Рассказ предка. Путешествие к заре жизни. - Ричард Докинз

Долгое время подразумевалось, что химическое соединение может быть разделено на составляющие части и повторно объединено, образуя то же самое или другое соединение с выделением или потреблением энергии. «Легко пришли – легко ушли»: такие взаимодействия между атомами и составляют химию. Но до двадцатого столетия сам атом, как считалось, был неделим. Это была наименьшая частица вещества. Атом золота был крошечной частичкой золота, качественно отличающейся от атома меди, который был наименьшей частицей меди. Современные взгляды более изящны. Атомы золота, меди, водорода и так далее являются лишь различными мерами одних и тех же фундаментальных частиц, так же как гены лошади, салата, человека и бактерии не имеют никакого неотъемлемого «аромата» лошади, салата, человека или бактерии, а являются лишь различными комбинациями одних и тех же четырех букв ДНК. Как химические соединения, долгое время предполагалось, были комбинациями, составленными из конечного набора приблизительно 100 атомов, так же каждое ядро атома оказалось комбинацией двух фундаментальных частиц, протонов и нейтронов. Ядро золота не «сделано из золота». Как все другие ядра, оно сделано из протонов и нейтронов. Ядро железа отличается от ядра золота не потому, что оно сделано из качественно различного вида вещества, названного железом, а просто потому, что оно содержит 26 протонов (и 30 нейтронов), вместо 79 протонов (и 118 нейтронов) у золота. На уровне отдельного атома нет никакого «вещества», имеющего свойства золота или железа. Есть только различные комбинации протонов, нейтронов и электронов. Физики продолжают говорить нам, что даже протоны, нейтроны и электроны состоят из еще более фундаментальных частиц, кварков, но мы не будем следовать за ними в такие глубины.

Протоны и нейтроны почти одинакового размера, и намного больше, чем электроны. В отличие от нейтрона, который электрически нейтрален, каждый протон имеет одну единицу электрического заряда (произвольно названного положительным), который точно уравновешивает отрицательный заряд одного электрона «на орбите» вокруг ядра. Протон может быть преобразован в нейтрон, если он поглощает электрон, отрицательный заряд которого нейтрализует положительный заряд протона. В свою очередь нейтрон может преобразоваться в протон, выбросив единицу отрицательного заряда – один электрон. Такие преобразования являются примерами ядерных реакций, в отличие от химических реакций. Химические реакции оставляют ядро нетронутым. Ядерные реакции его изменяют. Они обычно подразумевают намного больший обмен энергией, чем химические реакции, потому ядерное оружие настолько более разрушительно при одинаковом весе, чем обычные (то есть химические) взрывчатые вещества. Поиски алхимиков по превращению одного металлического элемента в другой потерпели неудачу только потому, что они пытались сделать это химическими, а не ядерными средствами.

У каждого элемента есть характерное число протонов в ядре его атома и такое же число электронов «на орбите» вокруг ядра: один для водорода, два для гелия, шесть для углерода, 11 для натрия, 26 для железа, 82 для свинца, 92 для урана. Именно это число, так называемое атомное число, (действуя через электроны) в значительной степени определяет химическое поведение элемента. Нейтроны имеют небольшое влияние на химические свойства элемента, но они влияют на его массу и на его ядерные реакции.

У ядра обычно примерно такое же число нейтронов, как и протонов, или несколько больше. В отличие от количества протонов, которое фиксировано для любого конкретного элемента, изменяется количество нейтронов. Обычный углерод имеет шесть протонов и шесть нейтронов, что дает общее «массовое число» 12 (так как масса электронов незначительна, и нейтрон весит приблизительно столько же, как протон). Его поэтому называют углеродом 12.

У углерода 13 есть один дополнительный нейтрон, у углерода 14 – два дополнительных нейтрона, но у них у всех по шесть протонов. Такие различные «версии» элемента называют «изотопами». Причина, по которой все три этих изотопа имеют одно и то же название, углерод, в том, что у них одно и то же атомное число, 6, и поэтому все они имеют одни и те же химические свойства. Если бы ядерные реакции были обнаружены до химических, возможно, изотопам дали бы другие названия. В некоторых случаях изотопы достаточно несхожи, чтобы заслужить различные названия. У обычного водорода нет никаких нейтронов. Водород 2 (один протон и один нейтрон) называют дейтерием. Водород 3 (один протон и два нейтрона) называют тритием. Все ведут себя химически как водород. Например, дейтерий объединяется с кислородом, создавая форму воды, названную тяжелой водой, известную своим использованием в изготовлении водородных бомб.

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.