Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Однако в начале 1934 года, менее чем за два года до того, как был открыт нейтрон и мы наконец-то составили картину атомного ядра, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии Кюри) создали первые «искусственные» изотопы, устроив бомбардировку стабильных изотопов быстрыми ядрами Гелия – так появились неизвестные прежде изотопы Азота, Фосфора и Кремния. Это воплощение мечтаний древних алхимиков было признано уже в следующем году, когда ученые удостоились Нобелевской премии по химии. За последние девяносто лет были созданы не только новые изотопы, но и двадцать четыре совершенно новых элемента, поэтому помимо девяноста четырех атомов, встречающихся в природе, современная Периодическая таблица включает еще и элементы, созданные в искусственных условиях и занимающие ячейки с 95 по 118. Общее число изотопов уже перешло за 3330, время жизни 620 из них превышает час, и некоторые из них

играют важную роль в медицине, производстве энергии и других технических областях.

Интересные изотопы

Неудивительно, что физикам-ядерщикам интересны все изотопы. Но есть среди них и такие, интерес к которым более широк, поскольку их можно применить в технологии – а также, как мы еще увидим в последующих главах, при воссоздании истории. В основе всей живой материи лежит Углерод, и три его изотопа, встречающиеся в естественных условиях, приносят огромную пользу во множестве областей – с их помощью можно выявить подделки при продаже старого вина, определить возраст старинных построек или произведений искусства, выяснить диету, которой следовали люди в давние времена, и записать историю климата в доисторическую эпоху. Тяжелые стабильные изотопы Водорода (²H) и Кислорода (¹⁸O) также играют важную роль в установлении температуры и скорости выпадения осадков в далеком прошлом. Кроме того, ¹⁸O – это ключевой предшественник Фтора-18, при помощи которого делаются снимки позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).

Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для диагностики, так и для лечения. Помимо ¹⁸F, в визуализирующих исследованиях играли свою роль Азот-13, Кобальт-60, Галлий-67, Технеций-99, Палладий-103, Рутений-106, Индий-111, Йод-123, Йод-125 и Йод-131, Цезий-137, Иридий-192 и Таллий-201, вводимые в организм путем инъекции или глотания. Благородные газы Криптон-81 и Ксенон-133 используются для ингаляций, а Стронций-89, Иттрий-90, Йод-131, Самарий-153 и Лютеций-177 – для борьбы с определенными раковыми опухолями и для паллиативного лечения боли в костях, сопровождающей разнообразные заболевания. Среднее время жизни ряда этих изотопов исчисляется минутами, поэтому их создают прямо на месте эксплуатации и используют немедленно, пока еще не успел произойти их распад на другие изотопы, непригодные для медицинских целей.

Топливом в ядерных реакторах служат Уран или Плутоний, хотя в настоящее время развивается новое поколение ториевых реакторов. Как правило, в природных условиях Уран, преобладающую форму которого представляет долгоживущий изотоп ²³⁸U, необходимо «обогащать», чтобы повысить содержание не столь долговечного и более легкого ²³⁵U и вывести его на уровень от 3 до 5 % в зависимости от типа реактора¹⁰. Внутри реакторов часть ²³⁸U превращается в ²³⁹Pu, что также вносит свой вклад в производимое тепло. Кроме того, ²³⁸U становится источником энергии для отправки миссий в дальний космос, где солнечные панели уже непрактичны, поскольку аппараты улетают слишком далеко от Солнца. И хотя в применении Тория-232 в качестве ядерного топлива есть несколько потенциальных преимуществ – помимо прочего, его намного больше на Земле, он дает меньше ядерных отходов и его побочные продукты сложнее использовать в военных целях, – ни одного коммерческого ториевого реактора еще не построено.

Изотопы затронули даже геополитику. В 1958 году Луиза Рейс и ее муж Эрик, встревоженные влиянием американских и советских ядерных испытаний, в те дни происходивших в атмосфере ежемесячно, помогли основать гражданский комитет Большого Сент-Луиса по ядерной информации – а потом, в сотрудничестве со стоматологическими школами, входившими в состав Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Сент-Луисского университета, провели исследование, собрав у юных жителей Сент-Луиса более 300 000 молочных зубов и замерив содержание в этих зубах радиоактивного изотопа Стронция-90, который, как было известно, возникал в ходе ядерных испытаний. В Периодической таблице химических элементов Стронций располагается прямо под Кальцием и, таким образом, обладает похожим распределением внешних электронов, благодаря чему при проглатывании легко заменяет Кальций в костях и зубах.

Среднее время существования Стронция – 28,8 года, поэтому более 3/4 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.