Szereg promieniotwórczy

Szereg promieniotwórczy – łańcuch radionuklidów powstających w wyniku kolejnych rozpadów promieniotwórczych; szereg tego typu kończy się nuklidem trwałym lub rozszczepiającym się samorzutnie^[1]. Przemiany jądrowe zachodzące w szeregach to głównie rozpady typu alfa (α) i beta minus (β⁻). Niektóre jądra promieniują na obydwa sposoby, przez co szeregi promieniotwórcze bywają rozgałęzione.

W 1913 roku Frederick Soddy i Kazimierz Fajans niezależnie opisali prawo przesunięć – w rozpadzie alfa (α) powstający nuklid ma zmniejszoną liczbę atomową (Z) o 2 i liczbę masową (A) o 4, a w rozpadzie beta minus (β⁻) liczba atomowa wzrasta o 1.

W przyrodzie istnieją cztery główne szeregi promieniotwórcze: uranowo-radowy, torowy, uranowo-aktynowy i neptunowy, zbiorczo nazywane rodziną promieniotwórczą^[2].

Nuklidy szeregu neptunowego mają krótki okres rozpadu, przez co w przyrodzie występują jedynie w znikomych ilościach, powstając w wyniku przemian jądrowych wywołanych promieniowaniem zewnętrznym^[3]. Występujące w naturze szeregi rozpoczynają się izotopem promieniotwórczym o długim okresie półtrwania^[3].

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^[3]:

${\displaystyle A=4n+m,}$

gdzie:

• ${\displaystyle n}$ – liczba całkowita,
• ${\displaystyle m}$ – przyjmuje wartości 0, 1, 2, 3.

W ten sposób otrzymuje się 4 szeregi promieniotwórcze:

• występujące naturalnie w przyrodzie:
  • (m = 2) uranowo-radowy – ²³⁸U → ²⁰⁶Pb
  • (m = 3) uranowo-aktynowy – ²³⁵U → ²⁰⁷Pb
  • (m = 0) torowy – ²³²Th → ²⁰⁸Pb
• sztuczny
  • (m = 1) neptunowy – ²³⁷Np → ²⁰⁹Bi

Poszczególne szeregi

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.

Nuklid	Typ rozpadu	Czas połowicznego rozpadu	Uwolniona energia, MeV	Produkt rozpadu
U 238	α	4,51×109 lat	4,270	Th 234
Th 234	β−	24,10 d	0,273	Pa 234
Pa 234	β−	1,18 min	2,197	U 234
U 234	α	2,44×105 lat	4,859	Th 230
Th 230	α	7,50×104 lat	4,770	Ra 226
Ra 226	α	1599 lat	4,871	Rn 222
Rn 222	α	3,823 d	5,590	Po 218
Po 218	α	3,05 min	6,88	Pb 214
Pb 214	β−	26,8 min	1,024	Bi 214
Bi 214	β− 99,98% α 0,02%	19,7 min	3,272 5,617	Po 214 Tl 210
Po 214	α	0,162 ms	7,883	Pb 210
Tl 210	β−	1,32 min	5,484	Pb 210
Pb 210	β−	22,3 lat	0,064	Bi 210
Bi 210	β− 99,99987% α 0,00013%	5,0 d	1,426 5,982	Po 210 Tl 206
Po 210	α	138,375 d	5,407	Pb 206
Pb 206	–	trwały	–	–

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.

Nuklid	Typ rozpadu	Czas połowicznego rozpadu	Uwolniona energia, MeV	Produkt rozpadu
U 235	α	6,96×108 lat	4,678	Th 231
Th 231	β−	25,64 h	0,391	Pa 231
Pa 231	α	32760 lat	5,150	Ac 227
Ac 227	β− 98,62% α 1,38%	21,772 lata	0,045 5,042	Th 227 Fr 223
Th 227	α	18,72 d	6,147	Ra 223
Fr 223	β−	21,8 min	1,149	Ra 223
Ra 223	α	11,434 d	5,979	Rn 219
Rn 219	α	3,920 s	6,946	Po 215
Po 215	α 99,99977% β− 0,00023%	1,78 ms	7,527 0,715	Pb 211 At 215
Pb 211	β−	36,1 min	1,367	Bi 211
Bi 211	α 99,724% β− 0,276%	2,15 min	6,751 0,575	Tl 207 Po 211
Po 211	α	510 ms	7,595	Pb 207
Tl 207	β−	4,79 min	1,418	Pb 207
Pb 207	–	trwały	–	–

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.

Nuklid	Typ rozpadu	Czas połowicznego rozpadu	Uwolniona energia, MeV	Produkt rozpadu
Th 232	α	1,405×1010 lat	4,081	Ra 228
Ra 228	β−	5,75 lat	0,046	Ac 228
Ac 228	β−	6,13 h	2,124	Th 228
Th 228	α	1,913 lat	5,520	Ra 224
Ra 224	α	3,64 d	5,789	Rn 220
Rn 220	α	54,5 s	6,404	Po 216
Po 216	α	0,158 s	6,906	Pb 212
Pb 212	β−	10,64 h	0,570	Bi 212
Bi 212	β− 64,06% α 35,94%	60,55 min	2,252 6,208	Po 212 Tl 208
Po 212	α	3×10−7 s	8,955	Pb 208
Tl 208	β−	3,0 min	4,999	Pb 208
Pb 208	–	trwały	–	–

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.

Nuklid	Typ rozpadu	Czas połowicznego rozpadu	Uwolniona energia, MeV	Produkt rozpadu
Np 237	α	2,14×106 lat	4,959	Pa 233
Pa 233	β−	27,0 d	0,571	U 233
U 233	α	1,59×105 lat	4,909	Th 229
Th 229	α	7340 lat	5,168	Ra 225
Ra 225	β−	14,8 d	0,36	Ac 225
Ac 225	α	10 d	5,935	Fr 221
Fr 221	α	4,8 min	6,3	At 217
At 217	α	32,3 ms	7,0	Bi 213
Bi 213	β− α	46 min	– 5,87	Po 213 Tl 209
Po 213	α	4,2×10−6 s	–	Pb 209
Tl 209	β−	2,2 min	3,99	Pb 209
Pb 209	β−	3,25 h	0,644	Bi 209
Bi 209	–	quasi 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.