полураспада одного из изотопов радона равен 3,8 дня, а урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет. Для многих радиоактивных изотопов период полураспада можно измерить непосредственно по уменьшению интенсивности его излучения.
Закон радиоактивного распада, хотя он и не очень сложен, выводится при помощи высшей математики. Однако, правда с меньшей точностью, его можно получить при помощи несложных алгебраических преобразований.
Пусть у нас в какой-то момент есть какое-то количество атомов радиоактивного элемента, равное N0. Тогда по прошествии некоторого времени t у нас останется лишь N1 его атомов. Очевидно, что скорость превращения равна отношению числа распавшихся атомов к величине прошедшего промежутка времени, то есть
(N0 – N1)/t
Скорость же распада, как было найдено учеными, пропорциональна числу атомов радиоактивного элемента, имевшемуся вначале, то есть
(N0 – N1)/t = λN0
В этом уравнении λ — коэффициент пропорциональности, или, как мы уже знаем, доля атомов радиоактивного элемента, претерпевающих превращение в единицу времени. А теперь преобразуем наше уравнение:
N0 – N1 = N0λt;
N1 = N0(1 – λt).
Это и есть основной закон распада (в несколько упрощенном виде), которому подчиняются все радиоактивные элементы.
Здесь N0 — количество атомов радиоактивного элемента, имевшееся в начальный момент времени; N1 — количество атомов, которое осталось по прошествии времени t.
Как же применить наше уравнение для практических целей? Давайте попробуем провести несложный расчет. Только для этого нам необходимо знать, что, как нашли ученые, K — радиоактивная постоянная, характерная для каждого вида радиоактивных атомов, связана с периодом полураспада следующим отношением:
λ = 0,693/T½
Таким образом, зная период полураспада, мы легко можем определить радиоактивную постоянную.
А теперь давайте подсчитаем, сколько радиоактивного изотопа тория 23290Th распалось за все время существования нашей планеты. Примем, что возраст Земли равен 5 миллиардам лет, а период полураспада тория-232, как было установлено, равен 1,39·1010 лет. Для начала находим радиоактивную постоянную:
λ = 0,693/1,39·1010 = 0,5·10–10
Тогда произведение λt равно:
0,5·10–10·5·109 = 0,25,
и, следовательно:
N1 = N0(1 – 0,25) = 0,75N0.
Это значит, что к настоящему времени осталось 75 процентов тория, а 25 процентов распалось за время жизни Земли.
Семейства элементов
Еще в самом начале изучения явлений радиоактивного распада ученые обнаружили интересное явление: радиоактивные элементы в природе обычно встречаются группами. Так, в минералах урана всегда есть радий, а радиоактивный газ радон всегда сопутствует радию. Это навело ученых на мысль, что радиоактивные элементы генетически связаны между собой.
Например, уран, выбрасывая альфа-частицу, превращается в другое радиоактивное вещество, которое ученые назвали уран-икс-1 (UX1). Отделив его от «материнского» элемента урана и тщательно исследовав химические свойства, ученые обнаружили, что уран-икс-1 очень похож на известный элемент торий. Позднее выяснилось, что уран-икс-1 является одним из изотопов тория. Отличие тория и урана-икс-1 заключалось лишь в их разных радиоактивных свойствах. Если период полураспада тория составляет около 1010 лет, то период полураспада урана-икс-1 равен всего 24 дням. Кроме того, торий при радиоактивном превращении выбрасывает из ядра альфа-частицу, а уран-икс-1 — бета-частицу. При этом он переходит в элемент протактиний, точнее — в его изотоп, названный ураном-икс-2 (UX2), период полураспада которого равен всего одной минуте. Уран-икс-2, выбрасывая из ядра последовательно одну бета-частицу и две альфа-частицы, превращается в радий. Тот, в свою очередь, испуская альфа-частицу, переходит в радон и т. д. Цепь последовательных превращений урана оказалась довольно длинной и в конечном итоге заканчивалась стабильным изотопом свинца с массовым числом[6] 206. Таким образом, уран — родоначальник целой серии радиоактивных элементов, которые входят в семейство урана.
Учеными было найдено, что «родоначальниками» аналогичных семейств являются и еще два элемента, существующих в природе. Это торий (Th) с массовым числом 232 и изотоп урана с массовым числом 235, называемый иногда актиноураном (AcU).
Если сравнить существующие в природе радиоактивные семейства друг с другом, обнаруживается любопытная деталь. Оказывается, массовые числа всех изотопов, входящих в семейство тория, без остатка делятся на 4. Следовательно, атомный вес их можно выразить очень простой формулой 4n, где n — целое число. Если же делить на 4 массовые числа изотопов, входящих в состав семейства урана, то во всех случаях в остатке остается число 2, значит массовые числа представителей уранового семейства можно описать формулой 4n + 2. Для семейства актиноурана получаем формулу 4n + 3. Иногда эти семейства так и называют. Например, вместо того чтобы сказать «семейство тория», говорят «семейство 4n», а вместо «семейство урана» говорят «семейство 4n + 2».
Ученым удалось искусственно «создать» в 1940 году семейство 4n + 1, когда был получен элемент нептуний (Np) с зарядом 93 и массовым числом 237. Он и оказался родоначальником семейства 4n + 1.
Искусственная радиоактивность
В 1919 году знаменитый английский ученый Эрнест Резерфорд поставил замечательный опыт. Он обстрелял ядра азота альфа-частицами. Когда он попытался разобраться в результатах эксперимента, то обнаружилась удивительная картина. Оказалось, что, поглощая альфа-частицу, ядро азота, имеющее заряд 7 и массу 14, превращается на какое-то мгновение в ядро с массой 18 и зарядом 9. Но это ядро неустойчиво, оно тут же испускает протон и превращается в ядро с массой 17 и зарядом 8. Согласно же периодической системе заряд ядра, равный 8, имеют лишь атомы кислорода. Следовательно, в результате взаимодействия ядер азота с альфа-частицами получался изотоп кислорода:
147N + 42He → 178O + 11H.
Эту ядерную реакцию можно записать
