Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

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 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.