Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

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.