Текст книги "Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом"

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 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.

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 (Δm в E = Δmc², 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.

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 × 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⁺ + ν, 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 + ν, после чего резко спускается на одну ступень и создает более удобное соотношение нейтронов и протонов, 4:3.