3. Радиоактивность

Явление радиоактивности впервые было открыто Анри Беккерелем в 1896 г.: он заметил, что уран давал излучения, которые вели себя подобно рентгеновским лучам, но им не нужно было никакой дополнительной энергии. Дальнейшие опыты, проведенные Пьером и Марией Кюри, позволили уточнить природу частиц и излучений.

Различают два основных типа радиоактивности: альфа-распад, который касается только тяжелых элементов, и бета-распад, который в том числе касается и легких элементов.

Альфа-распад

Нестабильность тяжелых элементов

Очень тяжелые элементы, такие как уран, обладают большим числом протонов и нейтронов. В связи с этим возникает проблема, связанная с большим размером ядра. Сильное взаимодействие между нуклонами уменьшается с расстоянием гораздо быстрее, чем электростатическое отталкивание между протонами: таким образом, чем больше ядро, тем больше отталкивание преобладает над притяжением.

Чтобы это компенсировать, тяжелые элементы обладают большим количеством нейтронов, чем протонов: например, у урана 92 протона и 146 нейтронов. Его обозначают ²³⁸U, чтобы показать, что у него 238 нуклонов.

Понятно, что атомы урана, которые обладают меньшим числом нейтронов, нестабильны из-за электростатического отталкивания: например, ²³⁵U, у которого 92 протона и «всего» 143 нейтрона. Речь идет об уране, который используют в атомных электростанциях. Мы вернемся к этому позднее.

²³⁸U и ²³⁵U называют «изотопами» урана: у них одинаковое число протонов, но не одинаковое число нейтронов.

Что касается элементов еще более тяжелых, чем уран, они становятся нестабильными, каким бы ни было число их нейтронов, – таких в природе не существует.

Процесс распада

Классическая физика заявляет, что такие очень тяжелые атомы должны бы быть стабильными при достаточном наличии нейтронов. На самом деле они не стабильны из-за туннельного эффекта. Мы знаем, что благодаря своей волновой природе частицы способны преодолевать «энергетические барьеры», даже если у них недостаточно энергии, чтобы сделать это классическим способом. Именно это происходит с тяжелыми элементами, такими как уран. Нуклонам удается оторваться благодаря туннельному эффекту, несмотря на сильное взаимодействие.

Один протон не может освободиться, потому что это создало бы слишком большую пропорцию нейтронов относительно протонов в ядре (у которого из-за этого повысилась бы энергия по сравнению с начальным ядром). То есть необходимо освободить столько же протонов, сколько и нейтронов: на практике освобождается ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Его называют альфа-частицей.

Возьмем пример урана‐238, не слишком распространенного в природе. Это записывается: ²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He.

Разумеется, результат этого радиоактивного распада 234Th больше не называется ураном, поскольку у него уже другое число протонов. Это изотоп тория. В процессе такой реакции говорят, что ²³⁸U – материнское ядро, а ²³⁴Th – дочернее ядро.

Опасности альфа-распада

Излученное ядро гелия легко остановить простым листом бумаги, и, следовательно, оно не опасно, если только радиоактивную субстанцию не трогать и не глотать. В действительности опасность такого распада происходит от двух побочных эффектов.

• Прежде всего, во время распада ядро подвергается резкой перестройке. Поскольку ядро имеет сильный заряд, процесс сопровождается электромагнитным излучением очень высокой мощности. Излученные фотоны соответствуют по диапазону γ-лучам, то есть они самые мощные из всех.

• С другой стороны, полученные «дочерние ядра» также радиоактивны: они обладают избытком нейтронов и, следовательно, распадутся в процессе бета-распада (см. ниже).

Полураспад изотопов

Поскольку альфа-распад происходит благодаря туннельному эффекту, невозможно предсказать, когда распад произойдет: можно лишь высказать вероятность распада за определенное время.

Период полураспада изотопа позволяет определить скорость его распада и, следовательно, его стабильность: он представляет собой время, за которое половина атомов распадется. Чем стабильнее ядро, тем медленнее процесс: у урана-238 период полураспада сравним с возрастом самой Земли, что показывает, что он не очень радиоактивный. Это не случайность: более тяжелые элементы, будучи более нестабильными, исчезли во время формирования Земли…

Заметим все же, что уран‐235 с периодом полураспада в 700 миллионов лет не полностью исчез с Земли. Именно он используется при расщеплении атомного ядра (см. параграф 4).

Бета-распад

Роль слабого взаимодействия

Бета-распад происходит, когда в ядре слишком большая пропорция нейтронов или протонов. Случаи с избытком нейтронов распространены гораздо больше. В предыдущей части мы видели, что тогда нейтрон сам превращался в протон, излучая W-бозон (частицу – переносчик слабого взаимодействия). До сих пор мы не рассказывали, что же происходит с W-бозоном. Если рассуждать по аналогии с тремя другими фундаментальными силами, он должен был бы следовать дальше своим путем, пока не встретит другую частицу, чтобы воздействовать на нее своей силой. Проблема в том, что W-бозон сам совершенно нестабилен: он существует менее миллионной миллиардной секунды… Так что вряд ли у него будет время встретить другую частицу, прежде чем исчезнуть.

Мы видели, что созданный W-бозон обладает зарядом электрона, поэтому легко понять, что, исчезнув, он вызывает появление электрона.

В ходе опытов, однако, обнаруживается, что электрон наследует не всю энергию, содержавшуюся в W-бозоне. Чтобы объяснить эту разницу в энергии, в 1930 г. физики сделали вывод о существовании новой частицы, нейтрино: он должен реагировать на слабое взаимодействие, поскольку создан W-бозоном, но не должен иметь заряда. Отсутствие заряда означает, что нейтрино почти не взаимодействует с материей, поскольку электростатическая сила никак не действует на него: по этой причине нейтрино был обнаружен (то есть открыт экспериментально) только в 1956 г.

СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ – СИЛА ДОВОЛЬНО СТРАННАЯ

Учитывая вышесказанное, слабое взаимодействие в том числе отвечает за превращение нейтрона в протон. Но мы видели, что нейтрон с некоторой вероятностью распадается сам по себе: при чем же тут понятие взаимодействия? Для взаимодействия необходимо как минимум две частицы…

Чтобы разобраться в этом, проведем аналогию с электромагнитной силой. Благодаря электромагнитной силе электрон атома, расположенный на верхней орбитали, имеет некоторую вероятность потерять энергию, приближаясь к ядру. Это приводит к излучению фотона, частице – переносчику электромагнитного взаимодействия.

Этот излученный фотон вполне может удалиться в бесконечность, не реагируя с материей: хотя он и переносит электромагнитное поле и тесно связан с электромагнитной силой, излучение не всегда приводит к взаимодействию двух частиц.

В итоге атом теряет энергию, не взаимодействуя с другим атомом; но, хотя фотон ни с кем и не вступает в контакт, его излучение является следствием существования электромагнитной силы (именно она приближает электрон к ядру и заставляет его терять энергию путем излучения фотона).

То же самое со слабым взаимодействием: нейтрон теряет энергию, излучая бозон, что означает, что должна существовать некая сила, которая заставляет эту энергию терять. Но сила эта остается скрытой; W-бозон исчезает, не успев встретиться ни с единой частицей. В конце концов, необходимо признать, что сила слабого взаимодействия поистине озадачивает: с одной стороны, краткое существование W-бозона, с другой стороны, его заряд, который объясняет превращение частиц, связанных с этим взаимодействием.

Пример бета-минус-распада

Чтобы подвести итог, возьмем пример радиоактивного бета-распада. В природе углерод существует в виде ¹²С: он содержит 6 протонов и 6 нейтронов. Но существует также малая пропорция ¹⁴С (углерод‐14), который содержит 6 протонов и 8 нейтронов: этот изотоп нестабилен из-за избытка нейтронов. Он стремится распасться в результате реакции: ¹⁴С → ¹⁴N + е^– + ῡ.

Азот ¹⁴N содержит 7 протонов и 7 нейтронов, то есть во время реакции один нейтрон превратился в протон. е^– представляет собой электрон, образовавшийся после исчезновения W-бозона, а ῡ – это нейтрино (на самом деле речь идет об «антинейтрино», но разница между ними слишком мала, и мы не будем на этом задерживаться).

Полураспад углерода‐14 занимает 5730 лет. Поскольку в масштабе земного времени он очень нестабилен, то в естественном виде его не должно существовать. Но он мало-помалу возрождается в атмосфере (см. врезку ниже).

Бета-плюс-распад

Радиоактивность, которую мы только что описали, превращает нейтрон в протон и излучает электрон, поэтому она называется бета-минус-распад. Гораздо реже встречаются ядра с избытком протонов: тогда это протон, который превращается в нейтрон. На практике кварк u протона превращается в кварк d, что образует нейтрон.

Вместо того чтобы выбрасывать отрицательный заряд (электрон), эта реакция выбрасывает положительный заряд, чтобы сохранить общий заряд. Она выбрасывает позитрон: перед нами еще одна новая частица, которая является не чем иным, как электроном, только положительно заряженным.

У позитрона и протона много различий: в частности, масса позитрона гораздо меньше (чем у электрона), и он не состоит из 3 кварков (это элементарная частица).

Помимо позитрона эта реакция образует также нейтрино для удаления избытка энергии. Возьмем пример распада фтора‐18: ¹⁸F → ¹⁸О + е⁺ + v, где е⁺ является излученным позитроном, а v – нейтрино. Такой тип радиоактивности называется бета-плюс-распад.

УГЛЕРОД‐14

Верхний слой атмосферы (стратосфера) постоянно подвергается атаке высокоэнергетических фотонов, приходящих из космоса (космические лучи). Между тем стратосфера в основном состоит из двухатомного азота и двухатомного кислорода, как и у поверхности земли. Ударяя атомы кислорода, космические лучи могут освобождать нейтрон высокой энергии. Тот, в свою очередь, ударяясь в ядро азота, может занять место протона: в итоге вместо азота‐14 (7 протонов, 7 нейтронов) мы получаем углерод‐14 (6 протонов, 8 нейтронов). Этот радиоактивный углерод затем может соединиться с двухатомным кислородом и образовать радиоактивный диоксид углерода CO₂.

Этот процесс компенсируется естественным распадом (бета-распад), и в атмосфере создается равновесие: содержание углерода‐14 по сравнению со стабильным углеродом‐12 остается постоянным.

Эта смесь проникает в живых существ при контакте с воздухом. Но предположим, что живой организм умирает и покрывается слоем земли, не пропускающим воздух. Разложение углерода‐14 не компенсируется его созданием, и его содержание в организме мало-помалу снижается.

Полураспад углерода‐14 занимает 5730 лет: если в умершем организме содержание углерода‐14 вдвое меньше, чем в живом, это значит, что организм умер и не имел доступа к воздуху 5730 лет. Это является идеальным методом для определения возраста органических веществ в масштабе от нескольких тысячелетий до нескольких десятков тысяч лет.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ: ОБОБЩЕНИЕ

Сделаем обзор разных элементарных частиц, о которых пришло время упомянуть. Обозначенный заряд является частичным (1 = заряд протона).

• Частицы материи:

Кварк u (заряд = 2/3): в протоне их 2, в нейтроне 1.

Кварк d (заряд = –1/3): в протоне 1, в нейтроне 2.

Электрон (заряд = –1): его масса в 836 раз меньше массы протона.

Позитрон (заряд = +1): это античастица электрона, то есть его заряд противоположный, но масса идентичная. Излучается при бета-плюс-распаде.

• Частицы взаимодействия:

Гравитон (гипотетический): переносит силу гравитации, это объясняет тот факт, что он пока не был обнаружен (сила очень слабая).

Фотон: переносит электромагнитную силу.

Бозон W ⁺, W ^– и Z: заряды соответственно +1, –1 и 0. Переносят слабое взаимодействие.

Отметим, что существует множество других элементарных частиц, например таких как нейтрино. Перечислить их все здесь было бы слишком трудно.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СИЛЫ: ОБОБЩЕНИЕ

Перечислим четыре фундаментальные силы Вселенной:

• Гравитация

Переносчик: гравитон, ключевой параметр – масса (всегда +).

От нее зависит образование планет и звезд.

• Электромагнитная сила

Переносчик: фотон, ключевой параметр – заряд (плюс или минус).

Является причиной всех повседневных явлений.

• Сильное ядерное взаимодействие

Переносчик: глюон, ключевой параметр – цвет (красный, зеленый или синий).

Отвечает за связь внутри ядер, синтез и расщепление, альфа-распад.

• Слабое ядерное взаимодействие

Переносчик: бозон W и Z.

Отвечает за превращение частиц, бета-распад.

Опасности бета-распада

Как и альфа-распад, бета-распад вызывает значительную перестройку ядра: будучи заряженным, ядро излучает фотоны высокой мощности в диапазоне электромагнитного спектра, которые опасны для здоровья. Что касается электрона, его можно легко остановить листом алюминиевой фольги. Наконец, позитрон, образованный при бета-плюсраспаде, взаимодействует с первым встречным электроном в материи и образует два фотона.