Рис. 1.3. Радиоактивное семейство урана (U-238).

Рис. 1.4. Радиоактивное семейство урана (U-235).

Рис. 1.5. Радиоактивное семейство тория (Th-232).

Отсутствие радионуклидов этого ряда в природных объектах является эмпирическим фактом и, поскольку ²³⁷Np не имеет в качестве материнского предшественника никакого более долгоживущего радиоактивного изотопа, обычно этот факт объясняют тем, что период полураспада нептуния недостаточно велик по сравнению с возрастом Земли, признаваемым сегодня за правдоподобный (несколько миллиардов лет). Одним словом, если на заре геологической истории нашей планеты это семейство и существовало, то его отсутствие на настоящее время объясняется очень просто: оно (т.е. даже самые долгоживущие его члены) распалось полностью.

Знание количественных особенностей эволюции природных семейств помогает решить ряд технологических и аналитических проблем, связанных с ураном и торием. Рассмотрим некоторые из них в качестве примеров.

1. Известно, что в каждом природном семействе присутствуют изотопы радиоактивного газа радона ²¹⁹Rn (T_1/2 = 3,96 c), ²²⁰Rn (T_1/2 = 55,6 с) и ²²²Rn (3,8235 сут). То, что эти газообразные радионуклиды создают сложную радиационную ситуацию в местах добычи и первичной обработки урановых и ториевых руд, является общеизвестным фактом. Но возникает вопрос: насколько опасны в этом отношении химически чистые соединения урана и тория?

Будем исходить из того, что более или менее чистые препараты этих элементов не могли быть приготовлены ранее до их открытия; скорее всего синтез их оксидов или солей состоялся несколько позже. Так, уран был открыт в виде UO₂ Клапротом в 1789 году, а в металлическом состоянии он был получен Пелиго только в 1841 году. Торий был открыт в 1829 году Берцеллиусом.

Вернемся к поставленому вопросу, уточнив его: если есть сейчас на Земле самые «старые» препараты (оксид, соль и т.п.) урана и тория, соответственно не более 212 и 160 лет, если приурочить оценку к началу третьего тысячелетия – 2001 году, то насколько заметно выделяют радон хотя бы они? (У более свежих препаратов этот процесс менее вероятен).

Обратимся прежде к ряду урана – радия. Примем к сведению следующее. Какой бы ни была технология переработки уранового сырья, любой препарат будет содержать все три природных его изотопа – ²³⁴U, ²³⁵U и ²³⁸U вследствие их химической идентичности. Очистка уранового соединения от всевозможных примесей приведет к удалению из препарата двух промежуточных радионуклидов (²³⁴Th и ²³⁴ Pa) и «хвостов» обоих рядов, начиная с ²³⁰Th и ²³¹Th, т.к. химические свойства этих изотопов отличаются от свойств урана.

На основании формулы Бейтмена можно сделать вывод, что уже через 7–8 месяцев (около 10 периодов полураспада ²³⁴Th) участок ряда между ²³⁸U и ²³⁴U «зарастет» и оба радионуклида, ²³⁴Th и ²³⁴Pa, будут находиться с ²³⁸U в вековом равновесии. Но восстановление равновесия между ²³⁴U и ²³⁰Th, что является лимитирующей стадией этого процесса для «хвоста» уранового ряда, в технологическое время невозможно. Даже достижение только 1% от векового (A230_Th/A234_U = A₂/A₁ = 0,01) потребует не один десяток тысяч лет:

0,01 = 1–2 ^{–t/T 1/2,2} , откуда t_p = 5,4 • 10⁴ года.

При таких соотношениях периодов полураспада появление ²²⁶Ra в чистом урановом препарате в технологически значимое время – еще менее вероятное событие. Именно поэтому урановые соединения не выделяют сколько-нибудь заметных количеств ²²²Rn.

²³⁵U, доля которого в природном уране составляет 0,72%, тоже довольно быстро восстановит равновесие со своим дочерним ²³¹Th (T_1/2 = 25,52 ч), но «перешагнуть» через долгоживущий ²³¹Pa (T_1/2 = 3,276 • 10⁴ года) он не сможет по тем же причинам, что и ²³⁸U, так что и другой изотоп радона («четырехсекундный» актинон) в урановом препарате не появится.

Другое дело – соединения тория. В его семействе временным барьером в установлении равновесия является ²²⁸Ra, период полураспада которого (5,75 года) не настолько велик, чтобы считать восстановление ториевого ряда в технологическое время явлением незаметным. Конечно, препараты, возраст которых по крайней мере 30 лет, содержат в своем составе все семейство тория, но, надо полагать, даже пятилетние образцы будут выделять заметные количества торона (так традиционно называют короткоживущий изотоп радона ториевого ряда, ²²⁰Rn). Это обстоятельство не следовало бы игнорировать, тем более, что здесь возможны количественные оценки на основании формулы Бейтмена.

2. Предпримем еще один мысленный эксперимент. Представим себе, что все члены уранового семейства, находящегося в вековом равновесии, в некий момент времени были пространственно разобщены. При этом, конечно, генетически связанные процессы распада и накопления останутся без изменений, и во всем семействе поэтому равновесие не будет нарушено (если семейство рассматривать в целом, в расчетном, системном смысле, безотносительно к тому, где находится каждый индивидуальный препарат). Но если рассматривать каждую фракцию отдельно, независимо от всех остальных, то можно засвидетельствовать как «практически полный» распад некоторых членов ряда, так и процессы возрастания суммарной активности в соответствии с формулой Бейтмена.

Так, в образце, содержащем радиохимически чистый ²³⁸U будет нарастать суммарная активность за счет образования ²³⁴Th и ²³⁴Pa вплоть до установления векового равновесия (практически уже через полгода):

В образцах ²³⁴U и ²³⁰Th в технологически значимое время «практически ничего не будет происходить» вследствие их геохронологически существенных периодов полураспада. В образце ²²⁶Ra уже за месяц восстановится равновесие во всем подсемействе до ²¹⁰Pb, исключая его, т.к. его включение в равновесную цепочку – процесс гораздо более медленный. Активность этого изотопа свинца достигнет половины от максимального равновесного значения только через 22,3 года.

Проходя через вещество, ядерное излучение взаимодействует с атомами (молекулами), электронами и ядрами. Характер взаимодействия зависит от вида энергии излучения, а также от свойств поглощающего вещества. Взаимодействие заряженных частиц и γ-квантов с ядрами существенно только при высоких энергиях и больших потоках частиц или γ-квантов. Для обычно применяемых радионуклидов, используемых к тому же в индикаторных количествах, вероятность процессов взаимодействия ядерного излучения с ядрами среды невелика. Поэтому энергия излучения расходуется главным образом на взаимодействие с электронами (в частности, со связанными электронами – в этом случае говорят о взаимодействии излучения с атомами или молекулами среды).