Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

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 + ⁴?. 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.

Кроме того, всегда должна сохраняться энергия. При реакции, описанной выше, выделяется 4,3 миллиона электронвольт (МэВ) энергии по мере того, как ядро переходит от неустойчивого состояния к формированию более тесных связей – иными словами, если говорить образно, по мере его скатывания по склону холма в долину стабильности. Как показано в главе 4, эта энергия достигается за счет масс двух результирующих ядер, сумма которых немного меньше массы изначального ядра (?m в E = ?mc², или, в данном случае, 0,46 %).

Альфа-распад наиболее важен для группы тяжелых ядер, изотопы которых располагаются намного ниже границы стабильности. Начиная с элементов, чей атомный номер превышает 50, – скажем, таких как ₅₂Te (Теллур) и ₅₃I (Йод), – у изотопов, состояние которых и близко нельзя назвать устойчивым, все сильнее возрастает вероятность альфа-распада; например,¹²⁷I – это первый стабильный изотоп, а у изотопов ¹¹³I, ¹¹²I, ¹¹¹I, ¹¹⁰I и ¹⁰⁸I (которым до устойчивого состояния не хватает от 14 до 19 нейтронов) вероятность распада через альфа-канал составляет 0,00003 %, 0,0012 %, 0,09 %, 17 % и 90 % соответственно. Чем дальше изотопы от стабильного состояния, тем выше их склонность совершенно внезапно «соскакивать» на два места вниз в Периодической таблице. Эта черта проявляется у них вплоть до Свинца, последнего элемента с хоть сколь-либо устойчивыми изотопами – его первый значительный альфа-распад происходит в изотопе, у которого на четырнадцать нейтронов меньше, чем у легчайшего стабильного изотопа, ²⁰⁴Pb.

Рис. 6.1. График всех известных изотопов с отображением числа протонов в ядре каждого элемента, указанного в соотнесении с числом его нейтронов. У большинства элементов существует один или несколько стабильных изотопов, у которых соотношение протонов и нейтронов оптимально, а также один или несколько радиоактивных (нестабильных) изотопов, у которых оно далеко от долины стабильности (она представлена самыми темными тонами, обратите внимание на врезку на рисунке), поэтому неизбежно производится корректировка, осуществляемая через радиоактивный распад. Примерно у десяти легчайших элементов n = p, и это оптимально; более тяжелым элементам для стабильности необходима «набивка» добавочными нейтронами

Начиная с Висмута (атомный номер 83), легчайшего элемента без стабильных изотопов, альфа-распад случается еще чаще. К примеру, у ²⁰⁹Bi, изотопа, средний срок существования которого поразителен и превышает возраст Вселенной более чем в миллиард раз, альфа-распад происходит сам собой – просто весьма нечасто. То же самое справедливо для трех самых недолговечных элементов среди двенадцати самых тяжелых и при этом не имеющих стабильных изотопов (это Астат, Франций и Актиний) – все их долгоживущие формы претерпевают альфа-распад.

Можно вывести общий принцип, согласно которому альфа-распад ограничен сферой более тяжелых элементов, но из него есть одно важное исключение. Бериллий, элемент под номером 4, представляет собой исключение еще из одного правила, гласящего, что легкие элементы наиболее стабильны, когда обладают равным числом протонов и нейтронов: стабильный изотоп Бериллия – не ⁸Be, а ⁹Be. На самом деле ⁸Be претерпевает альфа-распад, разделяясь на два ядра ⁴He. Это играет решающую роль в том, как звезды производят энергию и проживают свою жизнь. После того как они тратят миллиарды лет на слияние Водорода и создание Гелия и как только звездное ядро начинает по большей части состоять из последнего элемента, ядра Гелия не могут слиться и образовать ⁸Be, поскольку такое ядро незамедлительно (в прямом смысле, за 0,000000082 секунды) разрушается снова, претерпевая альфа-распад. Этот процесс имеет очень серьезные последствия для угасания звезд и для создания химических элементов. И о том и о другом мы поговорим в главе 16.