Виктор Вайскопф - Наука и удивительное [Как человек понимает природу]

Наши знания о радиоактивности значительно углубились после изобретения ускорителей частиц до высоких энергий. В таких устройствах малые частицы ударяют с большими энергиями по атомам разных веществ и производят изменения в этих атомах. Например, при бомбардировке обычно нерадиоактивные элементы превращаются в новые элементы, которые, как правило, не встречаются в природе и очень часто радиоактивны. Таким способом можно производить новые, «искусственные» радиоактивные вещества, очень ценные для физических и медицинских исследований. Большинство из них превращается в другие элементы гораздо быстрее, чем естественные радиоактивные элементы. Например, можно получить радиоактивный натрий (атомный вес 24), который превращается в магний со скоростью 6 % в 1 час.

Теперь мы приходим к первому фундаментальному заключению о шкале космических времен: Земля не могла существовать бесконечно давно. На Земле есть объекты, которые не могли находиться на ней извечно. Если бы Земля существовала бесконечно длительное время, мы не могли бы обнаружить на ее поверхности радиоактивных веществ, таких, как Rb 87, уран и калий. Действительно, если бы возраст Земли был гораздо больше, чем 10 10лет, все естественно-радиоактивные вещества, которые мы перечислили, распались бы почти полностью в свои дочерние продукты и их нельзя было бы обнаружить Мы должны предположить, что процесс, в котором образовались эти элементы, больше не продолжается.

Каков же тогда возраст Земли? Рассматривая постоянные распада природных радиоактивных веществ, мы видим, что все они меньше одной миллиардной в год. Искусственные же радиоактивные материалы, которые мы производим сами, имеют, однако, всевозможные постоянные распада. У некоторых из них постоянные распада очень малы (миллионные доли в год), у других распад происходит очень быстро — например, половина вещества распадается за десятые доли секунды. Найдены всевозможные скорости распада в этих пределах. Однако в природе встречаются только элементы со скоростью распада меньше нескольких биллионных [11] По английской терминологии биллион = 10 9 . долей в год. Объяснение очень просто: элементы, распадающиеся быстрее, не встречаются в природе потому, что они уже успели распасться [12] Можно указать интересные исключения из этого правила, которые показывают, как легко ошибиться при неверном подходе. В природе существует некоторое количество быстро распадающихся веществ. Однако все они представляют собой «дочерние продукты» медленно распадающихся элементов. Вот что это значит. Иногда продукт радиоактивного распада сам радиоактивен и превращается в какой-то третий элемент. Такой продукт называется «дочерним». Если распад первого идет очень медленно, а распад второго, дочернего, быстро, в природе всегда будет наблюдаться быстрый распад, следующий за медленным. за время существования Земли.

Отсюда мы заключаем, что материал, составляющий Землю, существует в его нынешнем состоянии несколько миллиардов лет, во всяком случае не многим более. Естественный радиоактивный элемент с наименьшим временем распада, К 40(скорость распада — одна миллиардная в год), почти израсходовался; его содержание в естественном калий очень невелико (0,12 %). Поэтому «возраст» материала, составляющего нашу Землю, должен несколько превышать миллиард лет, быть может, он в 5 или в 10 раз больше, но не многим более.

Это был знаменательный момент в истории нашего познания мира, когда здесь, на Земле, мы нашли доказательство того, что Земля не существует извечно. Радиоактивные вещества — это только маленькая часть материала Земли. Они встречаются исключительно редко. Но само их существование свидетельствует о каком-то начале.

Что же происходило в этом начальном периоде? Конечно, Земля не могла находиться в состоянии, напоминающем нынешнее. В то время вещество, из которого состоит Земля, должно было находиться в условиях, обеспечивающих образование радиоактивных элементов. Такие условия мы создаём в наших больших ядерных ускорителях. Частицы и атомы должны были обладать огромными энергиями, их плотности достигали колоссальных величин, и сами они сталкивались друг с другом на больших скоростях. Температуры, при которых создаются эти условия, имеют порядок 100 миллионов градусов. У нас есть веские основания полагать, что такие условия существуют в центрах звезд, но не при обычных обстоятельствах, а когда звезды становятся неустойчивыми и взрываются. Взрывающиеся звезды называются новыми, потому что они внезапно появляются на небе и быстро, за несколько месяцев, тускнеют. Они встречаются не так уж редко. С помощью наших гигантских телескопов мы ежегодно можем найти 20 или 30 таких звезд среди 50 000 000 000 звезд Галактики [13] Вероятность взрыва обычной звезды, такой, как Солнце, не очень велика. Это случается один раз за несколько миллиардов лет. Последний взрыв в нашем окружении (в радиусе 1000 световых лет) произошел в 1750 г.

Итак, мы приходим к заключению, что материал, из которого состоит Земля, должен был подвергаться огромному ускорению и нагреванию (вероятно, во взрывающихся звездах) в период, закончившийся 5—10 миллиардов лет назад. Мы можем считать, что эти процессы обеспечили создание элементов, из которых состоит наше окружение [14] Образование элементов в звездах рассмотрено в гл. IX. . К этому времени относится образование многих радиоактивных и нерадиоактивных элементов, в том числе тех, которые мы можем сделать в наших ускорителях, а также некоторых других. Но с тех пор радиоактивные вещества с короткими временами распада давно распались и превратились в устойчивые, стабильные, элементы. Немногие долгоживущие естественные радиоактивные вещества — это последние свидетели того богатого событиями времени, когда образовались элементы — те элементы, из которых состоит Земля. Это последние искры, оставшиеся после величественного космического пожара, который 10 миллиардов лет назад создал элементы, окружающие нас на Земле.

Более подробный анализ процесса распада естественных радиоактивных элементов позволяет нам определять давность событий, происходивших значительно позже образования элементов. В большинстве случаев минерал, содержащий естественный радиоактивный элемент, содержит и продукт его распада. Например, в горной породе, содержащей рубидий, находится также и стронций, элемент, в который превращается радиоактивный рубидий. Сравнивая относительные количества обоих элементов в образце, мы можем определить, сколько времени рубидий находился в этой породе, или, другими словами, найти время, прошедшее с момента ее затвердевания. Расчет весьма прост. Каждый год 1,6·10 -11 часть рубидия превращается в стронций, и отсюда можно заключить, сколько лет понадобилось, чтобы получилось наблюденное количество стронция.