| Szeregi promieniotwórcze |
 |
 |
 |
|
Systematyka pierwiastków promieniotwórczych nie opiera się na analogii własności chemicznych ani na układzie zależnym od ciężarów atomowych. W odróżnieniu od rodzin zwykłych pierwiastków, powiązanych ze sobą tylko wspólnym charakterem chemicznym, rodziny promieniotwórcze obejmują pierwiastki o wspólnym pochodzeniu. Każdy rodzaj atomów radioaktywnych ma swoją genealogię i dalej staje się substancją macierzystą nowego pierwiastka. Tak, więc najracjonalniejszą formą systematyki pierwiastków promieniotwórczych stało się ujęcie ich w naturalne szeregi rodowe. Pierwiastki obdarzone promieniotwórczością naturalną ujęto w trzy szeregi rodowe: uranowo - radowy, uranowo - aktynowy i torowy. Substancjami macierzystymi tych szeregów są dwa spośród najcięższych pierwiastków chemicznych: Uran (92) i tor (90). Cechą niezbędną każdego macierzystego pierwiastka szeregu jest bardzo długi okres półtrwania, inaczej atomy jego uległyby w okresach geologicznych zanikowi.
Wszystkie pierwiastki trzech szeregów rodowych zamknięte są w ramach układu okresowego pomiędzy talem i uranem, a więc miejscem 81 i 92. Rad jest członem szeregu uranowo - radowego jako szósty z kolei pierwiastek pochodzący od uranu. W tym samym też szeregu genealogicznym znajduje się polon jako ósmy produkt rozpadu radu, a więc 14 pierwiastek kolejny szeregu uranowo - radowego. Z tego powodu uran, rad i polon towarzyszą sobie w minerałach, a stosunek ich ilościowy odpowiada prawom statyki rozpadu promieniotwórczego.  Szereg uranowo-radowy
Uran, U jest pierwiastkiem macierzystym szeregu uranowo - radowego. Chemiczne właściwości uranu wynikają z jego położenia w układzie okresowym. Chemicznie czysty uran jest źródłem promieni a. Promieniowanie to jest tak niejednorodne, że nie może pochodzić od jednego r odzaju atomów. Uran stanowi, więc mieszaninę co najmniej dwóch rodzajów atomów. Zjawisko niejednorodności atomów pierwiastka nie jest wyłączną cechą uranu, ale własnością ogólną wszystkich pierwiastków chemicznych. Zjawisko to nazywamy izotropią. Nazwą "uran" obejmujemy wszystkie atomy zajmujące 92 miejsce układu okresowego i chemicznie zachowujące się jednakowo, spotykamy tu jednak trzy odmiany izotopowe: uran I, uran II i aktynouran. Pierwiastkiem macierzystym szeregu uranowo - radowego jest wyłącznie uran I.
Szybkość rozpadu promieniotwórczego UI jest bardzo mała, toteż pierwiastek ten zachował się po dzień dzisiejszy jako składnik litosfery. W wyniku przemiany a z uranu pierwszego powstaje uran X1. Uran X1, UX1 jest izotopem toru, ma więc właściwości chemiczne toru, a nie uranu. W wyniku promieniowania b uran X1, zgodnie z regułą przesunięć, daje pierwiastek o tym samym praktycznie ciężarze atomowym – 234 i liczbie porządkowej następnej w układzie, tj. 91. Pierwiastkiem tym jest uran X2. Prawidłowość przemian komplikuje w tym miejscu fakt, że uran X2 nie jest jedynym produktem rozpadu uranu X1. Wykryto jeszcze drugi pierwiastek powstający również z uranu X1 w wyniku przemiany b i nazwano go uranem Z. Uran X2 jest izotopem protaktynu, najcięższego pierwiastka z wanadowców. Własności chemiczne uranu X2 są identyczne z właściwościami protaktynu. Uran X2 jest źródłem promieni b i g. Ponieważ promieniowanie b uranu X2 jest energetycznie wiele bogatsze niż uranu X1, więc też i odznacza się większą przenikliwością. W wyniku promieniowania b uran X2 daje pierwiastek o praktycznie niezmienionym ciężarze atomowym (234), przypadający na miejsce uranu (92). Jest to uran II. Ten sam pierwiastek powstaje jako produkt rozpadu uranu Z, tak więc rozwidlenie zamyka się na uranie II. Uran drugi, UII jest izotopem uranu, nie jest jednak długowieczny, jak UI. W wyniku przemiany a z uranu II powstaje jon.
Jon albo jonium, Jo jest izotopem toru. Istnienie jonu było wcześniej przewidziane dzięki obserwacjom szybkości nagromadzenia się radu w czystych preparatach uranowych. Zawartość jonu w minerałach uranowych jest dość duża, wynosi około 20 g na tonę uranu. Jon należy do pierwiastków długowiecznych. Jon jest źródłem promieni a i towarzyszących im g. W wyniku przemiany a jon przekształca się w rad, pierwiastek wsławiony przez historię rozwoju badań nad promieniotwórczością. Rad, Ra jest najcięższym pierwiastkiem z rodziny berylowców. Chemicznie czysty, wolny od produktów rozpadu rad jest źródłem promieni a oraz towarzyszących g i b. Przemiana jądrowa radu jest wyłącznie typu a. Jako produkt rozpadu powstaje gaz promieniotwórczy – radon, przekształcający się szybko w dalsze pierwiastki pochodne: rad A, B i C. Radon jest najcięższym pierwiastkiem w rodzinie helowców. Radon jest źródłem promieniowania a. Produkty rozpadu radonu zostały kolejno oznaczone literami alfabetu łacińskiego, jako rad A, rad B, rad C itd. Bezpośrednio z radonu w wyniku promieniowania a powstaje więc rad A. Rad A, RaA jest izotopem polonu. Rad A jest głównym źródłem promieni a, natomiast jego pochodne dają promieniowanie przenikliwe. W 1940 roku Minder stwierdził, że rad A ulega rozwidleniu: olbrzymia większość atomów podlega przemianie a wiodącej do radu B, a minimalny procent wysyła promienie b, dając pierwiastek 85 otrzymywany sztucznie zwany astatem (At). W szeregu radowym odmianę astatu o masie 218 należałoby konsekwentnie nazwać radem B'. w wyniku przemiany radu A powstaje jako produkt główny rad B, a ponadto ślady radu B', astatu. Rad B, RaB jest izotopem ołowiu, ma więc własności chemiczne tego pierwiastka. Wykryty został razem z radem A w osadzie aktywnym, jaki wytwarza się z radonu. Rad B jest źródłem promieni b i towarzyszących g. W wyniku promieniowania b rad B przekształca się w rad C. Rad B', RaB' jest izotopem astatu. Okres półtrwania radu B' jest rzędu kilku sekund, trudno więc mówić o własnościach chemicznych tego izotopu. Rad B' jest źródłem promieni a i w wyniku przemiany przekształca się w rad C, zamykając w ten sposób rozwidlenie, jakie utworzył rad A. Rad C, RaC jest izotopem bizmutu. Wykryty został równocześnie z radem A i B w osadzie aktywnym radonu. Promieniowanie radu C jest przenikliwe: składa się głównie z b i towarzyszących g. Rad C jest w szeregu uranowo – radowym drugim już pierwiastkiem, który ulega dwojakiej przemianie. W wyniku promieniowania b daje on, rad C'. Pierwiastek powstający z radu C w wyniku promieniowania a nazwano radem C''. Tak więc głównym produktem rozpadu radu C jest RaC', a obok niego w drobnym procencie powstaje RaC''. Rad C', RaC' jest izotopem polonu. Rad C' jest źródłem promieniowania a o wyjątkowo długim zasięgu. W wyniku promieniowania a z radu C' powstaje rad D. Rad C'', RaC'', poboczny produkt rozpadu radu C, jest izotopem talu. Jego okres półtrwania jest wiele większy niż radu C'. Rad C'' jest źródłem promieni b i g. W wyniku promieniowania b z radu C'' powstaje ten sam rad D, co i z radu C', tak więc rozwidlenie radu C zamyka się już po jednej przemianie. Rad D, RaD jest izotopem ołowiu. Jego okres półtrwania wynosi 22 lata, jest więc nieporównanie dłuższy od okresów pierwiastków poprzednich. Toteż rad D dzieli wyraźnie pochodne radu na dwie grupy: osad krótkotrwały, który obejmuje RaA, RaB, RaC, RaC', RaC'', oraz osad długotrwały zawierający RaD, RaE, RaF, i RaG. Czysty preparat radu D jest nieomal niepromieniotwórczy. Wysyła on niezmiernie miękkie promienie b o minimalnej zdolności jonizacyjnej. Rad D wysyła ponadto słabe i miękkie promienie g. W wyniku promieniowania b rad D przekształca się w rad E. Rad E, RaE jest izotopem bizmutu. Promienie y radu E, bardzo słabe, są średniej przenikliwości. W wyniku rozpadu b rad E przekształca się w rad F – polon. Polon, Po, Rad F, RaF został zidentyfikowany z polonem, który jest historycznie pierwszym spośród wykrytych silnych pierwiastków promieniotwórczych. Badając długotrwały osad radonu E. Rutherford zidentyfikował rad F z polonem i wykazał, że pierwiastki te mają ten sam okres półtrwania około 140 dni i promienie a o tym samy zasięgu. Polon, identyczny z radem F, powstaje bezpośrednio z radu E. Polon jest silnym źródłem promieni a. W wyniku promieniowania a polon przekształca się w rad G. Rad G, RaG jest pierwiastkiem niepromieniotwórczym. Oprócz ciężaru atomowego nie znaleziono własności fizycznej ani chemicznej, która by go różniła od zwykłego ołowiu. Tak więc cały szereg uranowo – radowy kończy się na niepromieniotwórczej odmianie ołowiu o ciężarze atomowym 206.  Szereg uranowo-aktynowy
Aktynouran, AcU jest pierwiastkiem macierzystym szeregu aktynowego. Początkowo przypuszczano, że cały szereg aktynowy stanowi odgałęzienie uranu, polegające na tym, że UII ulega dwojakiej przemianie, z których główna przez jon prowadzi do radu, a druga przez tzw. Uran Y – do aktynu. Pogląd ten jest dzisiaj uważany jako niesłuszny. Nie znaleziono żadnych wskazówek uzasadniających rozwidlenie uranu II, natomiast w badaniach nad izotopią uranu wykryto, że obok przeszło 99% przewagi atomów uranu o ciężarze atomowym 238 istnieje około 1% o masie 235. Nie jest to przewidziany w szeregu radowym uran II, gdyż jego ciężar atomowy, zgodnie z regułą przesunięć, wypada 234, a przy tym zawartość procentowa pierwiastka byłaby za duża. Gdy ponadto oznaczony został doświadczalnie ciężar atomowy jednego z członów szeregu aktynowego – protaktynu jako 231, można już było te pierwiastki powiązać ze sobą genetycznie. Izotop o masie 235 otrzymał, więc nazwę aktynouranu i został uznany za pierwiastek macierzysty szeregu. Rozpad promieniotwórczy aktynouranu odbywa się tak powoli, że pierwiastek ten mógł przetrwać w litosferze do dnia dzisiejszego. Jest źródłem promieni a. W wyniku promieniowania a aktynouran przekształca się w uran Y. Uran Y, UY jest izotopem toru. Uran Y można spotkać zawsze w minerałach uranowych. Ponieważ stosunek izotopów uranu I i aktynouranu w minerałach jest stały, a pierwszy z nich jest ojcem szeregu radowego, drugi aktynowego, to i stosunek pierwiastków pochodnych powinien być także stały. Toteż wszystkie pierwiastki szeregu aktynowego stanowią w rudach kilkuprocentowy dodatek w porównaniu z głównym szeregiem uranowo – radowym. Uran Y jest źródłem promieni b. W wyniku przemiany b uran Y przekształca się w protaktyn. Protaktyn, Pa jest jednym z najlepiej znanych pierwiastków szeregu aktynowego. Zajmuje on w układzie okresowym 91 miejsce, jest więc najcięższym z wanadowców. Okres półtrwania protaktynu został ustalony na 12500 lat. Długie życie tego pierwiastka jest przyczyną dość znacznej jego zawartości w rudach uranowych pomimo małego udziału aktynouranu w ogólnej masie uranu. Protaktyn wysyła wszystkie trzy rodzaje promieni: a, b, g. Ulega jednak przemianie typu a. Promienie b nie są tu jądrowe, lecz pochodzą ze strefy zewnętrznej atomu, wybite przez jądrowe fotony g. W wyniku przemiany a protaktyn przekształca się w aktyn. Aktyn, Ac jest historycznie pierwszym spośród wykrytych pierwiastków szeregu aktynowego. W chwili obecnej przypisuje się aktynowi miękkie promieniowanie b, nie jest ono jednak wyłączne. W 1939 r. odkryto, że promieniowaniu b podlega 99% atomów aktynu, natomiast ok. 1% wysyła cząstki a. Aktyn ulega dwojakiemu rozpadowi. Głównym produktem przemiany jest radioaktyn, a pobocznym – frans. Radioaktyn, RdAc jest izotopem toru. Jest źródłem jądrowych promieni a i g oraz pozajądrowych b. W wyniku promieniowania a radioaktyn przekształca się w aktyn X. Frans, Aktyn K, AcK jest najcięższym pierwiastkiem z rodziny pierwiastków metali alkalicznych (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr). Aktyn K jest źródłem promieniowania b i g. W wyniku promieniowania b aktyn K przekształca się w ten sam aktyn X, który jest produktem rozpadu radioaktynu. Tak, więc rozwidlenie powstałe na aktynie zamyka się już po jednym cyklu przemian. Aktyn X, AcX jest izotopem radu. Podobnie jak radioaktyn jest źródłem wszystkich trzech rodzajów promieni: a, b i g. Jądrowego pochodzenia są tylko a i g, natomiast b są wtórne, pozajądrowe. W wyniku promieniowania a aktyn X przekształca się w aktynon. Aktynon, An jest izotopem radonu. Jest więc to gaz szlachetny, niezdolny do żadnych połączeń chemicznych. Aktynon jest źródłem promieniowania a. Podobnie jak w szeregu radowym, i tutaj produkty rozpadu aktynonu oznaczono kolejnymi literami alfabetu łacińskiego. Tak, więc w wyniku promieniowania a z aktynonu powstaje aktyn A. Aktyn A, AcA jest izotopem polonu. Aktyn A daje dwa produkty przemiany: w wyniku promieniowania a jako produkt główny powstaje aktyn B, a ponadto skutkiem przemiany b są ślady aktynu B', izotopu astatu. Aktyn B, AcB jest izotopem ołowiu. Jest źródłem promieni b i towarzyszących g. W wyniku promieniowania b aktyn B ulega przekształceniu w aktyn C. Aktyn B', AcB' jest jednym z izotopów astatu. Jest źródłem promieni a bardzo dużej energii. W wyniku promieniowania a aktyn B' przekształca się w aktyn C, zamykając tym samym rozwidlenie, jakie utworzył aktyn A. Aktyn C, AcC jest izotopem bizmutu i radu C. Aktyn C wysyła głównie promienie a. Podobnie jak rad C ulega przemianie rozgałęzionej tzn., że część atomów wysyła promienie a, a część – b. Aktyn C jest również źródłem jądrowych promieni g. W wyniku głównej przemiany a aktyn C przekształca się w AcC'', a na skutek promieniowania b – w AcC'.
Aktyn C', AcC' jest izotopem polonu i radu C'. AcC' jest źródłem promieni a. W wyniku promieniowania a aktyn C' przekształca się w aktyn D. Aktyn C'', AcC'' jest izotopem talu. Jest źródłem promieni b i towarzyszących g. W wyniku promieniowania b z aktynu C'' powstaje ten sam aktyn D, co i z aktynu C', tak więc rozwidlenie aktynowe, identycznie jak radowe, zamyka się już po jednej przemianie. Aktyn D, AcD jest pierwiastkiem niepromieniotwórczym. Nie różni się on chemicznie od zwykłego ołowiu. Szereg aktynowy, podobnie jak radowy, kończy się więc na niepromieniotwórczej odmianie ołowiu. Jedynie ciężar atomowy tej odmiany jest inny (207, a nie 206) i ponadto cały szereg aktynowy jest o trzy pierwiastki krótszy, gdyż kończy się na aktynie D, natomiast w rodzinie radowej ostatnim członem jest rad G.  Szereg torowy
Tor, Th jest pierwiastkiem macierzystym szeregu torowego. Promieniotwórczość toru została wykryta na samym początku badań nad promieniami uranowymi. Tor jest źródłem promieni a. Końcowym produktem przemian szeregu torowego jest ołów, tak samo jak w szeregu uranowym. W wyniku promieniowania a tor przekształca się w mezotor pierwszy. Mezotor pierwszy, MsThI jest izotopem radu. Mezotor I, wolny od produktów rozpadu, na pozór nie wykazuje żadnego promieniowania. Świeżo otrzymany preparat nie powinien dawać promieniowania przenikliwego, gdyż tor wysyła jedynie cząstki a. Natomiast produkty rozpadu mezotoru I są bogate w sztywne promienie g, przy czym okres półtrwania mezotoru I jest w całej tej grupie pierwiastków najdłuższy. Pierwiastek powstający w wyniku promieniowania b bezpośrednio z mezotoru I został nazwany mezotorem drugim. Mezotor drugi, MsThII jest izotopem aktynu. Jest źródłem promieni b i przenikliwych g. W wyniku promieniowania b mezotor II przekształca się w radiotor. Radiotor, RdTh jest izotopem toru. Jest źródłem wszystkich trzech rodzajów promieni: a i g i pozajądrowych b. W wyniku promieniowania a radiotor przekształca się w tor X. Tor X, ThX jest izotopem radu. Jest źródłem promieni a. W wyniku promieniowania a tor X przekształca się w toron. Toron, Tn jest izotopem radonu i aktynonu, a więc także promieniotwórczym gazem szlachetnym dającym osad aktywny. W historii radiologii toron był pierwszym poznanym gazem promieniotwórczym. Toron jest źródłem promieni a. W rodzinie torowej, podobnie jak w radowej i aktynowej, produkty rozpadu pierwiastka gazowego oznaczono kolejnymi literami alfabetu łacińskiego. Tak, więc z toronu powstaje tor A. Tor A, ThA jest izotopem polonu, radu A i aktynu A. Krótkotrwały tor A nie daje promieni przenikliwych, lecz szybko przekształca się w pierwiastki pochodne obdarzone promieniowaniem b i g. Tor A, podobnie jak rad A i aktyn A, oprócz promieni a wysyła też w minimalnym stopniu i jądrowe elektrony. Rozwidlenie to jest znacznie silniejsze od aktynowego, lecz słabsze od radowego. Praktycznie rzecz biorąc tor A w wyniku promieniowania a nieomal całkowicie przekształca się w tor B. W 0,014% promieniowanie b prowadzi do toru B'. Tor B, ThB jest izotopem ołowiu, aktynu B i radu B. Jest źródłem jądrowych promieni b i towarzyszących g. W wyniku promieniowania b tor B przekształca w tor C. Tor B', ThB' analogicznie do radu B' i aktynu B', jest izotopem astatu. Tor B' wysyła promienie a. W wyniku promieniowania a tor B' przekształca się w tor C, zamykając rozwidlenie utworzone przez tor A. Tor C, ThC jest izotopem bizmutu, powtarza więc własności radu C i aktynu C. Tor C jest źródłem wszystkich trzech rodzajów promieni: a, b i g. Podobnie jak rad C oraz aktyn C, także tor C ulega przemianie rozgałęzionej: 33,7% atomów wysyła promienie a i daje ThC'', a 66, 3% w wyniku rozpadu b przekształca się w ThC'. Obu tym przemianom towarzyszą fotony g. W wyniku słabszej przemiany a tor C przekształca się w tor C'', a na skutek silniejszego promieniowania b – w tor C'. Tor C', ThC' jest izotopem radu C' i aktynu C', powtarza więc ich własności i pod względem chemicznym jest identyczny z polonem. W wyniku promieniowania a tor C' przekształca się w tor D. Tor C'', ThC'' jest izotopem radu C'' i aktynu C'', ma więc własności chemiczne talu. Tor C'' jest źródłem promieni b i towarzyszących g. W wyniku promieniowania b z toru C'' powstaje ten sam tor D, co i z toru C', tak więc rozwidlenie torowe, identycznie jak radowe i aktynowe, zamyka się już po jednej przemianie. Tor D, ThD jest pierwiastkiem niepromieniotwórczym. Prócz ciężaru atomowego nie różni się on niczym od aktynu D i radu G. Szereg torowy, podobnie jak radowy i aktynowy, kończy się więc na niepromieniotwórczej odmianie ołowiu. Jedynie ciężar atomowy tej odmiany jest znów inny (208, a nie 207 lub 206). Koniec całego szeregu torowego jest analogiczny do aktynowego, a nie radowego, gdyż przypada zaraz po zamknięciu rozwidlenia na torze D i nie daje dalszych przemian, jak rad D.
Porównanie szeregów promieniotwórczychTrzy szeregi pierwiastków promieniotwórczych wykazują daleko idącą analogię. Przemawia ona za tym, że istnieć musi jedna ogólna przyczyna powodująca, iż jądra pierwiastków o liczbach atomowych większych od 81 nie znajdują się w stanie równowagi, wobec czego ulegają rozpadowi. Bieg tego rozpadu jest w trzech szeregach analogicznych. Jeśli zestawić rodziny promieniotwórcze obok siebie tak, że na linii poziomej znajdą się pierwiastki o tych samych liczbach atomowych, to analogia rzuci się w oczy.
Widzimy, że każdy szereg zaczyna się od przemiany a, dalej idą dwie cząstki b (w szeregu aktynowym rozdzielone jeszcze a), 4 lub 5 (w szeregu uranowym) przemian a, jedna b, rozwidlenie zaraz zamknięte i wreszcie w szeregu uranowym długotrwały osad promieniotwórczy radu. W każdy szeregu spotkamy po jednym pierwiastku gazowym z grupy helowców: radon, aktynon i toron. W każdym też pierwiastki o liczbie atomowej 85 występują w minimalnych ilościach jako rozwidlenie członów A. W szeregu aktynowym zjawia się jeszcze frans (87). Poszukując dalej analogii w szeregach widzimy, że charakterystyczne rozwidlenie pierwiastków typu C przypada wszędzie na miejscu 83 bizmutu, i że wreszcie rodziny kończą się na 82 ołowiu.
Artykuł napisała:
LiteraturaKinia
|
