Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

После урана был открыт торий. Этот радиоактивный элемент также является родителем группы дочерних атомов так называемого ториевого ряда (см. табл. 6).

Атомные веса атомов изотопов тория, как и изотопов урана, также кратны 4. Значение атомного веса тория–232 равняется 232 и делится на 4 без остатка. Значения атомного веса всех элементов ториевого ряда также делятся на 4 без остатка, и поэтому изотопы тория иногда называют рядом 4x + 0.

Можно предположить, что раз из всех радиоактивных элементов в природе в значительных количествах встречаются только уран и торий, то существуют только два радиоактивных ряда. Однако в радиоактивных рудах встречают и атомы, значения атомных весов которых не удовлетворяют ни формуле 4х + 0, ни формуле 4x + 2, следовательно, эти атомы не принадлежат элементам ни уранового, ни ториевого ряда.

Сначала ученые решили, что эти элементы являются частью ряда актиния–227, значения атомного веса которого сводятся к формуле 4x + 3. Эти элементы получили название изотопов актиниевого ряда. В настоящее время это название все еще широко используется, несмотря на то что само предположение оказалось неверным. Процесс распада актиния–227 идет слишком быстро, поэтому этот элемент не мог просуществовать в течение 5 миллиардов лет, а значит, он не может быть и исходным атомом радиоактивного ряда.

Когда был открыт протактиний, ученые обнаружили, что при распаде протактиния–231 (по современной терминологии) образуется актиний–227, благодаря чему элемент и получил свое название («протактиний» означает «до актиния»). Однако процесс распада протактиния–231 также идет очень быстро, и этот элемент не может быть родителем ряда.

В 1935 году канадский физик Артур Джеффри Демпстер (1886–1950) обнаружил, что не все атомы урана являются атомами урана–238. Из каждой тысячи добываемых из урановой руды атомов урана семь являются атомами урана–235. Процесс распада этих атомов, ядро которых состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, идет достаточно медленно (хотя и быстрее, чем распад урана–238), и атом урана–235 является родителем элементов актиниевого ряда. (Именно поэтому уран–235 иногда называют «актиноураном».) Значение атомных весов всех элементов актиниевого ряда (см. табл. 7) можно описать формулой 4x + 3.

Понятно, что должен существовать и четвертый ряд радиоактивных элементов, атомные веса которых могут принимать значение 4x + 1. Уран–233 как раз и является изотопом этого типа, и он не принадлежит ни к одному из вышеописанных рядов. Ученым так и не удалось обнаружить четвертый радиоактивный ряд ни в 1920-х, ни в 1930-х годах. Дело в том, что, как правильно предположили физики, ни один изотоп этого ряда не может являться исходным элементом, так как процесс распада всех элементов этого ряда идет слишком быстро.

В конце каждого из трех радиоактивных рядов стоит изотоп свинца с соответствующим атомным весом. Урановый ряд заканчивается свинцом–206 (4x + 2), ториевый ряд заканчивается свинцом–208 (4x + 0), а актиниевый ряд — свинцом–207 (4x + 3).

Все три изотопа свинца являются стабильными, а это означает, что у одного и того же элемента может быть не только по одному стабильному и нестабильному изотопу, но и более одного стабильного изотопа.

Выше я давал процессу распада радиоактивных элементов характеристики типа «быстро» и «медленно», но не приводил никаких конкретных чисел.

Первыми продолжительность распада попытались вычислить Резерфорд и Содди в 1902 году. Они проследили изменение интенсивности излучения быстрораспадающегося радиоактивного изотопа и определили, что со временем интенсивность падает по экспоненте.

Это верно только в том случае, если за определенное количество времени распадается определенное количество атомов. Скажем, если скорость распада 0,02 всех атомов в секунду, то в первую секунду из 1 000 000 000 000 атомов радиоактивного вещества распадется 20 000 000 000 атомов. Конечно же мы не можем сказать, какие именно атомы распадутся. Мы не можем определить, распадется отдельно взятый атом в первую секунду, или через 5 секунд, или через 5 лет.

Приведу пример аналогичной ситуации из жизни. После тщательного изучения статистических данных страховые компании могут дать довольно точный прогноз, сколько человек из каждого миллиона американцев в возрасте 35 лет умрет в следующем году, если, конечно, считать этот год «нормальным». Компании не могут выявить конкретных американцев, которым грозит смерть, или предсказать конкретный год смерти конкретного американца. Они могут делать лишь общие прогнозы для большого количества абстрактных людей. Страховые компании работают с людьми, а физики — с атомами, и прогнозы последних, как правило, гораздо более точные.

Скорость радиоактивного распада не меняется с течением времени. Предположим, что каждый год умирает одно и то же количество человек. Предположим, что в течение года из 1 000 000 американцев в возрасте 35 лет умрет 0,2%, то есть 2000 человек. К концу года останется 998 000 человек. В следующем году умрет еще 0,2% от оставшихся, то есть 1996 человек. В следующем году умрет еще 0,2% от 996 004, останется 994 012 человек и т. д.

Таким образом, каждый год с уменьшением количества живущих будет уменьшаться и количество смертей. Невозможно предсказать конкретно, через сколько лет умрет последний человек, так как в любой произвольно взятый год умрет только небольшой процент людей. Понятно, что такой анализ дает приемлемые результаты только в том случае, если количество живых людей остается достаточно большим. Тем не менее если количество людей изначально было огромным, то согласно статистике некоторые из них проживут сотни и тысячи лет.

В действительности этого не происходит, потому что, когда человек стареет, постепенно возрастает вероятность его смерти, и вероятность смерти старых людей очень высока. Поэтому все 35-летние люди умрут менее через сто лет, независимо от их изначального количества.

В отличие от людей вероятность «смерти» атома радиоактивного элемента не возрастает со временем, и, если некоторые атомы распадаются мгновенно, отдельные атомы могут просуществовать в течение неопределенно больших периодов времени. Поэтому нельзя определить скорость полного распада радиоактивного атома, так как эта скорость может быть любой.

Однако при фиксированной скорости распада возникает одно интересное свойство: зная эту скорость, можно определить период времени, требующийся для распада половины исходного числа атомов. Этот период, который в 1904 году Резерфорд назвал периодом полураспада, одинаков для любого количества атомов в пределах разумного.