Радиоактивни низови
Радиоактивни низови, су скупови природних радионуклида који настају једни из других сукцесијом радиоактивних распада. Чланови низа су међусобно повезани својим пореклом јер настају једни од других, а сви имају заједничког родоначелника – почетни радионуклид. Почетни радионуклид у низу има најдужи период полураспада и највећу масу а последњи чланови низа су стабилни радионуклиди. Већина природних радионуклида који постоје на Земљи (редног број З>82) се групишу у три радиоактивна низа. То су уранов, актинијумов и торијумов низ. Родоначелници низова (радиоизотопи урана и торијума) имају екстремно дуге периоде полураспада који су неколико редова величине дужи од периода полураспада њихових дугоживећих потомака. То често има за последицу успостављање секуларне радиоактивне равнотеже у низовима при којој је активност сваког потомка једнака активности родоначелника низа. За сваки низ је карактеристична појава гранање низа која настаје услед тога што неки радионуклиди имају двоструку могућност распада са одговарајућом вероватноћом (алфа-распад и бета-распад), при чему потомак може да настане помоћу два канала распада. Друга заједничка карактеристика радиоактивних низова је присуство изотопа инертног гаса радона који у већој или мањој мери еманира из смеше у којој се генерише.
Историјат
[уреди | уреди извор]Радиоактивни изотопи који природно постоје на Земљи могу се поделити у две групе:примордијални (првобитни)икосмогени који су настали као резултат интеракције космичких зрака са материјом. Прву групу чине дугоживећи изотопи, који потичу још из времена настанка Сунчевог система. Најважнији изотопи ове групе свакако су У-238, У-235, Тх-232 и К-40. Примордијални радионуклиди иначе представљају најзначајнији извор јонизујућег зрачења у животној средини. Радионуклиди са периодом полураспада упоредивим са старошћу Земље и њихови продукти распада су заступљени у материјалима у животној средини (стенама, земљишту, води, људском телу[1]. Другу групу чине радиоактивни изотопи који се стално производе. То су потомци распада дугоживећих изотопа из прве групе, као што су рецимо радијум (Ра-226) и радон (Рн-222) и изотопи који настају у различитим нуклеарним реакцијама које се одвијају у атмосфери од којих су најпознатији трицијум (Х-3) и радиоактивни угљеник (C-14)[2]. До открића радиоактивних низова дошло је тек након открића чувеног радијума Марије Кири[3]. Мерења су показала да је период полураспада радијума 1600 година. С обзиром на то да се старост Земље процењује на неколико милиона година, оичгледно је да би све колиичне радијума на Земљи већ одавно ишчезле да се у природи стално не стварају атоми радијума. Чињеница да се радијум налази у урановим рудама навела је на закључак да радиоактивни распад урана доводи до образовања атома радијума[4]
Низови
[уреди | уреди извор]Радиоактивни низови носе назив по својим родоначелницима: уранов, актинијумов, торијумов и нептунијумов. На Земљи постоје продукти само прва три радиоактивна низа: урановог, актинијумовог и торијумовог, јер су се сви чланови нептунијумовог низа одавно распали због релативно краткога периода полураспада. Периоди полураспада У-238, У-235 и Тх-232 су 4.5 милијарди година, 700 милиона година и 14 милијарди година респективно. Сва три изотопа су алфа радиоактивни. Потомци ових изотопа су такође нестабилни па се распадају, стварајући нова лакша, такође нестабилна језгра, све док се не постигне конфигурација стабилних изотопа олова, са којима се низови завршавају.
Пошто се природном радиоактивношћу масени број може променити само за 4, ови радионуклиди могу се сврстати у четири низа са масеним бројевима А који задовољавају релацију: А = 4н + к, гдје је н природан број, а к = 0, 1, 2, 3.
| Низ | Родоначелник (први члан) | Период полураспада родоначелника (година) |
|---|---|---|
| Уранов | У-238 | 4,47·109 |
| Актинијумов | У-235 | 7,04·108 |
| Торијумов | Тх-232 | 1,41·1010 |
| Нептунијумов | Нп-237 | 2,14·106 |
Уранов низ
[уреди | уреди извор].svg)
"Родоначелник" урановог низа је изотоп урана У-238. После низа алфа и бета распада, на крају се добија стабилни изотоп олова Пб-206. Интересантно је да се атомска маса сваког изотопа овог низа може написати у облику 4н+2, где је н природан број. Због тога се овај природни радиоактивни низ често и назива "4н+2" низ. Изотоп урана са масеним бројем 238 емитује алфа-честице са временом полураспада од 4,5 милијарде година. Према томе, од тренутка настанка Земље уран се распао веома мало. Алфа-распад У-238 доводи до образовања новог јзгра, са редним бројем 90 и масеним бројем 234, тј. изотопа Тх-234 који је радиоактиван и распада се бета-распадом чиме се ствара, изотоп протактинијума са масеним бројем 234 (Па-243). Овај изотоп је такодје радиоактиван. На тај наичн образује се ланац радиоактивних изотопа. После 14 узастопних радиоактивних трансмутација У-238, он прелази у нерадиоактиван тј. стабилан изотоп олова Пб-206. Сва радиоактивна језгра између урана и олова су изотопи елемената који, уопште и немају ниједан стабилни изотоп. Разлика атомских бројева првог и последњег члана у овом низу је 238-206=32, што значи да у овом низу постоји 8 алфа-распада, пошто бета распади не мењају масени број. Тих осам алфа-распада променило би редни број урана за 16, а како је разлика редних бројева првог и последњег члана низа 92-82=10, значи да поред осам алфа распада постоји и 6 бета- распада.
Актинијумов низ
[уреди | уреди извор]
Актинијумов низ не почиње актинијумом, него изотопом урана У-235. Некада се У-235 називао актин-уран, па отуда и назив целог низа. Изотопу У-235 је претходио радиоактивни изотоп Пу-239, али се он у међувремену распао и данас не постоји у природи. Овај низ се завршава стабилним изотопом Пб-207. Масени бројеви свих чланова задовољавају израз 4н+3. У актинијумовом низу има 7 алфа-распада и 4 бета-распада[5].
Торијумов низ
[уреди | уреди извор]Торијумов низ почиње радиоизотопом Тх-232, а завршава се стабилним изотопом Пб-208. Атомске масе чланова овог низа задовољавају израз 4н. Треба рећи да је овај низ започињао изотопом Цф-252, али су се од свог настанка до данас сви чланови низа који претходе торијуму (Цф-252, Цм-248, Пу-244, У-240, Нп-240, Пу-240, У-236) распали, и данас не постоје у природи. У торијумовом низу има 6 алфа-распада и 4 бета-распада[6]
Нептунијумов низ
[уреди | уреди извор]Логично је било очекивати да ће се наћи и низ "4н+1". Тај низ је некада заиста постојао и почињао је изотопом Цф-249, а завршавао се стабилним изотопом Би-209. Изотоп овог низа са најдужим временом полураспада био је Нп-237, па отуда и назив "нептунијумов низ". Сви чланови овог низа су се до данас распали и овај низ у природи више не постоји.[7]]. Тачније, постоји још само његов последњи члан. Недавно је откривено да Би-209 није стабилан, већ да се и он распада алфа-распадом дајући Тл-205. Овај распад се одвија изузетно лагано (период полураспада = 1,9 · 1019 година).
Распади и актвност
[уреди | уреди извор]Основни процеси трансформације језгара код ових низова су алфа и бета распади. У сва три радиоактивна низа алфа-емитери су распоређени релативно равномерно[8]. То су први чланови (зачетници) свих серија, сви гасовити продукти (изотопи радона) и сви последњи радиоактивни продукти распада низа. Сто се тиче гама-активности у сваком низу истиче се неколико главних гама-емитера. У торијумовом низу то је Ац и неки његови потомци, у урановом низу то су Ра, Пб и Би, а у актинијумовом низу сам уран и његов потомак Ра. У торијумовом низу, гама-емитери су расподељени релативно равномерно дуж целог ланца. У актинијумовом низу главни гама-емитери су први, прерадонски чланови, алл ову повољност са становишта анализе гама-спектра потире укупна смањена гама-активност овог низа која је последица ниске изотопске обилности У-235.
Радиоактивно гранање
[уреди | уреди извор]За сваки низ је карактеристична појава гранање низа која настаје услед тога што неки радионуклиди имају двоструку могућност распада са одговарајућом вероватноћом (алфа-распад и бета-распад). Ти чланови у низу не распадају се уз емисију само једне честице, већ је радиоактивни распад пропраћен емисијом различитих честица. То може бити алфа честица или бета честица. Емисија две честице је у ствари настаје из два независна радиоактивна распада који конкуришу један другом.
Радиоактвна равнотежа
[уреди | уреди извор]Активност илл брзина распада нестабилних изотопа одређена је бројем нераспаднутих језгара у датом тренутку[9]. Сви потомци у радиоактивним низовима имају далеко краћи период полураспада од првих чланова низа и не би ни постојали на Земљи да се стално не производе распадима својих дугоживећих родоначелника[10] . У овој ситуацији када се потомци знатно брже распадају од родоначелника низа, после неколико времена полураспада потомака успоставља се режим који се зове вековна или секуларна равнотежа. У равнотежи активност свих чланова у низу постаје једнака активности родоначелника низа.
Равнотежа настаје када се брзина настајања изједначава са брзином нестајања за све чланове у низу, осим првог и последњег. На тај начин се број атома за сваки изотоп у низу одржава сталним. Количине изотопа потомака налазе у директној сразмери са њиховим периодима полураспада што значи да атома дугоживећих изотопа има много, а краткоживећих мало. Једино последњег, стабилног, члана низа стално има све више, док се коначно сви атоми родоначелника низа не трансформишу у у атоме последњег члана. Ако нема нарушавање равнотеже, количина последњег стабилног члана низа у смеши изотопа свих чланова низа, у односу на преосталу количину родоначелника низа говори о старости те смеше. Када је радиоактивни низ у равнотежи, активности свих радионуклида у низу су исте, те се концентрација предака може одредити мерењем интензитета гама зрачења било ког потомка.
У многим минералима и стенама у Земљиној кори равнотежа се практично не нарушава што је основа нуклеарне геохронологије. Будући да је на темпо радиоактивних распада практично немогуће утицати, ово је најпоузданији метод за објективно мерење старости стена и минерала односно начин којим је одређена старост не само Земље, него и Месеца и многих метеорита.
Нарушавање равнотеже
[уреди | уреди извор]До нарушавања равнотеже долази када се из ове смеше изотопа неки од њих уклањају различитим различитим хемијским или физичким процесима. Један од начешћих узрока нарушавања равнотеже је еманација радона. Нарушавање равнотеже услед геохемијских процеса дешава се код дугоживећих чланова низа - торијума Тх-230 и радијума Ра-226 у урановом низу. У природним геохемијским процесима долази до распадања и испирања радијума из минерала и руда урана, он се раствара у води, мигрира и гради секундаррне минерале, тако да често радијума у узорку има мање или више него што одговара његовој радиоактивној равнотежи са ураном.
Еманација радона
[уреди | уреди извор]У првој половини ланца сваке серије преовлађује алфа-распад, а у другој половини бета-распад. У средини ланца сваке серије настаје радиоактивни изотоп радон који је у гасовитом агрегатном стању и може да испарава што доводи до нарушавања равнотеже. Иза радона[11], у сва три низа, следи група краткоживућих елемената који нису гасови, а део њихових језгара распада се алфа-распадом, а у други део бета-распадом. У природи су најзаступљенија два изотопа радиоактивног гаса радона: радон Рн-222 са периодом полураспада од 3.824 дана и торон Рн-220 са периодом полураспада од 55.6 с. 222Рн је присутан у низу уранијума 238У и представља најзначајнији радонов изотоп. Рн-222 је присутан у низу торијума и узима се у обзир у ситуацијама када он или његови потомци достижу веће концентрације код мерења еманације радона из земљишта и проналажења места уласка радона. Гасовити продукти у радиоактивним низовима уранијума и торијума: радон Рн-222 и торон Рн-220 напуштају место генерисанја и као инертни гасови дифузијом доспевају у ваздух или воду и на тај начин некада образују значајне концентрације у затвореним просторима, што може бити и радијациони ризик за изложено становништво. Еманација гаса радона из узорака нарушава равнотежу низова уранијума и торијума код чланова Рн-222 и Рн-220. Држањем узорака у херметички затвореним судовима у трајању од око 10 периода полураспада (за Рн-222 је то приближно 40 дана, а за торон Рн-220 око 10 минута) ова се равнотежа може поново успоставити.
Референце
[уреди | уреди извор]- ^ УНСЦЕАР (2000) Унитед Натионс Сциентифиц Цоммиттее он тхе Еффецтс оф Атомиц Радиатион. Соурцес анд еффецтс оф ионизинг радиатион. УНСЦЕАР 2000 Репорт то тхе Генерал Ассемблy, wитх сциентифиц аннеxес
- ^ С. Мацура, Ј. Радић-Перић, Атомистика, Факултет за физичку хемију Универзитета у Београду/Службени лист, Београд, 2004. глава 11
- ^ Хер 1911 Нобел Призе ин Цхемистрy wас грантед то "Марие Склодоwска Цурие" Филе:Дyплом Склодоwска-Цурие.јпг
- ^ Фредерицк Соддy, "Тхе Радио Елементс анд тхе Периодиц Лаw", Цхем. Неwс, Нр. 107, (1913). стр. 97–99 ^ Јумп уп то: а б L'Аннунзиата, Мицхаел Ф. . Радиоацтивитy: Интродуцтион анд Хисторy. Амстердам, Нетхерландс: Елсевиер Сциенце. 2007. ISBN 9780080548883. стр. 2.
- ^ Касимир Фајанс, "Радиоацтиве трансформатионс анд тхе периодиц сyстем оф тхе елементс". Берицхте дер Деутсцхен Цхемисцхен Геселлсцхафт, Нр. 46, (1913). стр. 422–439
- ^ Фредерицк Соддy, "Тхе Радио Елементс анд тхе Периодиц Лаw", Цхем. Неwс, Нр. 107, (1913). стр. 97–99
- ^ Коцх, Лотхар (2000). „Трансураниум Елементс”. Уллманн'с Енцyцлопедиа оф Индустриал Цхемистрy. ИСБН 9783527303854. дои:10.1002/14356007.а27_167..
- ^ НУБАСЕ евалуатион оф нуцлеар анд децаy пропертиес
- ^ />Пател, С.Б. . Нуцлеар пхyсицс: ан интродуцтион. Неw Делхи: Неw Аге Интернатионал. 2000. ISBN 978-81-224-0125-7. стр. 62–72.
- ^ "Decay and Half Life". Retrieved 2009-12-14. http://www.iem-inc.com/prhlfr.html].
- ^ Стурроцк, П.А.; Стеинитз, Г.; Фисцхбацх, Е.; Јаворсек, D.; Јенкинс, Ј.Х. (2012). „Аналyсис оф гамма радиатион фром а радон соурце: Индицатионс оф а солар инфлуенце”. Астропартицле Пхyсицс. 36 (1): 18—25. Бибцоде:2012АПх....36...18С. С2ЦИД 119163371. арXив:1205.0205
. дои:10.1016/ј.астропартпхyс.2012.04.009.
