Рассказ предка

Изотопы, в таком случае, отличаются только по числу содержащихся в них нейтронов, наряду с фиксированным числом протонов, характеризующих элемент. У некоторых из изотопов элемента может быть нестабильное ядро, что означает, что оно имеет тенденцию превращаться в непредсказуемый момент, хотя с предсказуемой вероятностью, в другую разновидность ядра. Другие изотопы устойчивы: вероятность их превращения равна нулю. Другое название для нестабильного – радиоактивный. У свинца есть четыре стабильных изотопа и 25 известных нестабильных. Все изотопы очень тяжелого металла, урана, нестабильны – все являются радиоактивными. Радиоактивность – ключ к абсолютному датированию горных пород и их окаменелостей: таким образом, это отступление необходимо, чтобы ее объяснить.

Что обычно случается, когда нестабильный, радиоактивный элемент превращается в другой элемент? Есть различные пути, которыми это может случиться, но два самых известных называют альфа-распадом и бета-распадом. При альфа-распаде исходное ядро теряет «альфа-частицу», состоящую из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе. Массовое число, поэтому, понижается на четыре единицы, но атомное число снижается только на две единицы (соответствующие этим двум потерянным протонам). Так элемент превращается, говоря химическим языком, в какой-либо элемент, имеющий на два протона меньше. Уран 238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) превращается в торий 234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).

Бета-распад не таков. Один нейтрон в исходном ядре превращается в протон, и он делает это, выбрасывая бета-частицу, представляющую собой единицу отрицательного заряда или один электрон. Массовое число ядра остается тем же, потому что общее количество протонов плюс нейтронов остается неизменным, а электроны слишком маленькие, чтобы о них беспокоиться. Но атомное число увеличивается на один, потому что теперь на один протон больше, чем прежде. Натрий 24 превращается в результате бета-распада в магний 24. Массовое число осталось тем же, 24. Атомное число увеличилось с 11, что является однозначным признаком натрия, до 12, что является однозначным признаком магния.

Третья разновидность преобразования – нейтронно-протонная замена. Беспризорный нейтрон поражает ядро и выбивает один протон из ядра, занимая его место. Так же, как и при бета-распаде, массовое число не изменяется. Но на сей раз атомное число уменьшилось на один из-за потери одного протона. Помните, что атомное число – это просто число протонов в ядре. Четвертым способом превращения одного элемента в другой, имеющим такое же влияние на атомное и массовое число, является электронный захват. Это своего рода полная противоположность бета-распада. Принимая во внимание, что при бета-распаде нейтрон превращается в протон и удаляет электрон, электронный захват преобразует протон в нейтрон, нейтрализуя его заряд. Таким образом, атомное число уменьшается на один, в то время как массовое число остается неизменным. Калий 40 (атомное число 19), таким образом, распадается в аргон 40 (атомное число 18). И существуют различные другие пути, которыми ядра могут быть радиоактивно преобразованы в другие ядра.

Одним из кардинальных принципов квантовой механики является невозможность точно предсказать, когда распадется конкретное ядро нестабильного элемента. Но мы можем измерить статистическую вероятность того, что это случится. Эта измеренная вероятность оказалась вполне характерной для данного изотопа. Принятой мерой является период полураспада. Чтобы измерить период полураспада радиоактивного изотопа, возьмите кусок вещества и посчитайте, сколько времени нужно, чтобы ровно одна его половина распалась во что-либо еще. Период полураспада стронция 90 составляет 28 лет. Если у Вас будет 100 граммов стронция 90, то через 28 лет у Вас останется только 50 граммов. Остальной превратятся в иттрий 90 (который, между тем, в свою очередь превратится в цирконий 90). Означает ли это, что еще через 28 лет у Вас не останется стронция? Разумеется, нет. У Вас останется 25 граммов. Еще через 28 лет количество стронция снова сократится наполовину, до 12.5 граммов. Теоретически оно никогда не достигает нуля, а только приблизится к нему, уменьшаясь напополам с каждым шагом. По этой причине мы должны говорить о периоде полураспада, а не о «времени распада» радиоактивного изотопа.

Период полураспада углерода 15 составляет 2.4 секунды. Через 2.4 секунды Вы останетесь с половиной Вашего изначального образца. Еще через 2.4 секунды у Вас будет лишь четверть Вашего изначального образца. Еще через 2.4 секунды – одна восьмая, и так далее. Период полураспада урана 238 составляет почти 4.5 миллиарда лет. Это – приблизительно возраст солнечной системы. Так, от всего урана 238, который присутствовал на Земле сначала, когда она сформировалось, теперь осталась приблизительно половина. Замечательным и очень полезным результатом радиоактивности является то, что полураспад различных элементов охватывают столь колоссальный диапазон, от долей секунд до миллиардов лет.