Искусственные радиоактивные изотопы, их происхождение и источники поступления в окружающую среду

В 1934 И. Кюри и Ф. Жолио получили искусственным путем радиоактивные изотопы азота (13N), кремния (28Si) и фосфора (30P), отсутствующие в природе. Этими экспериментами они продемонстрировали возможность синтеза новых радиоактивных нуклидов. В последующие годы с помощью ядерныхреакций под действием нейтронов и ускоренных заряженных частиц было синтезировано большое число радиоактивных изотопов известных элементов, а также получено около 20 новых элементов. Известно 276 стабильных изотопов, принадлежащих 81 природному элементу, и около 1500 радиоактивных изотопов, 110 природных и синтезированных элементов.

Анализ соотношений между числами нейтронов и протонов для различных изотопов одного и того же элемента показывает, что ядра стабильных и радиоактивных изотопов, устойчивых по отношению к бета-распаду, содержат на каждый протон не менее одного нейтрона. Исключение из этого правила составляют лишь два нуклида – 1H и 3He. По мере перехода ко все более тяжелым ядрам отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре растет и достигает 1,6 для урана и трансурановых элементов.

Элементы с нечетным Z имеют не более двух стабильных изотопов. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах четное, и, следовательно, массовое число А нечетное. Большинство элементов с четным Z имеет несколько стабильных изотопов, из которых не более двух с нечетным А. Наибольшее число изотопов (10) имеет олово, 9 изотопов – у ксенона, 8 – у кадмия и теллура. Многие элементы имеют 7 изотопов.

Такие широкие вариации в числе стабильных изотопов у различных элементов обусловлены сложной зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По мере изменения числа нейтронов N в ядре с данным числом протонов Z энергия связи ядра и его устойчивость по отношению к различным типам распада меняются. При добавлении нейтронов ядро становится неустойчивым по отношению к испусканию электрона с превращением одного нейтрона в ядре в протон. Поэтому нейтронообогащенные изотопы всех элементов b -активны.

Наоборот, при обеднении нейтронами ядро получает возможность или захватить электрон из оболочки атома, или испустить позитрон. При этом один протон превращается в нейтрон и оптимальное соотношение между числом протонов и нейтронов в ядре восстанавливается. Нейтронообедненные изотопы всех элементов испытывают или электронный захват или позитронный распад. У тяжелых ядер наблюдаются также альфа-распад и самопроизвольное (спонтанное) деление ядер. Получение нейтроноизбыточных изотопов элементов возможно несколькими способами. Один из них – реакция захвата нейтронов ядрами стабильных изотопов. Другой – деление тяжелых ядер под действием нейтронов или заряженных частиц, в результате которого из одного тяжелого ядра с большим относительным содержанием нейтронов образуются два нейтронообогащенных ядра. Нейтронообогащенные изотопы  легких элементов эффективно образуются в реакциях многонуклонного обмена при взаимодействии ускоренных тяжелых ионов с веществом. Синтез нейтроно-дефицитных изотопов осуществляется в ядерных реакциях под действием ускоренных заряженных легких частиц или тяжелых ионов.

Все стабильные изотопы на Земле возникли в результате ядерных процессов, протекавших в отдаленные времена, и их распространенность зависит от свойств ядер и от первоначальных условий, в которых происходили эти процессы. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен. Это объясняется тем, что он не подвергается значительным изменениям в химических и физических процессах, протекающих на Земле.

Однако небольшие колебания в относительной распространенности изотопов все же наблюдаются для легких элементов, у которых различие в массах атомов изотопов относительно велико. Эти колебания обусловлены изменением изотопного состава элементов (фракционированием изотопов), происходящим в результате диффузии, изменения агрегатного состояния вещества, при некоторых химических реакциях и в других процессах, непрерывно протекающих в атмосфере и земной коре. Изменение изотопного состава элементов, интенсивно мигрирующих в биосфере (Н, С, N, О, S), связано и с деятельностью живых организмов.

Для нуклидов, образующихся в результате радиоактивного распада, например для изотопов свинца, различное содержание изотопов в разных образцах обусловлено разным первоначальным содержанием их родоначальников (U или Th) и разным геологическим возрастом образцов.

Единство образования тел Солнечной системы позволяет думать, что изотопный состав элементов земных образцов характерен для всей Солнечной системы в целом (при наличии известных колебаний). Метеоры и глубокие слои земной коры показывают примерно одинаковое отношение 16O/18O. Астрофизические исследования обнаруживают отклонения изотопного состава элементов, составляющих звездное вещество и межзвездную среду, от земного. Например, для углеродных R-звезд отношение 12C/13C изменяется от 4–5 до земного значения.

Возможность примешивать к природным химическим элементам их радиоактивные изотопы позволяет следить за различными химическими и физическими процессами, в которых участвует данный элемент, с помощью детекторов радиоактивных излучений.

Этот метод получил широкое применение в биологии, химии, медицине, а также в технике. Иногда примешивают стабильные изотопы, присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами.

Важной проблемой является выделение отдельных изотопов из их природной или искусственно полученной смеси или обогащение этой смеси каким-либо изотопом.

Радиоактивные изотопы характеризуются массовым числом (сумма нейтронов и протонов ядра), которое записывается слева вверху от знака элемента

В таблице 9 приведены радиоактивные изотопы элементов, используемых для определения абсолютного возраста пород, и продукты их распада.

Таблица 9

Радиоактивные изотопы, время и продукты их распада

Радиоактивный

изотоп

Продукты

распада

Период полураспада, млрд лет

твердые

летучие

238U

206Pb

He

4,51

235U

207Pb

He

0,70

232Th

208Pb

He

13,9

40K

40Ca

40Ar

1,30

87Rb

87Sr

β-частицы

50

147Sm

143Nd

He

106

14C

-

14N

5,730 тыс. лет

Зная количество в граммах нераспавшегося радиоактивного изотопа (А) и количество полученного продукта распада (В), можно вычислить время образования породы (ее возраст) по формуле:

t = B / A K, (6)

где К – коэффициент, показывающий количество радиоактивного изотопа, которое распадается за 1 год.

Таким образом, радиоактивные изотопы, получаемые искусственным путем, широко используются в современной научной практике, в том числе, в геохимии и геологии.