Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Так есть ли способ, при помощи которого наши беспристрастные историки-атомы могут дать нам окончательный ответ о происхождении этих произведений искусства? Да, есть. Он называется авторадиографией, или, если быть точным, нейтронно-активационной авторадиографией. Как вы помните, нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому на их полет в космосе не влияют ни электроны, ни протоны, ни магнитные поля, с которыми они могут столкнуться. Но им очень удобно в атомном ядре, в мощных объятиях сильного ядерного взаимодействия. Конечно же, добавление нейтрона к атомному ядру не меняет идентичность атома – и ¹²C, и ¹³C по-прежнему представляют собой Углерод, – но оно создает новый изотоп, который может проявлять или не проявлять склонность к радиоактивному распаду (например, ¹³C + n =¹⁴С, который, как мы видели в главе 6, будет испытывать бета-распад).

Начиная с 1960-х годов графитовый ядерный реактор Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной на Лонг-Айленде, в штате Нью-Йорк, применялся для исследования картин с использованием нейтронной активации. Он генерирует множество нейтронов (от миллионов до триллионов на квадратный сантиметр за секунду), скорость которых достаточно скромна. (Как правило, они обладают энергией 0,025 эВ, и быстрота их перемещения сравнима со скоростью молекул воздуха в замкнутом помещении, поэтому их называют «тепловыми нейтронами».) Крошечная часть этих нейтронов сталкивается лоб в лоб с ядром атома на картине, захватывается благодаря сильному взаимодействию и превращает изначальный атом в его более тяжелый изотоп.

Например, 11-й элемент, Натрий, встречается в природе только в виде своего единственного стабильного изотопа (²³Na). Его ядро, захватив нейтрон, становится радиоактивным ядром ²⁴Na, неустойчивым и склонным к бета-распаду – в стремлении обратно к долине стабильности новый атом испускает электрон, уравнивает количество протонов и нейтронов и сдвигается на одну ступень вверх в Периодической таблице к 12-му элементу, Магнию (²⁴Mg). Период полураспада в данном случае составляет 15 часов. Как и в большинстве подобных распадов, ядро Магния остается в возбужденном состоянии, затем испытывает гамма-распад и переходит в основное состояние, испуская фотоны с энергиями 2,75 и 1,37 Мэ В. Эта реакция записывается так:

²³Na + n → ²⁴Na → ²⁴Mg* + e^— + ν_e*** → ²⁴Mg + + γ (2,75; 1,37 МэВ)

Добавление одного нейтрона к большинству стабильных изотопов влечет похожую цепочку событий. Обратите внимание на итог: (1) электрон, обладающий высокой энергией, улетает с картины, (2) испускаются гамма-лучи с очень своеобразными энергиями, характерными для нового элемента, и (3) исходный атом превращается в новый, расположенный на одну ступень выше в Периодической таблице.

Нас могло бы обеспокоить то, что нейтронное облучение меняет элементы потенциально драгоценного произведения искусства. Но сколько таких атомов меняется?

Устроители Брукхейвенского проекта анализировали семь работ, приписываемых «Испанскому фальсификатору». Картины располагали на расстоянии 60 см от реактора и облучали на протяжении примерно 90 минут, направляя на каждый их квадратный сантиметр около 1 миллиарда (10⁹) нейтронов за секунду. На шестидюймовой (15 см) странице иллюминированной рукописи это в общей сложности более 1000 триллионов (10¹⁵) нейтронов. Впрочем, напомним, что, если нейтрон не оказывается на расстоянии 10^–14 см от ядра, он вообще не подпадает под влияние сильного взаимодействия и поэтому проходит прямо через картину. Принимая во внимание крошечный размер мишеней, 99,9999999999 % нейтронов пролетают сквозь нее, и только пять или шесть из каждого триллиона атомов на картине преображаются в результате нейтронного захвата.

Чтобы представить, насколько это незначительно, вообразите склад, занимающий целый квартал Нью-Йорка (ок. 80 × 275 м). Высота этого склада – двадцать этажей, и он полностью заполнен синими шариками, каждый из которых представляет один атом на картине. Нейтронное облучение превращает пять или шесть шариков в красные. Если бы 2000 человек работали по восемь часов в день, пять дней в неделю и ухитрялись бы каждую секунду хватать по одному синему шарику и выбрасывать его в окно, тогда на то, чтобы найти пять красных шариков, им потребовалось бы более шестидесяти лет. А если бы склад находился рядом с Центральным парком, выброшенные шарики заполонили бы весь парк по колено. Так что вполне справедливо назвать авторадиографию неразрушающим методом анализа.