Физика в быту

При распаде ядер исходного изотопа может возникнуть новый радиоактивный изотоп, который при распаде снова рождает радиоактивный изотоп и так далее. Получается цепочка превращений, в конце которой стоит стабильный изотоп. Все звенья одной цепочки образуют радиоактивное семейство.

Все встречающиеся в природе радиоактивные элементы, начиная с 84-го, принадлежат трём природным семействам. Родоначальником каждого из них является определённый долгоживущий изотоп: торий-232 (всего 232 нуклона, период полураспада 14 млрд лет), уран-238 (238 нуклонов, период полураспада 4,5 млрд лет) и уран-235 (период полураспада 500 млн. лет). Период полураспада родоначальников этих трёх семейств больше или сравним со временем жизни Земли (около 4,5 млрд лет). Эти «патриархи» изначально присутствовали в составе газо-пылевого облака, из которого сформировались Солнце и планеты. А родились они при взрывах сверхновых звёзд первого поколения (наше Солнце – это звезда второго поколения).

Конечные продукты распада трёх природных семейств – стабильные изотопы свинца (так называемый радиогенный свинец-206, 207 и 208). Помимо этих радиогенных изотопов, в земных породах присутствует стабильный «изначальный» свинец-204, не являющийся продуктом радиоактивных превращений. По содержанию радиогенного свинца в урановых рудах определяют возраст Земли (при этом предполагается, что изначально радиогенного свинца не было).

Во всех радиоактивных семействах период полураспада родоначальника гораздо больше, чем у его «потомков». В этих семействах установилось состояние векового равновесия, при котором убыль каждого члена семейства за любой промежуток времени компенсируется «прибылью» за счёт распада его непосредственного «предка». Только атомов родоначальника становится всё меньше и меньше, а конечного радиогенного свинца всё больше и больше. Но пока «патриарх» жив, живы и все его «потомки», причём их количество остаётся неизменным. Такое равновесие сохраняется до тех пор, пока не распадётся всё родоначальное вещество.

В природной урановой руде содержатся целых два радиоактивных семейства со всеми их «потомками»: урана-238 и урана-235, причём львиная доля приходится на уран-238 и его потомков. Урана-235 осталось всего 0,7 %, потому что период его полураспада в шесть с лишним раз меньше возраста Земли.

Более лёгкие естественные радиоактивные изотопы – «бессемейные», после их распада сразу получается стабильное ядро. Среди них особо отметим калий-40 с периодом полураспада около 1,3 млрд лет. Калий – довольно распространённый химический элемент, он входит в состав многих минералов. Доля радиоактивного изотопа в природном калии везде постоянна и равна 0,012 %. Калию в минералах всегда сопутствует рубидий, причём 28 % природного рубидия составляет радиоактивный изотоп рубидий-87 с периодом полураспада 49 млрд лет (почти в 11 раз больше возраста Земли).

В земной коре присутствуют все естественные радиоактивные изотопы. За 4,5 миллиардов лет существования Земли большая часть урана-235 и калия-40 уже распалась, но рубидий-87 сохранился почти полностью, урана-238 распалась только половина и только пятая часть тория-232. Энергия, выделяющаяся при радиоактивных распадах, превращается в конечном счёте в тепло (поэтому образец, содержащий достаточно много радиоактивных изотопов, тёплый на ощупь). Общее количество тепла, произведённого радиоактивными изотопами, выступает как мощный энергетический фактор, способный повышать температуру глубоких недр Земли. 3–4 миллиарда лет назад радиоактивность Земли была гораздо выше и нагревала Землю сильнее.

Виды распадов

Природные образцы руд являются источником всех трёх радиоактивных излучений: α, β и γ. Это потому, что они содержат целые семейства радиоактивных изотопов. Но каждый конкретный изотоп претерпевает определённый тип распада (в немногих случаях возможны два канала распада одного и того же изотопа): для одних изотопов это α-распад, для других – β-распад.

При альфа-распаде ядро «выплёвывает кусок», состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Это и есть альфа частица – очень прочное ядро гелия. Они вылетают из материнских ядер с огромной скоростью, но быстро расходуют свою энергию на ионизацию встречных молекул, «обрастают» электронами и становятся обычными атомами гелия. Альфа-распады элементов в земной коре – это постоянный и единственный поставщик гелия на Земле. Поставки невелики, так что гелий весьма дорогой газ.