Цепочка распада - Decay chain

В области ядерной науки , то цепочка распада относится к серии радиоактивных распадов различных радиоактивных продуктов распада , как последовательный ряд преобразований. Он также известен как «радиоактивный каскад». Большинство радиоизотопов не распадаются непосредственно до стабильного состояния, а скорее претерпевают серию распадов, пока в конечном итоге не будет достигнут 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 до атома его дочернего изотопа, может широко варьироваться не только между разными парами родитель-дочерний элемент, но также случайным образом между идентичными парами родительских и дочерних изотопов. Распад каждого отдельного атома происходит спонтанно, и распад первоначальной популяции идентичных атомов за время t следует экспоненциальному распаду e − λt , где λ называется константой распада . Одним из свойств изотопа является его период полураспада , время, за которое половина исходного числа 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 на последовательных стадиях), но каждая стадия выделяет разное количество энергии. Если и когда равновесие достигнуто, 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 цепи, 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 содержащихся в нем радия и других дочерних изотопов. 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), испускают радон, который может накапливаться в закрытых местах, таких как подвалы или подземные шахты.

Расчет количества с помощью функции Бейтмана для 241 Pu

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

История

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 первичными , что означает, что они были созданы звездными процессами во Вселенной. В то время, когда они были созданы, те, что были нестабильными, сразу же начали распадаться. Все изотопы с периодом полураспада менее 100 миллионов лет были сокращены до2,8 × 10 -12 % или меньше от любых первоначальных количеств, созданных и захваченных аккрецией Земли; сегодня они в незначительном количестве или совсем распались. Есть только два других метода создания изотопов: искусственно , внутри искусственного (или, возможно, природного ) реактора, или через распад 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 их 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) - это бета-распад , при котором нуклид меняет элементную идентичность, сохраняя при этом ту же массу и понижая свое отношение 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 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 (изотопы тяжелее свинца) есть всего 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, которое вообще не меняет атомную массу (только атомный номер и отношение p / n ). 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 цепочки не имеют ответвлений: на диаграмме ниже показано несколько ветвей цепочек, а на самом деле их намного 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 ) до фермия-254 , а затем седьмого альфа - распада до калифорния-250 , после чего он последовал бы. цепочка 4n + 2, как указано в этой статье. Однако самые тяжелые синтезированные сверхтяжелые нуклиды не достигают четырех цепочек распада, потому что они достигают спонтанно делящегося нуклида после нескольких альфа-распадов, завершающих цепочку: это то, что произошло 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, находящуюся 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 до очень близкой к стабильности внизу. 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 прошлом, примерно 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 таблицах ниже начинаются четыре цепочки распада изотопов калифорния с массовыми числами от 249 до 252.

Типы распада

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 испускание 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 ториевым рядом, радиевым или урановым рядом и актиниевым рядом, представляющие три из этих четырех классов и заканчивающиеся 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 , существовали с момента образования Земли, игнорируя искусственные изотопы и их распады с 1940-х годов.

Из-за относительно короткого периода полураспада исходного изотопа нептуний-237 (2,14 миллиона лет) четвертая цепочка, 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. 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 .

Существуют также нетрансурановые цепочки 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 образовалось множество радиоактивных продуктов 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, будучи более стабильными, обычно имеют более длительный период полураспада, пока они, наконец, не станут стабильными.

Цепи альфа-распада актинидов

Актиниды и продукты деления по периоду полураспада
Актиниды по цепочке распада Период полураспада
( а )
Продукты деления из 235 U по доходности
4 п 4 п +1 4 п +2 4 п +3
4,5–7% 0,04–1,25% <0,001%
228 Ра 4–6 а 155 Euþ
244 смƒ 241 Puƒ 250 КФ 227 Ас 10–29 а 90 Sr 85 кр 113м кдþ
232 Uƒ 238 Puƒ 243 смƒ 29–97 а 137 Cs 151 смþ 121 м Sn
248 Bk 249 Cfƒ 242m Amƒ 141–351 а

Никакие продукты деления не
имеют период полураспада
в диапазоне
100–210 тыс. Лет.

241 Amƒ 251 Cfƒ 430–900 а
226 Ra 247 Bk 1,3–1,6 тыс. Лет
240 Pu 229 Чт 246 смƒ 243 Amƒ 4,7–7,4 тыс. Лет назад
245 смƒ 250 см 8,3–8,5 тыс. Лет
239 Puƒ 24,1 тыс. Лет назад
230 Чт 231 Па 32–76 тыс. Лет назад
236 Npƒ 233 Uƒ 234 У 150–250 тыс. Лет назад 99 Tc 126 Sn
248 см 242 Pu 327–375 тыс. Лет назад 79 Se
1,53 млн лет 93 Zr
237 Npƒ 2,1–6,5 млн лет 135 Cs 107 Pd
236 U 247 смƒ 15–24 млн лет 129 I
244 Pu 80 млн лет

... не более 15,7 млн ​​лет

232 Чт 238 У 235 Uƒ№ 0,7–14,1 млрд лет

Легенда для верхнего индекса символов
₡ имеет тепловой захват нейтронов поперечного сечение в диапазоне 8-50 барн
ƒ  делящегося
м  метастабильного изомер
№ прежде всего в природе радиоактивных материалов (NORM)
þ  нейтронных яда (захват тепловых нейтронов поперечного сечения больше , чем 3k барн)
† диапазон 4–97 a: Средноживущий продукт деления
‡ более 200 тыс. Лет назад : Долгоживущий продукт деления

В четырех таблицах ниже не показаны второстепенные ветви распада (с вероятностью ветвления менее 0,0001%). Выделение энергии включает общую 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 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.

Ториевая серия

Цепочка разложения Thorium.svg

Цепь 4n Th-232 обычно называют «ториевым рядом» 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.

нуклид историческое название (краткое) историческое название (длинное) режим распада период полураспада
( a = год)
выделенная энергия, МэВ продукт распада
252 Кф α 2,645 а 6,1181 248 см
248 см α 3,4 × 10 5 а 5,162 244 Pu
244 Pu α 8 × 10 7 а 4,589 240 U
240 U β - 14.1 ч 0,39 240 Нп
240 Нп β - 1.032 ч 2.2 240 Pu
240 Pu α 6561 а 5,1683 236 U
236 U Торуран α 2.3 × 10 7 а 4,494 232 Чт
232 Чт Чт Торий α 1,405 × 10 10 а 4,081 228 Ra
228 Ra MsTh 1 Мезоторий 1 β - 5,75 а 0,046 228 Ас
228 Ас MsTh 2 Мезоторий 2 β - 6,25 ч 2,124 228 Чт
228 Чт RdTh Радиоторий α 1,9116 а 5,520 224 Ra
224 Ra Спасибо Торий X α 3,6319 г 5,789 220 руб.
220 рн Тн Торон,
Ториевое излучение
α 55,6 с 6,404 216 Po
216 Po ThA Торий А α 0,145 с 6,906 212 Пб
212 Пб ThB Торий B β - 10,64 ч 0,570 212 Би
212 Би ThC Торий С β - 64,06%
α 35,94%
60,55 мин. 2,252
6,208
212 Po
208 Tl
212 По ThC ′ Торий C ′ α 299 нс 8,784 208 Пб
208 тл ThC ″ Торий C ″ β - 3,053 мин. 1,803 208 Пб
208 Пб ThD Торий D стабильный . . .

Нептуниум серии

Цепочка распада (4n + 1, серия Нептуний) .svg

Цепь 4n + 1 из 237 Np обычно называют «нептуниевым рядом» или «нептуниевым каскадом». В этой серии только два из участвующих 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 и происходят из следовых количеств 237 Np, образующихся в результате реакции (n, 2n) нокаута в первичном 238 U. Детектор дыма, содержащий ионизационную камеру америция-241, накапливает значительное количество нептуния - 237, когда его америций распадается; следующие элементы также присутствуют в нем, по крайней мере временно, как продукты 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 годах, ее нуклиды не имеют исторических названий. Уникальной чертой этой цепочки распада является то, что благородный газ радон образуется только в редкой ветви (не показано на рисунке), но не в основной последовательности распада; таким образом, радон из этой цепочки распада не мигрирует через породу почти так же, как из других трех. Еще одна уникальная черта этой последовательности распада заключается в том, что она заканчивается таллием, а не свинцом. Эта серия заканчивается стабильным изотопом таллий-205.

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

нуклид режим распада период полураспада
( a = год)
выделенная энергия, МэВ продукт распада
249 Кф α 351 а 5,813 + 0,388 245 см
245 см α 8500 а 5,362 + 0,175 241 Pu
241 Pu β - 14,4 а 0,021 241 утра
241 утра α 432,7 года 5,638 237 нп
237 нп α 2,14 · 10 6 а 4,959 233 Па
233 Па β - 27.0 дн. 0,571 233 U
233 U α 1,592 · 10 5 а 4,909 229 Чт
229 Чт α 7340 а 5,168 225 Ра
225 Ра β - 14,9 г 0,36 225 АС
225 АС α 10.0 дн. 5,935 221 пт
221 пт α 99,9952%
β - 0,0048%
4,8 мин 6,3
0,314
217 At
221 Ra
221 Ra α 28 с 6.9 217 р- н
217 В α 99,992%
β - 0,008%
32 мс 7,0
0,737
213 Би
217 Рн
217 р- н α 540 мкс 7.9 213 Po
213 Би β - 97,80%
α 2,20%
46,5 мин. 1,423
5,87
213 Po
209 Tl
213 Po α 3,72 мкс 8,536 209 Пб
209 тл β - 2,2 мин 3,99 209 Пб
209 Пб β - 3,25 ч 0,644 209 Би
209 Би α 1,9 · 10 19 а 3,137 205 Тл
205 Тл . стабильный . .

Урановая серия

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 ураном-238 в свинец-206, включая энергию, потерянную для нейтрино , составляет 51,7 МэВ.

родительский нуклид историческое название (краткое) историческое название (длинное) режим распада период полураспада
( a = год)
выделенная энергия, МэВ продукт распада
250 КФ α 13.08 г. 6,12844 246 см
246 см α 4800 а 5,47513 242 Pu
242 Pu α 3,8 · 10 5 а 4,98453 238 U
238 U U I Уран I α 4,468 · 10 9 а 4,26975 234 Чт
234 Чт UX 1 Уран X 1 β - 24.10 дн. 0,273088 234 млн Па
234 млн Па UX 2 , Bv Уран X 2 , Бревиум ИТ , 0,16%
β - , 99,84%
1,159 мин 0,07392
2,268205
234 Па
234 U
234 Па UZ Уран Z β - 6,70 ч 2,194285 234 U
234 U U II Уран II α 2,45 · 10 5 а 4,8698 230 Чт
230 Чт Ио Ионий α 7,54 · 10 4 а 4,76975 226 Ra
226 Ra Ра Радий α 1600 а 4,87062 222 р- н
222 р- н Rn Радон, излучение радия α 3,8235 г 5,59031 218 По
218 По RaA Радий А α , 99,980%
β - , 0,020%
3,098 мин 6,11468
0,259913
214 Пб
218 Ат
218 В α , 99,9%
β - , 0,1%
1,5 с 6,874
2,881314
214 Би
218 Рн
218 р- н α 35 мс 7,26254 214 По
214 Пб RaB Радий B β - 26,8 мин. 1.019237 214 Би
214 Би RaC Радий C β - , 99,979%
α , 0,021%
19,9 мин. 3,269857
5,62119
214 По
210 Тл
214 По RaC ' Радий C ' α 164,3 мкс 7,83346 210 Pb
210 тл RaC " Радий C " β - 1,3 мин 5,48213 210 Pb
210 Pb RaD Радий D β - , 100%
α , 1,9 · 10 −6 %
22.20 а 0,063487
3,7923
210 Bi
206 Hg
210 Би RaE Радий E β - , 100%
α , 1,32 · 10 −4 %
5.012 дней 1,161234
5,03647
210 Po
206 Tl
210 По RaF Радий F α 138,376 г 5,03647 206 Пб
206 рт. β - 8,32 мин 1,307649 206 тл
206 тл RaE Радий E β - 4,202 мин. 1,5322211 206 Пб
206 Пб RaG Радий G стабильный - - -

Актиниум серии

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 .

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

нуклид историческое название (краткое) историческое название (длинное) режим распада период полураспада
( a = год)
выделенная энергия, МэВ продукт распада
251 КФ α 900,6 а 6,176 247 см
247 см α 1,56 · 10 7 а 5,353 243 Pu
243 Pu β - 4.95556 ч 0,579 243 утра
243 утра α 7388 а 5,439 239 нп
239 нп β - 2,3565 г 0,723 239 Pu
239 Pu α 2,41 · 10 4 а 5,244 235 U
235 U AcU Актин уран α 7,04 · 10 8 а 4,678 231 Чт
231 Чт UY Уран Y β - 25,52 ч 0,391 231 Па
231 Па Па Протактиний α 32760 а 5,150 227 Ас
227 Ас Ac Актиний β - 98,62%
α 1,38%
21,772 года 0,045
5,042
227 Чт
223 Пт
227 Чт RdAc Радиоактиний α 18,68 г 6,147 223 Ra
223 пт AcK Актиний К β - 99,994%
α 0,006%
22.00 мин. 1,149
5,340
223 Ra
219 At
223 Ra AcX Актиний X α 11,43 г 5,979 219 р- н
219 В α 97,00%
β - 3,00%
56 с 6,275
1,700
215 Би
219 Рн
219 р- н An Актинон,
эманация актиния
α 3,96 с 6,946 215 По
215 Би β - 7,6 мин. 2,250 215 Po
215 Po AcA Актиний А α 99,99977%
β - 0,00023%
1,781 мс 7,527
0,715
211 Пб
215 Ат
215 В α 0,1 мс 8,178 211 Би
211 Пб AcB Актиний B β - 36,1 мин. 1,367 211 Би
211 Би AcC Актиний С α 99,724%
β - 0,276%
2,14 мин 6,751
0,575
207 Tl
211 Po
211 Po AcC ' Актиний C ' α 516 мс 7,595 207 Пб
207 тл AcC " Актиний C " β - 4,77 мин 1,418 207 Пб
207 Пб AcD Актиний D . стабильный . .

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

Внешние ссылки