Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

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 + 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