Естественные радиоактивные ряды
В природе существуют три ряда (семейства) радиоактивных веществ: ряд урана-238, ряд тория-232 и ряд урана-235. В каждом ряду с течением времени ядра атомов претерпевают последовательные радиоактивные распады, испуская на каждой ступени либо a-, либо b-частицы (с сопровождающим g-излучением или без него) и превращаясь в атомы других химических элементов. Испускание a-частицы, представляющей собой ядро гелия (комплекс из двух протонов и двух нейтронов), уменьшает число частиц в ядре (массовое число А) на четыре и число положительно заряженных частиц в ядре (атомный номер Z)на две. Испускание b-частицы оставляет общее число частиц в ядре неизменным, но атомный номер возрастает на единицу, так как этот процесс представляет собой, в сущности, превращение нейтрона в протон и электрон, причем последний вылетает из ядра. Поскольку химическая природа атома определяется атомным номером, то при испускании частицы он превращается в атом соседнего элемента.
Существование в природе этих трех рядов определяется наличием в каждом случае родоначального элемента, период полураспада которого сравним с возрастом Земли (~4´109 лет). В ряду урана-238 родоначальником является изотоп урана с массовым числом 238 (238U) и периодом полураспада 4,51´109 лет . уран 235U, имеющий период полураспада 7,13´108 лет, служит родоначальником своего ряда, торий (232Th) с периодом полураспада 1,39´1010 лет является исходным элементом в ториевом ряду. Стабильными конечными продуктами в каждом ряду превращений являются изотопы свинца, соответственно 206РЬ, 207РЬ и 208РЬ.
В каждом из трех рядов встречаются изотопы элемента с Z =86 (благородного газа радона). Эти изотопы распадаются в так называемые “радиоактивные осадки” соответственно тория, радия и актиния, которые состоят из последовательных короткоживущих дочерних продуктов. Здесь не учитываются продукты, получающиеся в результате распада по слабой ветви. В частности, атомы ближайшего дочернего продукта распада радона (216Po, 218Po и 219Po) оказываются ионизированными, несут положительный заряд и поэтому могут быть собраны на отрицательно заряженный проводник (коллектор), введенный в газ вблизи радиоактивного источника. Это позволяет по распаду этого изотопа построить полную последовательность распада радиоактивного осадка . но, конечно, при указанном способе собирания ионов на коллектор попадет также некоторая часть дальнейших продуктов распада.
В каждом радиоактивном семействе имеется долгоживущий член, который можно посредством соответствующей химической обработки перевести в форму, удобную для получения радиоактивных осадков. Обычно для этой цели используются Тh228, Rа226 и Ас227. Они обычно находятся в закрытых металлических сосудах, в которые могут быть введены металлические проволочки, пластинки или диски, находящиеся под отрицательным потенциалом, для отбора активного осадка. Для получения значительных активностей коллектор должен выдерживаться в сосуде в течение времени, большого по сравнению с периодом полураспада наиболее долгоживущего компонента осадка.
Отметим (см. табл. 1 и 3), что периоды полураспада 215Po и 216Po столь малы, что за время, затрачиваемое на удаление коллектора из сосуда, эти продукты почти полностью распадаются . в результате активный осадок, по существу, содержит лишь смесь продуктов их дальнейшего распада в переходном равновесии (см. далее). В случае радия (см. табл. 2) уже через полчаса количество 218Po становится пренебрежимо малым. Затем этот активный осадок, в отличие от двух других, распадается последовательно на три долгоживущих вещества 210Pb, 210Bi и 210Po, активность которых составляет лишь ~ 3´10-6 от активности первоначального осадка. В конце концов все эти вещества ряда исчезают с периодом 210Pb, а именно около 20 лет.
Из сказанного выше и из приводимых далее схем распада (рис. 2 — 3) можно видеть, что массовые числа членов любого семейства изменяются только при испускании a-частицы. Они могут быть представлены выражением (4 n + 2) для ряда 238U, (4 n +3) – для ряда 235U и (4 n) – для ряда тория, где n – целое число. Ряд (4 n + 1) в естественных условиях не встречается. Он был получен искусственно и назван рядом нептуния по имени наиболее долгоживущего его члена – Nр237, который, между прочим, не является родоначальником этого ряда. Период, полураспада нептуния 2,2´106 лет, что значительно меньше, чем у родоначальников других рядов . по-видимому, этот ряд когда-то существовал на Земле, но в настоящее время практически полностью распался. Эта точка зрения подтверждается обнаружением одного из более ранних членов ряда (4 n + 1) в уранините в концентрации 10-12. Стабильным конечным продуктом в этом семействе является не свинец, а изотоп висмута (Bi209).
Радиоактивное равновесие
Когда короткоживущий дочерний продукт образуется из долгоживущего материнского вещества, возникает радиоактивное равновесие. Если материнское вещество живет очень долго по сравнению с дочерним, равновесие достигается, когда число атомов дочернего вещества, распадающихся в секунду, равно числу атомов того же вещества, образующихся в секунду из его материнского вещества.
Для упрощения рассуждений рассмотрим превращение радия в радон. Их постоянные распада соответственно равны l 1= 1,357´10-11с -1и l2=2,097´10-6с— 1. Пусть N 0 – начальное число атомов радия в образце, причем в этот момент радон совершенно отсутствует. Пусть в последующий момент времени t имеется N 1 атомов радия. Тогда
(1)
Число атомов радона, образующихся каждую секунду, равно числу распадающихся атомов радия минус число распадающихся за то же время атомов радона, т. е.
(2)
где N 2 – число атомов радона, присутствующих в момент t, или
(3)
Решая это уравнение, находим:
. (4)
Поскольку l 1 – весьма малая величина, так что даже спустя 107 секунд (приблизительно 4 месяца) l 1t будет порядка 10-4, то 
мало отличается от единицы, т.е. количество радия остается по существу постоянным, как это следует из большого периода его полураспада (~1600 лет). В таком случае (4) имеет вид:
, (5)
где 
. Оно описывает рост числа атомов радона со временем . соответственно активность радона выражается как
l 2N 2, или l 2С (1 – 
). (6)
Можно видеть, что по истечении приблизительно двух месяцев 
становится очень малой величиной, так что N 2приближается к постоянной С. Таким образом, активность радона становится почти постоянной, равной l 2С, и он распадается с периодом своего долгоживущего материнского вещества. Говорят, что радон в этом случае находится в вековом равновесии с радием.
На рис. 1 показано возрастание количества радона в соответствии с уравнением (6) за время, равное шести периодам полураспада т. е. в течение 22,95 дня.
