X-PDF

Радиоактивное равновесие

Поделиться статьей

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.

Представленная информация была полезной?
ДА
58.72%
НЕТ
41.28%
Проголосовало: 1066

                                                          (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.

 


Поделиться статьей
Автор статьи
Анастасия
Анастасия
Задать вопрос
Эксперт
Представленная информация была полезной?
ДА
58.72%
НЕТ
41.28%
Проголосовало: 1066

или напишите нам прямо сейчас:

Написать в WhatsApp Написать в Telegram

ОБРАЗЦЫ ВОПРОСОВ ДЛЯ ТУРНИРА ЧГК

Поделиться статьей

Поделиться статьей(Выдержка из Чемпионата Днепропетровской области по «Что? Где? Когда?» среди юношей (09.11.2008) Редакторы: Оксана Балазанова, Александр Чижов) [Указания ведущим:


Поделиться статьей

ЛИТЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ

Поделиться статьей

Поделиться статьейЛитейные дефекты — понятие относительное. Строго говоря, де­фект отливки следует рассматривать лишь как отступление от заданных требований. Например, одни


Поделиться статьей

Введение. Псковская Судная грамота – крупнейший памятник феодального права эпохи феодальной раздробленности на Руси

Поделиться статьей

Поделиться статьей1. Псковская Судная грамота – крупнейший памятник феодального права эпохи феодальной раздробленности на Руси. Специфика периода феодальной раздробленности –


Поделиться статьей

Нравственные проблемы современной биологии

Поделиться статьей

Поделиться статьейЭтические проблемы современной науки являются чрезвычайно актуальными и значимыми. В связи с экспоненциальным ростом той силы, которая попадает в


Поделиться статьей

Семейство Первоцветные — Primulaceae

Поделиться статьей

Поделиться статьейВключает 30 родов, около 1000 видов. Распространение: горные и умеренные области Северного полушария . многие виды произрастают в горах


Поделиться статьей

Вопрос 1. Понятие цены, функции и виды. Порядок ценообразования

Поделиться статьей

Поделиться статьейЦенообразование является важнейшим рычагом экономического управления. Цена как экономическая категория отражает общественно необходимые затраты на производство и реализацию туристского


Поделиться статьей

или напишите нам прямо сейчас:

Написать в WhatsApp Написать в Telegram
Заявка
на расчет