Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Бета-распад

Признание того, что бета-частицы – это всего-навсего электроны, не вызвало сколь-либо необычайного удивления на фоне представлений об атоме в начале XX столетия. В то время преобладала модель, в которой атом мыслился как «рождественский пудинг» из положительно заряженного теста с отрицательно заряженными электронами, подобными изюминкам (или, если угодно, кусочкам чернослива), благодаря чему он становился нейтральным и тем не менее содержал в себе единственную субатомную частицу, известную в те дни, а именно электрон. Требовался лишь некий процесс, происходящий в недрах атома и способный извергнуть эти изюминки-электроны, придав им высокую скорость. Но если вы до сих пор внимательно следили за моим повествованием, то вас должна была бы обеспокоить сама идея бета-распада: в нашей современной модели атома в ядре нет электронов! И не забывайте,

когда речь заходит о радиоактивном распаде, мы говорим о превращении ядра!

И здесь нам на помощь снова приходит знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc². Масса и энергия взаимно заменяют друг друга, и если у вас достаточно энергии, вы можете создать некоторую массу. При условии, что масса электрона крошечна, сформировать его не настолько сложно. В перерасчете на единицы энергии масса электрона составляет 0,511 МэВ, а энергии связи ядра, как мы видели, колеблются в пределах от десятков до тысяч Мэ В. Впрочем, здесь тоже необходимо следовать определенным правилам. Выше мы уже упоминали о том, что нам необходимо сохранять заряд, массовое число и энергию.

Кроме того, есть еще одно правило: нам нужно сохранить не только число протонов и прибавленных к ним нейтронов, но и равно так же оставить неизменным число лептонов – это класс частиц, к которым принадлежат электроны и нейтрино (см. гл. 3). Эта задача становится легче благодаря существованию античастиц, которые, по определению, «отменяют» нормальные частицы. Можно без проблем создать электрон и антиэлектрон (позитрон), если вы располагаете излишком энергии в 2 x 0,511 МэВ или 1,022 МэВ и можете ее свободно потратить, – мы получим один отрицательный и один положительный заряд, нейтрализующие друг друга, а также один лептон и один антилептон, которые также взаимно уничтожатся (и при этом мы совершенно не меняли общее число протонов и нейтронов). До тех пор пока массовое число и заряд бережно уравновешены, мы можем создать один электрон и одно антинейтрино, что также обеспечит нам и сохранение лептонного числа.

Оказывается, что именно последний процесс (и другой, обратный ему, в ходе которого создаются один позитрон и одно нормальное нейтрино) характерен для бета-распада. В сущности, он может проходить тремя различными путями, и все они направлены на то, чтобы переместить атомное ядро ближе к счастливой долине стабильности. Если в ядре слишком много нейтронов, как у изотопа ¹²B, можно изящно решить проблему, выпустив электрон (а также антинейтрино, чтобы сохранить лептонное число), благодаря чему происходит эффективное преобразование нейтрона в протон и электрон. Обретая дополнительный протон, ядро поднимается на одну ступень в Периодической таблице, и Бор превращается в Углерод. В то же время к нему добавляется нейтрон, и соотношение нейтронов и протонов из 7:5 (слишком много нейтронов) превращается в 6:6 (все уравновешено).

Этот процесс идет не только в ядрах, похожих на ¹²B. Любой нейтрон, которому не посчастливится оказаться за пределами крепких объятий сильного взаимодействия, претерпит распад, и реакция ₀n -> ₁p + _–1e + v продлится в среднем 880 секунд (примерно 15 минут). В пределах ядра временные рамки такой реакции варьируются в невероятной степени: у ¹²B она проходит за 0,02 секунды, а у ¹⁴С – за 5730 лет.

Эта ветвь бета-распада, в которой материнский элемент избавляется от электрона и тем самым сокращает соотношение протонов и нейтронов, перемещает изотоп из положения над границей стабильности вниз и вправо, ближе к ней. Изотопы, расположенные под границей, напротив, движутся вверх и влево, вкатываясь в долину стабильности, – и им, как следствие, требуется противоположный процесс, иногда называемый обратным бета-распадом. Например, ¹²N, у которого слишком мало нейтронов (соотношение 5:7), может попытаться обрести устойчивость, эффективно преобразив протон в нейтрон: ¹²N -> ¹²C + e⁺ + ?, и мы получаем счастливый Углерод с соотношением 6:6 и соблюдением всех законов сохранения (заряд, массовое число, энергия и лептонное число). Так, при помощи бета-распада и обратного бета-распада радиоактивные изотопы на протяжении всей Периодической таблицы переходят в более стабильные формы, а предпочтение варианта зависит от того, на какой стороне долины они находятся.

Третий путь бета-распада – захват электрона – также позволяет получить более устойчивое ядро. Если в облаке, полном электронов, один из них оказывается слишком близко от ядра, его может затянуть внутрь, и тогда протон преобразится в нейтрон, как при обратном бета-распаде, а изотоп переместится ниже границы и станет ближе к стабильному состоянию. Пример, при помощи которого мы сможем это показать, – Бериллий-7. В его ядре слишком много протонов и недостаточно нейтронов, поэтому оно охотно захватывает пролетающий по орбите электрон: ⁷Be + + e^– – > ⁷Li + ?, после чего резко спускается на одну ступень и создает более удобное соотношение нейтронов и протонов, 4:3.

Гамма-распад

Последний тип «излучения», испускаемого радиоактивными ядрами, – высвобождение гамма-лучей – на самом деле оказывается единственным из трех, который в точности соответствует смыслу слова «излучение», поскольку это просто свет с высокой энергией. Он возникает точно так же, как и в том случае, когда электроны испускают свет с низкой энергией – благодаря переходу из возбужденного состояния в более спокойное. Из главы 4 мы помним о том, что, когда электрон, движущийся по орбите вокруг ядра, поглощает фотон или когда по нему ударяет подлетающая частица, он может вобрать эту энергию и перескочить в возбужденное состояние. По прошествии некоторого времени (в действительности, возможно, довольно краткого) он может вновь соскочить обратно и испустить собственный фотон. В атомном ядре есть аналогичные уровни энергетического возбуждения (см. рис. 6.2), доступ к которым оно может получать либо тогда, когда поглотит фотон с подходящей энергией или претерпит столкновение с пришедшей извне частицей, либо в том случае, если оно подвергнется альфа- или бета-распаду, который оставит ядро в возбужденном состоянии. А поскольку все энергии в ядре в миллионы раз больше тех, благодаря которым электроны удерживаются на своих орбитах, мы и получаем в той части спектра, где располагается гамма-излучение, фотоны не с несколькими электронвольтами (видимый свет), а с миллионами электронвольт (МэВ).

Спонтанное и вынужденное деление

Существует еще одна ярчайшая форма ядерного преобразования, которая сдвигает ядро не на несколько ступеней вверх или вниз в Периодической таблице, а перемещает его поразительно далеко от изначального положения, разрывая надвое или на несколько частей. В естественных условиях этот процесс наблюдается только у изотопов Тория-232, Урана-235, Урана-238, Плутония-239 и Плутония-240, и даже в этих случаях он чрезвычайно редок. Например, у ²³⁸U он происходит лишь в 0,000054 % случаев, когда схождение в долину стабильности начинается с нормального альфа-распада. Впрочем, такой распад намного более распространен в рукотворных элементах, которые в Периодической таблице находятся выше Плутония. Например, ²⁵⁰Cm, изотоп Кюрия, элемента с атомным номером 96, спонтанно делится примерно в 74 % случаев, предпочитая эту заманчивую альтернативу и альфа- (18 %), и бета-распаду (8 %).

Рис. 6.2. Схематичное представление семи типов ядерного распада: альфа-распад, бета-распад, обратный бета-распад, захват электрона, гамма-распад, вынужденное деление и спонтанное деление. У тяжелых ядер отмечены их атомная масса, атомный номер и химический символ. У легких ядер, вовлеченных в бета-распад, подробно показаны числа протонов и нейтронов. Над каждой проиллюстрированной реакцией приведены уравнения распада

При спонтанном делении ядро никогда не распадается на равные части, однако может порождать самые разные элементы, которые располагаются ближе к середине Периодической таблицы. Кроме того, следует добавить, что некоторые нейтроны часто не могут найти себе приют ни в том ни в другом фрагменте, что приводит к последней из семи форм распада: вынужденному делению. Нейтроны нейтральны, поэтому без проблем проникают в атомное ядро, и когда они оказываются внутри тяжелого нестабильного ядра, может начаться хаос. В большинстве реакций деления, вызванного нейтронами, появляется два больших осколка и несколько нейтронов-скитальцев, хотя иногда, менее чем в 1 % случаев, создается три отдельных фрагмента.

Также реакцию деления может запустить фотон с достаточно высокой энергией, разорвав ядро на части, а еще она может начаться, когда в ядро ударяет частица с высокой энергией, отличная от нейтрона. Но наиболее эффективны именно относительно медленные нейтроны. Поскольку в ходе каждой реакции деления создается, как правило, не один, а несколько нейтронов, эти избыточные нейтроны способны, в свою очередь, запустить новые реакции деления, высвободив еще больше энергии и еще больше нейтронов. Благодаря этому реакция может стать самоподдерживающейся, и если мы возьмем ее под контроль, внимательно отслеживая число созданных нейтронов, то получим атомную электростанцию, способную генерировать электричество, причем объемы топлива при этом составят одну десятимиллионную от тех, какие предполагаются в процессах, подразумевающих химические реакции, – скажем, при сжигании угля, нефти или газа. Но если мы позволим этим реакциям умножаться без ограничений, тогда нас ждет взрыв атомной бомбы, подобной той, что стерла с лица земли Хиросиму.