Szereg promieniotwórczy

Szereg promieniotwórczy – łańcuch nuklidów promieniotwórczych powstających w wyniku kolejnych rozpadów promieniotwórczych. Kolejne produkty rozpadów promieniotwórczych tworzą szereg, który kończy się izotopem trwałym. Występujące w naturze szeregi rozpoczynają się izotopem promieniotwórczym o długim okresie półtrwania[1].

W przyrodzie istnieją 3 szeregi promieniotwórcze: uranowo-radowy, torowy i uranowo-aktynowy. Istnieje jeszcze szereg neptunowy, lecz jego nuklidy promieniotwórcze mają krótki okres rozpadu, przez co w przyrodzie występują jedynie w znikomych ilościach, powstając w wyniku przemian jądrowych wywołanych promieniowaniem zewnętrznym[1].

Przemiany jądrowe zachodzące w szeregach to głównie przemiany typu alfa α i beta β. Szeregi promieniotwórcze przedstawia się na diagramach liczba atomowa × liczba masowa nuklidu. W rozpadzie α powstający nuklid jest na takim diagramie przesunięty względem rozpadającego się o dwa miejsca w lewo (zmniejszenie liczby atomowej o 2 i liczby masowej o 4), w rozpadzie β o jedno miejsce w prawo (wzrost liczby atomowej o 1 i brak zmiany liczby masowej). Zasady te, wyrażają tzw. prawo przesunięć Soddy’ego i Fajansa z 1913 – mające dziś już tylko charakter historyczny.

Przynależność nuklidów do szeregów promieniotwórczych

O tym, do którego szeregu należy dany nuklid decyduje jego liczba masowa A. W rozpadzie promieniotwórczym liczba masowa zmienia się o 4 poprzez emisję cząstki α; można to przedstawić wzorem[1]:

gdzie:

  • liczba całkowita,
  • – przyjmuje wartości 0, 1, 2, 3.

W ten sposób otrzymuje się 4 szeregi promieniotwórcze:

Szereg uranowo-radowy

Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy

Szereg rozpoczyna się izotopem uranu 238U o okresie półtrwania wynoszącym 4,5 miliarda lat, a kończy na stabilnym ołowiu 206Pb. Szereg opisuje wzór 4n + 2 i należy do niego 16 nuklidów, między innymi: 238U, 234U, 226Ra, 222Rn, 210Po, 206Pb.

NuklidTyp rozpaduCzas połowicznego rozpaduUwolniona energia, MeVProdukt rozpadu
U 238α4,51×109 lat4,270Th 234
Th 234β24,10 d0,273Pa 234
Pa 234β1,18 min2,197U 234
U 234α2,44×105 lat4,859Th 230
Th 230α7,50×104 lat4,770Ra 226
Ra 226α1599 lat4,871Rn 222
Rn 222α3,823 d5,590Po 218
Po 218α3,05 min6,88Pb 214
Pb 214β26,8 min1,024Bi 214
Bi 214β 99,98%
α 0,02%
19,7 min3,272
5,617
Po 214
Tl 210
Po 214α0,162 ms7,883Pb 210
Tl 210β1,32 min5,484Pb 210
Pb 210β22,3 lat0,064Bi 210
Bi 210β 99,99987%
α 0,00013%
5,0 d1,426
5,982
Po 210
Tl 206
Po 210α138,375 d5,407Pb 206
Pb 206trwały

Szereg uranowo-aktynowy

Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy

Szereg rozpoczyna się izotopem uranu 235U o okresie półtrwania wynoszącym 700 milionów lat a kończy na stabilnym ołowiu 207Pb. Szereg opisuje wzór 4n + 3 i należy do niego 14 nuklidów, między innymi: 235U, 231Pa, 223Ra.

NuklidTyp rozpaduCzas połowicznego rozpaduUwolniona energia, MeVProdukt rozpadu
U 235α6,96×108 lat4,678Th 231
Th 231β25,64 h0,391Pa 231
Pa 231α32760 lat5,150Ac 227
Ac 227β 98,62%
α 1,38%
21,772 lata0,045
5,042
Th 227
Fr 223
Th 227α18,72 d6,147Ra 223
Fr 223β21,8 min1,149Ra 223
Ra 223α11,434 d5,979Rn 219
Rn 219α3,920 s6,946Po 215
Po 215α 99,99977%
β 0,00023%
1,78 ms7,527
0,715
Pb 211
At 215
Pb 211β36,1 min1,367Bi 211
Bi 211α 99,724%
β 0,276%
2,15 min6,751
0,575
Tl 207
Po 211
Po 211α510 ms7,595Pb 207
Tl 207β4,79 min1,418Pb 207
Pb 207trwały

Szereg torowy

Szereg promieniotwórczy torowy

Szereg rozpoczyna się izotopem toru 232Th o okresie półtrwania wynoszącym 14 miliardów lat, a kończy stabilnym ołowiem 208Pb. Szereg jest opisanym wzorem 4n + 0, należy do niego 12 nuklidów, między innymi: 232Th, 228Th, 228Ra, 220Rn.

NuklidTyp rozpaduCzas połowicznego rozpaduUwolniona energia, MeVProdukt rozpadu
Th 232α1,405×1010 lat4,081Ra 228
Ra 228β5,75 lat0,046Ac 228
Ac 228β6,13 h2,124Th 228
Th 228α1,913 lat5,520Ra 224
Ra 224α3,64 d5,789Rn 220
Rn 220α54,5 s6,404Po 216
Po 216α0,158 s6,906Pb 212
Pb 212β10,64 h0,570Bi 212
Bi 212β 64,06%
α 35,94%
60,55 min2,252
6,208
Po 212
Tl 208
Po 212α3×10−7 s8,955Pb 208
Tl 208β3,0 min4,999Pb 208
Pb 208trwały

Szereg neptunowy

Szereg promieniotwórczy neptunowy

Szereg rozpoczyna się izotopem neptunu 237Np o okresie półtrwania 2,1 miliona lat, a kończy na stabilnym bizmucie 209Bi. Szereg opisany jest wzorem 4n + 1 i należy do niego 13 nuklidów, między innymi: 237Np, 233U, 229Th.

Szereg neptunowy występuje jedynie w wyniku sztucznego otrzymywania (naświetlanie uranu strumieniem neutronów). Okres półtrwania neptunu jest około 2000 razy krótszy od wieku Ziemi przez co zostały jedynie niewykrywalne jego ilości. Obecnie w rudach uranowych występuje go ok. 1,8×10−10%, tj. ok. 2 atomy neptunu na bilion (1012) atomów uranu.

NuklidTyp rozpaduCzas połowicznego rozpaduUwolniona energia, MeVProdukt rozpadu
Np 237α2,14×106 lat4,959Pa 233
Pa 233β27,0 d0,571U 233
U 233α1,59×105 lat4,909Th 229
Th 229α7340 lat5,168Ra 225
Ra 225β14,8 d0,36Ac 225
Ac 225α10 d5,935Fr 221
Fr 221α4,8 min6,3At 217
At 217α32,3 ms7,0Bi 213
Bi 213β
α
46 min
5,87
Po 213
Tl 209
Po 213α4,2×10−6 sPb 209
Tl 209β2,2 min3,99Pb 209
Pb 209β3,25 h0,644Bi 209
Bi 209quasi trwały*

* Izotop 209Bi, choć często opisywany jako trwały, ma okres połowicznego rozpadu 1,9×1019 lat, a produktem jego rozpadu α jest 205Tl. Tak długi okres rozpadu (setki milionów razy dłuższy od wieku wszechświata) pozwala traktować bizmut jako praktycznie trwały.

Przypisy

  1. a b c praca zbiorowa: Encyklopedia Fizyki. T. III. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1974, s. 504 - 506.

Media użyte na tej stronie

Szereg promieniotwórczy neptunowy.svg
Szereg promieniotwórczy neptunowy
Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy.svg
Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy
Szereg promieniotwórczy torowy.svg
Szereg promieniotwórczy torowy
Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy.svg
Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy