Образование химических элементов в космических телах 1

Самые значительные сдвиги в изотопном составе наблюдаются для свинца, изотопы которого являются конечными звеньями рядов распада урана и тория, присутствующих в земной коре. Повышенное содержание свинца, обнаруженное недавно Аллером в Солнечной системе (см. рис. 45), обусловлено его образованием при распаде указанных выше элементов. Велики изменения и изотопного состава аргона. В породах и атмосфере преобладает изотоп Аr⁴⁰, он образуется при K-захвате К⁴⁰, который, как видно из данных, приведенных в периодической системе элементов, является самым распространенным радиоактивным изотопом в земной коре. Можно сказать, что весь Аr⁴⁰, присутствующий в настоящее время в земной коре, имеет радиогенное происхождение. Долгое время было непонятно, почему атомный вес аргона больше, чем калия, что не соответствовало их положению в периодической системе элементов. Сейчас эта аномалия объясняется большой долей радиогенного Аr⁴⁰ в изотопном составе аргона. Изменения в изотопном составе за счет распада других природных радиоактивных изотопов невелики, так как последние имеют очень большие периоды полураспада.

К изменению изотопного состава элементов может приводить также спонтанное деление некоторых изотопов тяжелых элементов. Периоды полураспада спонтанного деления велики. Так, для U²³⁸ он равен 8,04 · 10¹⁵ лет, для U²³⁵ — 1,87–10¹⁷ лет, для Th²³² по последним данным Т ≥ 10²¹ лет. Следовательно, наибольшую роль могут играть только продукты спонтанного деления U²³⁸, хотя и она тоже не очень велика, потому что за время существования земной коры разделилось только лишь около 3 · 10^-5 % ядер этого изотопа, присутствующих в начальный момент образования земной коры. Из рис. 9 следует, что увеличение распространенности за счет спонтанного деления можно ожидать только для изотопов с A от 85 до 105 и от 130 до 150.

В 1947 г. акад. В. Г. Хлопин с сотрудниками путем измерения соотношения изотопов ксенона (124≤ Α ≥136) и аргона (36≤ Α ≥40), выделенных из уранинита пегматитовых жил Северной Карелии, показал, что ксенон в этом минерале образуется при спонтанном делении урана. Дальнейшие детальные исследования показали, что в урановых минералах происходит как спонтанное деление U²³⁸, так и деление ядер U²³⁵ медленными нейтронами, которые, как мы увидим дальше, всегда присутствуют в урановых минералах. Доля этих двух видов деления зависит от возраста минерала, концентрации урана и природы примесей, присутствующих в минерале. Наблюдаемые в земной коре аномалии в распространенности некоторых изотопов теллура, ксенона и самария объясняются И. П. Селиновым спонтанным делением изотопов трансурановых элементов (например, Cf²⁵⁴), последние могли входить в состав вещества, из которого образовалась наша планета, но вследствие сравнительно малых периодов полураспада полностью распались.

Следствием спонтанного деления атомных ядер является возникновение в земной коре постоянного источника нейтронов. Зная, что среднее содержание урана в земной коре толщиной 15 км составляет 4 · 10 ⁴ %, нашли, что в этом слое выделяется около 3 нейтр/сек см². Другим источником нейтронов в земной коре служат ядерные реакции под действием альфа-частиц, возникающих при радиоактивном распаде естественных радиоэлементов. Вычислено, что за счет (α, п) — реакций с ядрами легких элементов — лития, бериллия и других — возникает около 10^—3 нейтр/г· сек.

Одним из важных следствий наличия в земной коре нейтронов является присутствие в урановых минералах долгоживущих изотопов Νρ²³⁷ и Pu²³⁹, которые образуются по реакциям:

Количества их, безусловно, очень малы. Так, например, из концентрата урановой смолки из Республики Конго удалось выделить только 10^—5 мкг чистого Νρ²³⁷.

В минералах земной коры протекают различные ядерные реакции, в основном с нейтронами и альфа-частицами. Однако они еще очень мало изучены. В качестве примера наиболее изученных реакций можно привести следующие: О¹⁸ + Не⁴ = Ne²¹ + ₀n¹и F¹⁹ + Не⁴ = ₀n¹ + Na^{22 β+}→ Ne²², которые протекают в урановых минералах. Благодаря этим реакциям происходит изменение изотопного состава неона. Так, отношение Ne²¹/Ne²⁰ в неоне, выделенном в одном из таких минералов, равно 1,05, а для неона атмосферы — 0,0028.