Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

«Изос» в переводе с греческого означает «одинаковый», а «топос» – место¹. Все атомы Углерода находятся на «одинаковом месте» в Периодической таблице, и, как вы помните, это означает, что у них полностью совпадают атомные номера и распределение электронов, так что они ведут себя совершенно одинаково во всех химических реакциях. Как нам уже известно, если число электронов у них одинаково, тогда одинаковым должно быть и число их протонов – только при выполнении этого условия они окажутся электрически нейтральными. Действительно, все именно так: атомный номер каждого атома Углерода – шесть, что указывает на шесть его протонов и шесть электронов.

Таким образом, единственный оставшийся показатель, благодаря которому мы можем отличить разновидности Углерода, – это число нейтронов, присутствующих в каждом ядре, поскольку эти частицы нейтральны и никак не влияют на электрически заряженные компоненты. И именно в числе нейтронов, присутствующих в каждом атомном ядре, мы увидим различия. Если бы вы взяли обрезок ногтя и разобрали его атом за атомом, вы бы обнаружили, что примерно 45 % в нем составляли атомы Углерода. Но если бы вы очень аккуратно отсортировали атомы по массе в крошечные ведерки, для Углерода вам понадобилось бы три. Около 98,93 % атомов Углерода оказались бы в ведерке с атомной массой в 12 а. е. м. Большая часть из оставшихся 1,07 % обладала бы массой 13 а. е. м., а примерно один атом из триллиона весил бы 14 а. е. м. Можно было бы подумать, что нечто, существующее в виде одной части из триллиона, вряд ли вообще покажется на свет, но важно помнить, что атомы крохотны; с одного обрезка вашего ногтя в ведерко под номером 14 соберется более миллиарда атомов.

Таким образом, изотопы Углерода различаются по числу нейтронов, содержащихся в их ядре, а внешне отличия проявляются в массе атома (изначально названной «атомным весом»). Мы указываем на них, помечая символ атома массовым числом (число протонов плюс число нейтронов), которое выглядит как предшествующий надстрочный индекс: для трех самых распространенных изотопов Углерода мы получим ¹²C, ¹³C, ¹⁴C (иногда их также записывают как C-12, C-13, C-14).

В общей сложности есть еще двенадцать изотопов Углерода, и они варьируются от ⁸C (всего с двумя нейтронами) до ²²C (который может похвастаться колоссальным числом нейтронов – их шестнадцать), но ни один из этих изотопов – ни сотворенный в лаборатории, ни возникший в природе – не отличается долгой жизнью; время жизни ¹¹С в среднем составляет примерно 20 минут, а все остальные существуют не более 20 секунд (некоторые – намного меньше, как, например, ⁸С со временем жизни 0,000000000000000000002, или 2 x 10^–21 с). ¹⁴С также склонен к распаду, но он разрушается достаточно неспешно, и этот срок измеряется тысячелетиями. Склонность некоторых ядер спонтанно преображаться в другой изотоп – основа радиоактивности, предмет следующей главы и ключ к датированию давно минувших событий.

Поэтому мы говорим, что Углерод обладает двумя стабильными изотопами (¹²C и ¹³C) и тринадцатью нестабильными, или радиоактивными. Это не значит, что стабильные изотопы совершенно неспособны на изменения. Если мы достаточно сильно ударим по их ядру – либо другими частицами, либо протонами с чрезвычайно высокой энергией, – мы можем возбудить их и даже преобразовать в другие ядра. Но если оставить их в покое, они будут существовать сами по себе и останутся неизменными на протяжении срока, который по меньшей мере в миллиард раз превышает возраст Вселенной, – они очень стабильны².

Открытие изотопов

Точно так же, как химики в первые десятилетия XIX века ввели концепцию атомов, обладающих различной массой и характерными свойствами, физики в первые два десятилетия XX века открыли, что элементарный атом может существовать в разных состояниях массы. К 1920 году два независимых потока мысли сошлись, и было установлено существование изотопов.

Первое направление исследований затрагивало радиоактивные³ элементы, расположенные в конце Периодической таблицы, – Торий и Уран. Уран добывают из минерала под названием настуран – вещества, используемого как краситель в стеклоделии еще со времен Римской империи. В форме элемента Уран в 1789 году выделил немецкий аптекарь Мартин Клапрот, назвав его в честь Урана – первой планеты, которую в том же десятилетии, только чуть раньше, впервые наблюдал в телескоп Уильям Гершель. А в 1828 году шведский химик Йёнс Берцелиус выделил Торий – новый элемент, один из восьми⁴, которые он открыл в своей лаборатории за три десятилетия XIX века.

В 1896 году Антуан Анри Беккерель по счастливой случайности обнаружил радиоактивность Урана (см. гл. 6), а вслед за этим, в 1898 году, в компании радиоактивных элементов наравне с ним оказался и Торий (его радиоактивность установили Герхард Шмидт и, независимо от него, Мария Кюри). С этого началось еще более активное изучение обоих элементов. Вскоре стало очевидно, что в руде наравне с ними присутствовали и другие радиоактивные элементы, предварительно получившие названия мезоторий (из ториевых руд) и ионий (из ураниевых руд). Однако попытки выделить два новых элемента при помощи химических средств обернулись неожиданностью: ионий не отличался от самого Тория, а мезоторий в химическом отношении казался идентичным Радию, расположенному на две ступени ниже в Периодической таблице. Английский химик Фредерик Содди подвел итог сложившейся ситуации в 1910 году: «…элементы, имеющие различные атомные веса, могут обладать одинаковыми [химическими] свойствами»⁵. Иными словами, атомы с идентичными электронными конфигурациями (определяющими их химические свойства) и тем самым располагающие одинаковым числом протонов (что определяет их место в Периодической таблице) могут иметь разные массы («атомные веса»).

С учетом того, что относительный атомный вес играл ключевую роль в определении долей каждого типа атома в сложных веществах – и поэтому был важен для распознавания самих элементов, – этот вывод в какой-то степени приводил в замешательство. Последнее слово в этом споре прозвучало с появлением новой технологии – масс-спектрометра. 1 декабря 1919 года Фрэнсис Астон, физик, работавший в Кавендишской лаборатории в Кембридже, опубликовал статью с описанием своего «спектрографа положительных лучей»⁶. В этом устройстве использовалось сочетание электрических и магнитных сил, призванное на основании удельного заряда отклонить «положительные лучи», испущенные различными веществами (теперь мы называем эти «лучи» ионами), на отдельные приемники. Работая с Неоном, Астон показал, что поток, в котором все ионы обладали одинаковым зарядом, разделялся надвое, и массы атомов в двух потоках составляли 20 и 22. В последующие годы при помощи своего устройства он исследовал десятки различных элементов и определил 212 особых изотопов, способных существовать в природных условиях.

В ходе своих экспериментов Астон выяснил, что в том случае, когда изотопы одного и того же элемента были отделены друг от друга, каждый из них обладал атомным весом, очень близким к целому числу на шкале, рассмотренной нами в прошлой главе, где Углерод имел точно 12 единиц, а Водород – 1. Так, например, встречающийся в природе Хлор, атомная масса которого давно была измерена и составляла 35,45 массы Водорода, на самом деле представлял собой смесь двух разных изотопов элемента: 75,77 % Cl-35 и 24,23 % Cl-37⁷. Когда в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, значение «правила целых чисел» Астона стало очевидным: атомный вес (или, если говорить в привычных нам сегодня терминах, атомная масса) – это просто сумма протонов и нейтронов, которые содержатся в ядре. Различные изотопы можно отличить по числу нейтронов, которые присутствуют в ядре наравне с четко установленным числом протонов (атомный номер), определяющим место каждого элемента в Периодической таблице (рис. 4.1).

Инвентарь изотопии

Каждый элемент от номера 1 (Водород) до номера 82 (Свинец) – за исключением двух случаев – имеет по меньшей мере один стабильный изотоп. У двадцати шести элементов есть только один (к таким, например, относятся Бериллий (4-й элемент); Фтор (9-й элемент); Натрий (11-й элемент); Алюминий (13-й элемент) и так далее⁸); рекордсмен – Олово (50-й элемент), у которого десять стабильных изотопов. Эти восемьдесят элементов в общей сложности содержат 254 изотопа, никогда не проявлявшие какой бы то ни было нестабильности.

Впрочем, среди восьмидесяти двух первых элементов выделяются два, которые не обладают стабильной формой: это Технеций (номер 43) и Прометий (номер 61). Два наиболее долгоживущих изотопа Технеция – это ⁹⁷Te и ⁹⁸Te, оба они в среднем способны существовать примерно 4,2 миллиона лет, однако самый распространенный изотоп (обнаруживаемый, наряду с Ураном, в настуране⁹) – это ⁹⁹Te, присутствующий в мельчайшей концентрации примерно в 1 часть на 4 триллиона, и при этом срок его жизни – лишь 211 000 лет. Это означает, что со времен возникновения Земли – а это случилось 4,57 миллиарда лет тому назад, – Технеция просто не могло остаться, и эти изотопы, по всей вероятности, возникли в ходе естественных процессов, о которых мы поговорим в главе 6. Прометий, подобным образом, в крошечных количествах встречается в урансодержащих материалах; наиболее стабильный его изотоп – ¹⁴⁵Pm, среднее время жизни которого составляет лишь 17,7 года.

После Свинца (номер 82) ни один из встречающихся в природе элементов (номера 83–94) не имеет даже одного стабильного изотопа, хотя некоторые из них отличаются завидной долговечностью и многое повидали еще с возникновения Солнечной системы. Рекордсменом в данном случае станет Висмут-209 (83-й элемент) с установленным сроком существования в 1,9 x 10¹⁹ лет, что более чем в миллиард раз превышает возраст Вселенной – он еще долго нас не покинет. Двое других изотопов-долгожителей из этой части Периодической таблицы – это Торий-232 со временем жизни в 14 миллиардов лет (в пределах нескольких процентных пунктов от возраста Вселенной) и Уран-238, срок жизни – 4,47 миллиарда лет, почти ровесник Земли. Как мы увидим в главе 6, «время жизни» в данном случае – это не конкретное число. Точно так же, как у людей средняя продолжительность жизни не означает, что каждый умирает в 78,6 года – много кто перешагнул этот рубеж, – поэтому вполне можно предположить, что какие-то из этих трех элементов присутствовали на Земле с самых первых дней ее формирования. Если учесть радиоактивные изотопы, которые обладают как стабильной, так и нестабильной формой, то в общем итоге у нас тридцать четыре различных изотопа, нестабильные, но способные прожить более ста миллионов лет. Эти неустойчивые, но долговечные изотопы удачно названы «первичными», поскольку они присутствовали в облаке, благодаря сгущению которого возникла Солнечная система.