20.13. Естественная радиоактивность

Ядерная химия занимается изучением реакций, при которых происходит изменение атомных ядер. Эта область науки начала развиваться после открытия радиоактивности и опубликования работ Пьера и Марии Кюри о химической природе радиоактивных веществ. Уже через несколько десятилетий (на протяжении которых природная радиоактивность была весьма тщательно изучена) в результате открытия искусственной радиоактивности произошел огромный скачок в развитии этого направления науки.

Теперь ядерная химия превратилась в обширную и важную отрасль науки. Удалось получить лабораторными методами примерно 1000 радиоактивных нуклидов (изотопов), тогда как природных открыто только 272 устойчивых нуклида и 55 неустойчивых (радиоактивных). Использование радиоактивных изотопов в качестве «меченых атомов» стало ценным методом научных исследований, в частности в медицине. Управляемое высвобождение ядерной энергии дало новый важный источник энергии.

После открытия в 1898 г. полония и радия (гл. 3) супруги Кюри установили, что хлорид радия можно отделить от хлорида бария дробным осаждением из водного раствора при добавлении спирта. К 1902 г. М. Кюри получила 0,1 г почти чистого хлорида радия, обладающего радиоактивностью, которая приблизительно в 3 000 000 раз превышала радиоактивность урана. На протяжении нескольких последующих лет было установлено, что природные радиоактивные вещества испускают действующие на фотопластинку лучи трех видов (гл. 3). Эти лучи, называемые альфа-, бета- и гамма-лучами, по-разному ведут себя под влиянием магнитного поля (рис. 3.10). Альфа-лучи представляют собой поток ядер атомов гелия, движущихся с высокими скоростями; бета-лучи — это электроны, также движущиеся с высокими скоростями; гамма-лучи представляют собой фотоны с очень короткими длинами волн.

Рис. 20.6. Ряд урана — радия. Периоды полураспада: секунды (с), минуты (мин), часы (ч), сутки (дни), годы (года, лет).

Вскоре после этого было установлено, что лучи, испускаемые радием и другими радиоактивными элементами, могут подавлять развитие злокачественных опухолей. Эти лучи действуют также на нормальные клетки: при длительном воздействии лучей появляются «радиевые» ожоги; однако чаще всего клетки злокачественных опухолей оказываются более чувствительными к действию излучения, чем здоровые, и в результате соответствующего лечения раковые клетки погибают, а здоровым при этом не наносится серьезного вреда. Радий применяют главным образом в медицине при лечении рака. Примерно с 1950 г. вместо радия (разд. 20.15) широко применяют для этой же цели радиоактивный изотоп кобальт-60 (⁶⁰Co).

Рис. 20.7. Ряд урана — актиния. [Элемент 86 радон обозначен на схеме символом An (от «актинон» — историческое название изотопа $^{219}_{86}\mathrm{Rn}$). — Прим. перев.]

Благодаря работам многих исследователей химия радиоактивных элементов ряда урана и ряда тория была глубоко разработана за первые два десятилетия XX в., а химия ряда нептуния — на протяжении нескольких лет после 1939 г.

Если атомное ядро испускает альфа-частицу (He²⁺), заряд ядра уменьшается на две единицы и, следовательно, исходный элемент превращается в элемент, занимающий в периодической таблице место на две группы левее. Его массовое число (атомная масса) уменьшается на 4, т. е. на массу альфа-частицы. При испускании бета-частицы (электрона) заряд ядра увеличивается на единицу без изменения массового числа (наблюдается лишь весьма незначительное уменьшение атомной массы); в этом случае атом данного радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента, занимающего в периодической системе место на одну группу правее. При испускании гамма-лучей не происходит изменения ни атомного номера, ни атомной массы.

Ядерные реакции в ряду уран — радий приведены на рис. 20.6. Важнейший изотоп урана ²³⁸U составляет 99,28% природного элемента. Период полураспада этого изотопа равен 4,5·10⁹ лет. В результате распада с испусканием альфа-частицы образуется ²³⁴Th. Этот изотоп тория в свою очередь подвергается бета-распаду с образованием ²³⁴Pa, который также в результате бета-распада превращается в ²³⁴U. Затем происходит последовательное испускание пяти альфа-частиц, приводящее к изотопу ²¹⁴Pb, который в конечном счете превращается в устойчивый изотоп свинца ²⁰⁶Pb.

Рис. 20.8. Ряд тория. [Элемент 86 радон обозначен на схеме символом Tn (от «торон» — историческое название изотопа $^{220}_{86}\mathrm{Rn}$). — Прим. перев.]

Ряд урана — актиния, показанный на рис. 20.7, представляет собой аналогичный ряд радиоактивного распада, начинающегося с ²³⁵U, содержащегося в природном уране в количестве 0,71%. Этот ряд превращений, включающий процессы испускания семи альфа-частиц и четырех бета-частиц, приводит к образованию устойчивого изотопа ²⁰⁷Pb.

Третий природный радиоактивный ряд начинается с долгоживущего изотопа тория ²³²Th, который встречается в природе и имеет период полураспада 1,39·10¹⁰ лет (рис. 20.8). Этот ряд превращений заканчивается другим устойчивым изотопом свинца — ²⁰⁸Pb.

Четвертый ряд радиоактивного распада (рис. 20.9) получил свое название по наиболее долгоживущему члену ряда — изотопу ²³⁷Np.

Рис. 20.9. Ряд нептуния. [Элемент 86 радон обозначен на схеме символом Em (от «эманация» — историческое название этого элемента). — Прим. перев.]

Природа радиоактивного распада в каждом из этих четырех рядов — испускание бета-частиц с массой, близкой к нулю, или альфа-частиц с массой 4 — такова, что все члены ряда имеют массовые числа, различающиеся на значения, кратные 4. Эти четыре ряда можно, следовательно, классифицировать следующим образом (n — целое число)*:

ряд 4n — ряд тория

ряд 4n + 1 — ряд нептуния

ряд 4n + 2 — ряд урана — радия

ряд 4n + 3 — ряд урана — актиния

* В природе существует и несколько других радиоактивных изотопов с большими периодами полураспада. Одним из таких изотопов является ⁴⁰K, который, испуская бета-частицу, превращается в ⁴⁰Ar. — Прим. перев.