Элементы, расположенные в конце периодической системы (после висмута), не имеют стабильных изотопов. Подвергаясь радиоактивному распаду, они превращаются в другие элементы. Если вновь образовавшийся элемент радиоактивен, он тоже распадется, превращаясь в третий элемент, и так далее до тем пор, пока не получаются атомы устойчивого изотопа. Ряд элементов, образующихся подобным образом один из другого, называется радиоактивным рядом. Примером может служить приводимый ниже ряд урана — последовательность продуктов превращения изотопа 238U, составляющего преобладающую часть природного урана; для каждого превращения указан тип радиоактивного распада (над стрелкой) и период полураспада (под стрелкой):
Таким образом, конечным продуктом распада является устойчивый изотоп свинца.
При β-распаде массовое число изотопа не меняется, а при α-распаде уменьшается на 4. Поэтому возможно существование четырех радиоактивных рядов: один из них включает изотопы, массовые числа которых выражаются общей формулой 4n (n — цвелое число), второму отвечает общая формула массового числа 4n + 1, третьему - 4n + 2 (это и есть радиоактивный ряд урана) и четвертому - 4n + 3.
105
Действительно, помимо ряда урана, известны еще два естественных радиоактивных ряда: ряд тория, начинающийся с изотопа Th и соответствующий общей формуле массового числа 4n, и ряд актиния, начинающийся с изотопа U («актиноуран») и отвечающий общей формуле массового числа 4n + 3. Устойчивые продукты превращений в этих рядах тоже представляют собой изотопы свинца (Pb и Pb). Родоначальником четвертого радиоактивного ряда (ряда нептуния) с общей формулой массового числа 4n + 1 служит изотоп искусственно полученного элемента нептуния Np; здесь конечным продуктом распада является устойчивый изотоп висмута Bi.
Накопление свинца в результате распада содержащихся в минералах радиоактивных элементов позволяет определить возраст соответствующих горных пород. Зная скорость распада U,Th и U и определив их содержание, а также содержание и изотопный состав свинца в минерале, можно вычислить возраст минерала, т.е. время, прошедшее с момента его образования (так называемый свинцовый метод определения возраста). Для минералов с плотной кристаллической упаковкой, хорошо сохраняющей содержащиеся в кристаллах газы, возраст радиоактивного минерала можно установить по количеству гения накопившегося в нем в результате радиоактивных превращений (гелиевый метод). Для определения возраста сравнительно молодых образований (до 70 тыс. лет) применяется радиоуглеродный метод, основанный на радиоактивном распаде изотопа углерода C (период полураспада около 5600) лет). Этот изотоп образуется в атмосфере под действием космического излучения и усваивается организмами, после гибели которых его содержание убывает по закону радиоактивного распада. Возраст органических остатков (ископаемые организмы, торф, осадочные карбонатные породы) может быть определен путем сравнения радиоактивности содержащегося в них углерода с радиоактивностью углерода атмосферы.
В 1934 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что некоторые легкие элементы — бор, магний, алюминий — при бомбардировке их α-частицами испускают позитроны. Они же установили, что если убрать источник α-частиц, то испускание позитронов прекращается не сразу, а продолжается еще некоторое время. Это значит, что при бомбардировке α-частицами образуются какие-то радиоактивные атомы, обладающие определенной продолжительностью жизни, но испускающие не α-частицы и не электроны, а позитроны. Таким образом была открыта искусственная радиоактивность.
Наблюдавшиеся явления Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри объяснили тем, что под влиянием бомбардировки ядре α-частицами сперва образуются новые неустойчивые ядра которые затем распадаются с испусканием позитронов. Например, в случае алюминия процесс протекает в две стадии
P — искусственно полученный изотоп фосфора — радиофосфор.
106
Последний неустойчив (период полураспада 3 мин 15 с) и распадается с образованием устойчивого ядра:
Аналогичные процессы происходят при бомбардировке α-частицами ядер бора и магния, причем в первом случае получается радиоазот N с периодом полураспада 14 мин, во втором — радиокремний Si с периодом полураспада 3 мин 30 с.
Результаты, полученные Ирен Кюри и Фредериком Фолио-Кюри, открыли новую обширную область для исследований.
В настоящее время искусственно получены сотни радиоактивных изотопов химических элементов. Раздел химии, изучающий радиоактивные элементы и их поведение, называется радиохимией*.
* Следует различать радиохимию и радиационную химию, предметом которой являются химические процессы, протекающие под действием ионизирующих излучений.
Получение изотопа P путем бомбардировки атомов алюминия α-частицами служит примером ядерных реакций, под которыми понимают взаимодействие ядер с элементарными частицами (нейтронами n, протонами p, γ-фотонами) или с другими ядрами (например, с α-частицами или дейтронами H). Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена в 1919 г. Резерфордом. Воздействуя на атомы потоком α-частиц, ему удалось осуществить следующий процесс: