Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

Среднее время существования Стронция – 28,8 года, поэтому более ¾ этого изотопа, став частью зубов и костей, подвергнется радиоактивному распаду в течение жизни человека (и это будет сопровождаться довольно неприятным высвобождением жесткого излучения внутри тела). В 1963 году Г. Розенталь, Дж. Гилтер и Дж. Бёрд11 смогли показать, что у детей, рожденных в 1957 году, уровень 90Sr в зубах был в десять раз выше, чем у тех, кто родился в 1951-м; к 1963 году показатели различались уже в пятьдесят раз12. Эти данные были опубликованы в то время, когда президент Джон Кеннеди вел с Советским Союзом переговоры о запрете испытаний ядерного оружия в атмосфере. И многие полагают, что именно благодаря результатам исследований соглашение было ратифицировано в сенате очень быстро – всего через семь недель после того, как его 5 августа 1963 года, за день до восемнадцатой годовщины атомной бомбардировки Хиросимы, подписали в Москве.

Глава 6

Радиоактивность: невозмутимые часы

В главе 5 я ввел понятие «радиоактивных» изотопов и говорил об их «среднем времени жизни». Поскольку эти понятия играют ключевую роль в нашем стремлении воссоздать историю при помощи атомов, важно уже сейчас подробнее обсудить этот момент и уточнить некоторые нюансы.

Открытие радиоактивности

«Радиоактивность» никак не связана с радиоволнами. Слово происходит от латинского radiatio («сияние», связано со словом «радиус», как спицы колеса, «сияющие» от ступицы) и actif (старофранцузское от латинского activus, «деятельный»). Его придумали в 1898 году Пьер и Мария Кюри, исследовавшие удивительное открытие, которое двумя годами ранее совершил Анри Беккерель. Напомним, он сумел обнаружить, что от Урана (а также от Полония и Тория, как впоследствии выяснили Пьер и Мария) исходили высокоэнергетические лучи… неведомой природы.

В 1892 году Беккерель, пойдя по стопам деда и отца, стал третьим представителем династии, возглавившим кафедру физики в Национальном музее естественной истории (на самом деле эту кафедру с 1838 по 1948 год непрерывно занимали четыре поколения Беккерелей). Прежде всего его интересовал феномен фосфоресценции, наблюдаемый в таких явлениях, как светящиеся в темноте фрисби и звездочки, наклеенные на потолки в детских спальнях. Фосфоресценция происходит в тот момент, когда подсвеченному объекту передается энергия, и он сияет (часто другим цветом) еще долго после того, как освещение прекратится. Если перевести это на «язык атомов», то мы поймем, что свет, направленный на объект, заставляет электроны перескакивать в возбужденное состояние, в котором они остаются на протяжении долгого времени, прежде чем соскочить на другой энергетический уровень (и тем самым испустить свет с другой длиной волны).

Вслед за поразительным открытием Вильгельма Рентгена, который в ноябре 1895 года обнаружил всепроникающие невидимые «X‐лучи», Беккерель предположил, что эти лучи, по всей видимости, связаны с фосфоресценцией и что вещества, с которыми он работал – например урановые соли, – могли бы испускать их под действием яркого солнечного света. В конце февраля 1896 года он подготовил эксперимент: обернул стеклянную фотопластинку несколькими слоями черной бумаги (призванной помешать прямому воздействию света), положил образец соли на верхушку мальтийского креста и на несколько часов оставил соль под ярким солнечным светом. Когда фотопластинку достали, то на ней, в полном соответствии с теорией фосфоресценции, предложенной Беккерелем, оказался образ креста: под действием солнечного света соли Урана начали испускать лучи, и те засветили пленку везде, кроме тех мест, где металлический крест преградил им путь.

Потом было несколько пасмурных дней, и гипотеза не подтвердилась, – но это привело к эпохальному открытию. Вот что говорил по этому поводу сам Беккерель:

«Из числа предшествующих экспериментов некоторые были подготовлены еще в среду, 26-го, и в четверг, 27 февраля, и поскольку солнце в те дни появлялось лишь время от времени, я держал аппаратуру наготове и вернул коробочки в темноту, в ящик письменного стола, оставив лепешку урановой соли на месте. Поскольку солнце так и не появилось ни в те дни, ни в последующие, я проявил фотопластинки 1 марта, ожидая, что изображения будут едва заметны. Но вместо этого их очертания предстали невероятно четкими»1.

В направленном источнике света совершенно не было необходимости – урановые соли самопроизвольно испускали излучение высокой энергии, которое прошло сквозь слои черной бумаги, воздействовало на фотопластинки и отобразило силуэт креста, даже несмотря на то, что все это происходило в темном ящике письменного стола!

Вскоре после того, как об этом открытии стало известно, Пьер и Мария Кюри, а также Эрнест Резерфорд и многие другие обнаружили, что радиоактивные материалы порождали излучение трех различных типов, названных по трем первым буквам греческого алфавита: альфа, бета и гамма. К 1900 году их природа уже была установлена.

«Альфа-лучи», в сущности, представляли собой ядра Гелия (как нам уже известно, это два протона и два нейтрона, соединенные сильным ядерным взаимодействием). «Бета-лучами» оказались высокоскоростные электроны – отрицательно заряженные частицы, которые за три года до этого открыл Джозеф Томпсон, а «гамма-лучами», как удалось выяснить, – световые фотоны с очень высокой энергией (и короткой длиной волны). Поскольку все это происходило более чем за десять лет до того, как Резерфорд открыл атомное ядро, происхождение этих различных «лучей», как и источник их очень высоких энергий, оставались под завесой тайны. Сегодня мы понимаем радиоактивность как процесс, при котором неустойчивое ядро претерпевает три вида спонтанных превращений, направляющих его к большей стабильности.

В поисках стабильности

Как мы отмечали в главе 3, атомное ядро – это поле битвы между электростатическим отталкиванием множества положительно заряженных протонов, втиснутых в крошечное пространство, и влиянием сильного ядерного взаимодействия, которому подвергаются как протоны, так и нейтроны и которое, оказываясь мощнее отталкивания, связывает ядерные частицы воедино. У каждого элемента, тип которого определяется числом протонов, есть оптимальное количество нейтронов, действующих как буфер и позволяющих ядру достичь стабильности (впрочем, как отмечалось в главе 5, существует более десятка элементов, у которых нет неизменно устойчивого ядра). Наиболее выгодное соотношение протонов и нейтронов наглядно отображено на рис. 6.1, где мы указываем «долину стабильности». Заметим, что она неуклонно отходит от пропорции 1:1 по мере того, как возрастает атомный номер (число протонов) и добавляется лишний нейтронный «клей», необходимый, чтобы удержать ядро от взрыва.

Если ядро оказывается за пределами этой долины стабильности, оно стремится в нее вернуться и «скатиться по склону» в энергетически более комфортное место. Семь различных путей, доступных для этого, показаны на рис. 6.2. Мы говорим об этих процессах как о радиоактивном «распаде», хотя он, в сущности, не проявил какой-либо переход ни к смерти, ни к разложению – по крайней мере в большей степени, чем в изначальном ядре; кроме того, жизнь конечного элемента намного более безмятежна и стабильна. Вероятно, слово «превращение» подошло бы в данном случае намного лучше, но ради связности изложения мы последуем принятым правилам, а также не станем отходить от стандартных терминов и назовем изначальный радиоактивный элемент «материнским», а продукт его распада – «дочерним».

Альфа-распад

Взглянем на график. Когда тяжелое ядро находится ниже черты стабильности (изгибающейся вверх), оно может приблизиться к устойчивому положению, если двинется вниз по диагонали к атомным номерам с меньшим значением. Именно к этому превращению и ведет альфа-распад: элемент выбрасывает из ядра два протона и два нейтрона – «альфа-частицу» (она же ядро Гелия) – и соскакивает на две позиции ниже в Периодической таблице, например: 238U → 234Th + 4α. Обратите внимание на то, что атомная масса (число протонов плюс число нейтронов) в обеих частях уравнения остается одинаковой (212 = 208 + 4), как и число положительно заряженных частиц (92 = 90 + 2). При любом радиоактивном распаде эти два числа должны сохраняться: ни заряд, ни массовое число нельзя ни создать, ни уничтожить.