Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд Страница 25

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.

Также реакцию деления может запустить фотон с достаточно высокой энергией, разорвав ядро на части, а еще она может начаться, когда в ядро ударяет частица с высокой энергией, отличная от нейтрона. Но наиболее эффективны именно относительно медленные нейтроны. Поскольку в ходе каждой реакции деления создается, как правило, не один, а несколько нейтронов, эти избыточные нейтроны способны, в свою очередь, запустить новые реакции деления, высвободив еще больше энергии и еще больше нейтронов. Благодаря этому реакция может стать самоподдерживающейся, и если мы возьмем ее под контроль, внимательно отслеживая число созданных нейтронов, то получим атомную электростанцию, способную генерировать электричество, причем объемы топлива при этом составят одну десятимиллионную от тех, какие предполагаются в процессах, подразумевающих химические реакции, – скажем, при сжигании угля, нефти или газа. Но если мы позволим этим реакциям умножаться без ограничений, тогда нас ждет взрыв атомной бомбы, подобной той, что стерла с лица земли Хиросиму.

Как мы уже говорили, ядро Урана при делении (238U или 235U) в большинстве случаев разделяется на две неравные части. Изотопы с меньшей массой сосредоточиваются вокруг атомной массы со значением 95 в пределах от 80 до 110, в то время как часть с большей массой – вокруг массы со значением 135, в диапазоне от 125 до 155 (см. рис. 6.3). Поскольку эти два фрагмента возникают из материнского ядра, богатого нейтронами (например, у 238U соотношение нейтронов и протонов 146:92), у обоих дочерних изотопов оказывается очень много нейтронов и оба они располагаются выше долины стабильности (см. рис. 6.1). Таким образом, продукты реакции деления сами по себе оказываются радиоактивными и, как правило, претерпевают серию бета-распадов, чтобы приблизиться к долине стабильности. Стронций‐90, о котором мы упоминали в главе 5, – это пример радиоактивного продукта деления. Некоторые из этих видов долговечны и создают те самые проблемы с радиоактивными отходами, которые становятся неотъемлемой частью производства ядерной энергии и о которых политикам так трудно рассуждать2.

Другая форма превращения ядра противоположна делению, и именно благодаря ей возникли все элементы, за исключением первозданных Водорода и Гелия: это ядерный синтез. Беседу об этом процессе мы отложим до главы 16, где поговорим о создании самих элементов в ядрах массивных звезд.

Рис. 6.3. Есть много способов, при помощи которых реакция деления (вынужденного или спонтанного) может расщепить тяжелое ядро. Кривые отражают частоту, с которой при делении Урана‐235 испускаются фрагменты с различной массой. Изотопы с меньшей массой приблизительно сосредоточены вокруг атомной массы со значением 95 в пределах от 80 до 110, в то время как часть с большей массой – вокруг массы со значением 135, в диапазоне от 125 до 155

Время жизни и полураспад

На протяжении главы 5 я говорил о «среднем времени жизни» различных радиоактивных изотопов. Поскольку именно скорость распада предоставляет нам важнейшие часы для воссоздания истории, важно как можно более точно определить, что именно я имею в виду под «средним временем жизни». Для этого нам сперва придется признать главный факт, имеющий отношение к радиоактивному распаду: в фундаментальном плане это вероятностный процесс.

Это означает, что, если в моем распоряжении есть только одно радиоактивное ядро, я никак не смогу предсказать, когда оно распадется. Его распад может произойти в следующее мгновение – или не произойти в течение миллиона лет. И причина моего неведения – не в недостатке подходящих средств или в невозможности зафиксировать историю данного конкретного ядра. Это фундаментальное неведение, представляющее собой существенную характеристику любого по-настоящему случайного процесса.

Если я подброшу (правильную) монетку, у меня нет никакой возможности определить, «орлом» она упадет или «решкой». Это случайный процесс. Если на первый раз выпадет «орел», у меня по-прежнему совершенно отсутствует знание о том, каким будет исход следующего броска. Более того, даже если я выброшу пять «орлов» кряду, вероятность выпадения «орла» или «решки» при шестом броске составит те же самые 50 на 50. Принять этот последний исход, возможно, будет непросто – ведь если вы выбросите пять «орлов» кряду, у вас непременно возникнет чувство, что шанс получить «решку» при следующем броске будет выше чем 50:50. Это чувство называется «заблуждением игрока» и оказывается главным источником доходов всех мировых казино – поскольку это неправда. Этот процесс абсолютно случаен, у него есть два возможных равноценных исхода, и при каждой реализации шанс любого из этих исходов составляет точно 50 %. Даже если бы я выбросил двадцать «орлов» кряду – возможность