Радиоактивность, стабильные и нестабильные ядра

В обширной специализированной научной литературе нет единого, однозначного и исчерпывающего определения понятий «радиоактивность», «радионуклид» и «стабильный изотоп». Мы также, по мере изложения, уточняли понятие радиоактивности и вводили параметры, характеризующие процесс радиоактивного распада. Термин «радиоактивность» был введен М. Кюри, но на протяжении всей своей жизни М. Кюри использовала термин «радиоактивные атомы» и не использовала терминов «радиоактивные ядра» или «радионуклиды».

В предыдущих параграфах мы видели, что атомные ядра можно разбить на две группы: нуклоностабильные и нуклононестабильные. В нуклононестабильных ядрах превращения будут происходить обязательно, до тех пор пока они не станут хотя бы нуклоностабильными. Нуклононестабильные ядра не представляют интереса для радиоэкологии и по этой причине мы о них просто «забудем».

Анализируя ядерные превращения, можно делать упор на два разных аспекта:

• 1) на то, что мы имеем превращение одного элемента в другой;
• 2) на то, что мы имеем дело с переходом нестабильного ядра в более стабильное.

Именно с таким своеобразным дуализмом мы и сталкиваемся в научной литературе, связанной с радиоактивностью. Если мы обратимся к Физической Энциклопедии, то обнаруживаем, что радиоактивность (от лат. radio — излучаю и activus — действенный, деятельный) определяется как свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд Z, массовое число А) путем испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Таким образом, здесь четко выражен первый аспект. Радиоактивный распад будет происходить, если данное превращение энергетически выгодно, т. е. если разность между массой исходного ядра и суммарной массой продуктов распада положительна.

В некоторых других энциклопедиях делается упор на большую или меньшую стабильность ядер и основное внимание уделяется тому, что нестабильные ядра спонтанно превращаются в более стабильные. В этом случае составы материнского или дочернего ядер не играют решающей роли, а превращения могут происходить посредством испускания как определенных частиц, так и квантов электромагнитного излучения.

В радиоэкологии, как и в радиобиологии и радиационной медицине, химическое состояние нуклида перед распадом играет существенную роль, так как оно определяет миграцию радионуклидов в экосистемах, биологических тканях и в организме в целом. Ионизационный эффект, вызывающий медицинские, биологические и экологические последствия, определяется полной энергией испускаемых ионизирующих излучений, а не какой-то их части.

Для этих наук более подходит определение явления радиоактивности, делающее акцент на превращении одного химического элемента в другой: «Радиоактивность» — это самопроизвольное превращение изотопов одного элемента в изотопы другого, происходящее путем испускания элементарных частиц или ядер. Превращения могут происходить как из основного, так и из метастабильного состояния материнского нуклида за время Г_½ > 10^-7 с, существенно превышающее время жизни возбужденного составного ядра в ядерных реакциях, происходящих за счет сильных взаимодействий^[1].

Проблемы возникают и при попытке дать определения терминам «стабильные нуклиды» и радионуклиды. Нижнюю временную границу для периода полураспада определить несложно. Поскольку в поле нашего рассмотрения находятся только нуклоностабильные ядра, то самые быстрые превращения радионуклидов, представляющих интерес для радиоэкологии, происходят за счет электромагнитных взаимодействий и характеризуются Т_½ —10^—7 с. В прикладной ядерной физике довольно широкое распространение нашло формальное деление радионуклидов на короткоживущие и долгоживущие. К короткоживущим относят, например радионуклиды с периодом полураспада Т/₂ < Ю сут. Самым существенным оказывается ^Ш1 с Г_½ —8,02 дня.

При попытке определить верхнюю временную границу для периода полураспада и отделить, таким образом, стабильные нуклиды от радионуклидов сразу же возникают трудности и сделать это однозначно практически невозможно. Более того, содержание в Земле ²³²Th и ²³⁸U больше, чем многих стабильных элементов. Не очень продуктивным является и утверждение, что радионуклидами являются те нуклиды, для которых известен период полураспада. Дело в том, что в этом случае многое определяется экспериментальными подходами, которые постоянно совершенствуются, и ассигнованиями для проведения того или иного эксперимента. Если речь идет об а-распаде, то, например, измерить уже Т_½ — 5−10¹⁶ лет очень трудно. Также очень сложно наблюдать радиоактивность, обусловленную испусканием ¹²С, ¹⁴С или ¹⁶0.

Радионуклиды с периодами полураспада порядка времени существования Солнечной системы или больше были образованы тогда (а частично и до того), как возникло вещество, из которого сформировалась Солнечная система. Они являются основным источником естественного радиационного фона и получили название примордиальных¹. Их делят на радионуклиды, образующие радиоактивные семейства (семейства ²³²Th, ²³⁵U и ²³⁸U), и отдельно встречающиеся радионуклиды. В табл. 2.2 приведены отдельно встречающиеся примордиальные радионуклиды, распадающиеся за счет а-распада, (3″ -распада или ЭЗ. Из таблицы следует, что они могут представлять собой значительную долю атомов данного элемента.

Среди радиоактивных превращений, для обнаружения которых нужна особо чувствительная аппаратура, отметим двойной (3-распад. Энергетически этот процесс оказывается возможным для пары изобар, отличающихся по заряду на две единицы. Явление двойного (3-распада может быть существенным только в тех случаях, когда атом с промежуточным значением Z тяжелее обоих ближайших к нему изобар (см. рис. 2.10). Для того чтобы ядро^Dy превратилось в ядро^Gd, должны быть испущены четыре частицы — две (3±частицы и два нейтрино (разность масс атомов должна превышать 4 т в данном случае) или произойти двойной электронный захват.

Такие превращения очень мало вероятны, и для^Dy встречается только нижняя оценка периода полураспада — Г_½ ~1,0−10¹⁸ лет. Там, где он действительно был измерен, период полураспада ядер, испытывающих двойной Р-распад, оказался чрезвычайно велик (см. приложении 2, в которой приведены 17 примордиальных радионуклидов, распадающихся за счет двойного Р-распада).

Таблица 2.2

Дошедшие до нашего времени отдельно встречающиеся примордиальные радионуклиды, распадающиеся за счет а-распада, (Т-распада или ЭЗ.

¹ Primordial — изначальный, исконный. Радионуклидов естественного происхождения много. Например, изотопы радия, радона или полония — основные дозообразующие радионуклиды для человека, но они являются дочерними примордиальных. Во многих случаях это различие полезно иметь в виду.

Окончание табл. 2.2

Когда мы говорим о радиоактивности окружающей нас среды, то к перечисленным в табл. 2.2 и прил. 2 радионуклидам мы должны добавить еще космогенные радионуклиды и возникающие при распадах ²³²Th, ²³⁵U и ²³⁸U, но не являющиеся примордиальными радионуклидами. Из них самыми редко встречающимися элементами являются астат и франций. Однако, содержание их достаточно точно известно. Действительно, если принять содержание урана в земной коре равным 10¹⁴ т, ему сопутствует —43 кг франция (в основном ²|^Fr от распада ²³⁵U) и всего —22 г астата (в основном ²gf At от распада ²³⁸U).

Таким образом, «благодаря» явлению радиоактивности мы оказываемся в состоянии при полной массе земной коры —2,8−10²⁵ г определить в ней присутствие редкого химического элемента — астата в количестве всего —22 г, причем с относительной погрешностью, зависящей, в основном, от точности определения содержания ²³⁵U и ²³⁸U. На этом пути удалось обнаружить наличие в земной коре еще одного примордиального элемента — плутония. Речь идет об изотопе ²⁴⁴Ри, который концентрируется в редкоземельном минерале бастнезите. Содержание его в земной коре оценивается величиной порядка нескольких грамм.

Сколько же химических элементов естественного происхождения находится в окружающей нас природной среде? Самыми тяжелыми стабильными элементами являются свинец ₈₂РЬ и висмут ₈₃Bi. Два более легких химических элемента — технеций — ₄₃Тс и прометий — ₆₁Рт не содержат стабильных изотопов. Таким образом, имеется 81 стабильный химический элемент.

Оказывается, что 23 элемента моноизотопны. Рекордсменом по числу стабильных изотопов является олово, у которого их 10. Мы с большой степенью достоверности можем сказать, что в окружающей нас среде находится 268 стабильных изотопов, из которых 157 являются четночетными. Нечетно-нечетных изотопов четыре и все они находятся в начале периодической системы: ²Н, ⁶Li, ¹⁰В и ¹⁴N. Четно-нечетных стабильных нуклидов 54, а нечетно-четных — 52^[2].

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что собой представляет явление радиоактивности? Что такое нуклоностабильные ядра?
• 2. Перечислите первые четыре радиоактивных элемента (и их изотопы), открытые человеком.
• 3. Когда и как в научную литературу вошли понятия а-, (3- и у-лучей? Что они собой представляют?
• 4. Когда и кто разработал основы теории строения атома?
• 5. Когда и кто открыл нейтроны и разработал протон-нейтронную модель строения атомных ядер?
• 6. Что такое изотопы, изотоны и изобары?
• 7. Что такое электронвольт? Как он связан с джоулем?
• 8. Как выразить массу протона в килограммах, атомных единицах массы и электронвольтах?
• 9. Что такое энергия связи? Каким образом, используя классические представления, можно записать энергию связи ядра?
• 10. Из чего следует возможность получения энергии при синтезе легких ядер и делении тяжелых. Назовите характерные величины.
• 11. Что такое четно-четные и нечетно-нечетные ядра? Сколько в окружающей нас среде находится стабильных изотопов?
• 12. Как математически выразить закон радиоактивного распада? С чем связана стохастичность этого процесса?
• 13. Что такое постоянная распада? Каков период полураспада данного радионуклида?
• 14. Что такое активность? Назовите единицы ее измерения.
• 15. Что такое подвижное и вековое равновесия?
• 16. Что такое а-распад? Каковы характерные энергии а-частиц?
• 17. Что такое (3-распад и электронный захват. Каковы характерные энергии (3-частиц?
• 18. Что такое у-излучение? Каковы характерные энергии у-квантов?
• 19. Какие стабильные элементы являются наиболее тяжелыми? Какие два существенно более легких химических элемента не содержат стабильных изотопов?

• [1] Как и следовало ожидать, в этом случае происходит естественное размежеваниемежду нуклоностабильными и нуклононестабильными ядрами.
• [2] 268-й нуклид — это водород — ]Н, который стоит особняком при такой классификации.