Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

Радиоактивные свойства исследуемых радионуклидов - изотопов U, Th, Ra в значительной степени связаны с их происхождением. Наиболее долгоживущие изотопы урана и тория - ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th образовались в результате первичного нуклеосинтеза вместе с другими тяжелыми нуклидами и получили название "первичных" (Титаева, 1992). Их периоды полураспада соизмеримы с временем существования Земли, поэтому они дожили до настоящего времени. Они обладают достаточно высокой распространенностью. Кларк ²³²Th составляет 13 г/т, а ²³⁸U - 2,5 г/т (по А.П.Виноградову), что превышает кларки многих широко известных микроэлементов. Благодаря этому геохимическое поведение первичных изотопов урана и тория целиком определеяется их химическими свойствами. Все остальные исследованные в настоящей работе изотопы радиоактивных элементов U, Th, Ra являются продуктами распада первичных изотопов урана и тория и входят в соответствующие ряды распада.

Члены каждого ряда cвязаны друг с другом последовательными необратимыми альфа- и бета-превращениями. Если система, в которой находятся радионуклиды того или иного ряда закрыта, то есть не происходит выноса или поступления отдельных их членов относительно других, то со временем в ряду наступает радиоактивное равновесие. В случае, если период полураспада материнского радионуклида (или родоначальника ряда) много больше периода полураспада дочернего (или остальных членов ряда), то условие равновесия выражается соотношениями:

 (где N - число атомов, - константа распада, Т - период полураспада, А - активность - число распадов в единицу времени ). Это соотношение определяет так называемое "вековое" равновесие. Скорость установления радиоактивного равновесия в ряду распада зависит от периода полураспада наиболее догоживущего члена ряда, а для пары взаимосвязанных радионуклидов - периода полураспада дочернего - T_D. С точностью до 0,8% равновесие наступает через 7 Т_D, а с точностью до 0,1 % - через 10 Т_D.

Поведение изотопов перечисленных элементов, являющихся продуктами распада долгоживущих первичных радионуклидов, во многом связано с присутствием соответствующих материнских радионуклидов - ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th , из которых они постоянно накапливаются и одновременно распадаются. Из приведенного выше уравнения радиоактивного равновесия видно, что продукты распада не могут накопиться в количествах, превышающих равновесные значения, которые обратно пропорциональны периодам полураспада. В связи с этим все продукты распада находятся в природных соединениях в ультранизких концентрациях (Таб. 1.1). С учетом реальных концентраций U и Th в земном веществе видно, что концентрации продуктов их распада не превышают 10^-9 % в земной коре.

Поведение изотопов перечисленных элементов, являющихся продуктами распада долгоживущих первичных радионуклидов, во многом связано с присутствием соответствующих материнских радионуклидов: U-238 и Th-232, U-235, из которых они постоянно накпливаются и одновременно распадаются. Из приведенного выше соотношения радиоактивного равновесия видно, что продукты распада не могут накопиться в количествах, превышающих равновесные значения, которые обратно пропорциональны периодам полураспада. В связи с этим все продукты распада находятся в природных соединениях в ультранизких концентрациях (Таб. 1.1), тем более учитывая реальные концентрации масс U и Th в земном веществе.

В природных растворах содержания дочерних радионуклидов не превышают 10^-8 моль/л. Поэтому с веществами, способными давать с ними малорастворимые соединения, произведения растворимости никогда не будут достигнуты и самостоятельная фаза никогда не будет образована. В то же время в отсутствии макроносителей эти радионуклиды будут вести себя как радиоколлоиды и легко адсорбироваться твердой фазой. (Старик, 1969 ; Вдовенко, 1969; Несмеянов, 1972). Для изотопов радия носителем является элемент Ва. Для радиогенных изотопов урана и тория носителями, по нашим представлениям, являются первичные изотопы этих элементов - ²³⁸U и ²³²Th. Все это должно накладывать свой отпечаток на поведение исследуемых радионуклидов. Этот фактор широко используется при описании искусственных радионуклидов в природе. Однако при изучении геохимии естественных радионуклидов он почему-то забыт.