Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Для других девяти самых тяжелых элементов характерен намного меньший срок существования – от 80,8 миллиона лет у Плутония‐244 (номер 94) до всего лишь 22 минут у Франция‐223 (номер 87). Даже десятки дополнительных нейтронов, которые пытаются удержать их ядра от распада, не могут преодолеть огромное электростатическое отталкивание протонов, стиснутых в крошечном пространстве. Эти (и прочие) изотопы, встречающиеся в природе, возникли не из материи, сформировавшей Землю, а постоянно образуются благодаря разрушению долгоживущих радиоактивных изотопов других элементов. Опять же, если учесть все виды элементов, порожденных непрестанно протекающим ядерным распадом, то на Земле таких изотопов пятьдесят три.
Таким образом, общее число изотопов, которые мы можем обнаружить в естественных условиях среди девяноста четырех элементов, составляет 339. Выражение «в естественных условиях» слегка обманчиво, поскольку оно относится к очень ограниченной сфере природы, представленной нашей Землей. В ядерных реакторах, полыхающих в недрах массивных звезд, в яростных взрывах, которыми оканчивается их жизнь, и в других колоссальных энергетических событиях, происходящих в космосе, например таких, как слияние двух нейтронных звезд, несомненно, возникает еще больше разновидностей изотопов (см. гл. 16). Однако все эти разновидности отличаются кратким временем жизни в сравнении с возрастом Земли, и в минералах, скрытых в земной коре, ни одна из них не присутствует.
 Искусственные изотопы 
Конечно же, многие из веществ современного мира не встречаются в естественных условиях – мы сами сочетаем элементы, формируем новые молекулы и создаем все эти вещества, от полиэтилена для пакетов, в которых носим бакалейные товары, до хлорфторуглеродов, на которых работают наши кондиционеры, и стрептомицина, призванного уничтожать бактерии. Все эти продукты проходят череду химических взаимодействий, представляющих собой перераспределение и соединение атомов в особых пропорциях посредством взаимного воздействия электронов друг на друга. Энергии, возникающие при данных реакциях, измеряются в электронвольтах (эВ) на молекулу (гл. 4). А если повысить энергию в десять миллионов раз или около того, возможно ли преобразить элементы, превратив один в другой, или даже создать совершенно новые изотопы?
Трансмутация элементарных форм была одним из высших стремлений алхимии, которую практиковали в Китае, Индии, Европе и арабском мире в донаучную эпоху. Само слово пришло к нам из средневекового арабского al-khīmiyā, где «аль» – это артикль, а последнее слово происходит от древнегреческого khemia, в буквальном смысле – «искусство превращения металлов». Первые письменные свидетельства об этой практике, в чем есть определенная ирония, приписываются автору, творившему под псевдонимом Демокрит (историкам он известен как Псевдо-Демокрит) из эллинистического Египта в I веке нашей эры. Цели алхимии выходили далеко за пределы набившего оскомину клише о превращении Свинца в Золото – алхимики искали и эликсир бессмертия, и лекарство от всех болезней (его называли «панацеей», от греческих слов pan [ «все»] и akos [ «лекарство»]). Конечно же, они не преуспели – ведь у них отсутствовала технология, позволяющая увеличить энергию в миллионы раз.
Однако в начале 1934 года, менее чем за два года до того, как был открыт нейтрон и мы наконец-то составили картину атомного ядра, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии Кюри) создали первые «искусственные» изотопы, устроив бомбардировку стабильных изотопов быстрыми ядрами Гелия – так появились неизвестные прежде изотопы Азота, Фосфора и Кремния. Это воплощение мечтаний древних алхимиков было признано уже в следующем году, когда ученые удостоились Нобелевской премии по химии. За последние девяносто лет были созданы не только новые изотопы, но и двадцать четыре совершенно новых элемента, поэтому помимо девяноста четырех атомов, встречающихся в природе, современная Периодическая таблица включает еще и элементы, созданные в искусственных условиях и занимающие ячейки с 95 по 118. Общее число изотопов уже перешло за 3330, время жизни 620 из них превышает час, и некоторые из них играют важную роль в медицине, производстве энергии и других технических областях.
 
 Интересные изотопы 
Неудивительно, что физикам-ядерщикам интересны все изотопы. Но есть среди них и такие, интерес к которым более широк, поскольку их можно применить в технологии – а также, как мы еще увидим в последующих главах, при воссоздании истории. В основе всей живой материи лежит Углерод, и три его изотопа, встречающиеся в естественных условиях, приносят огромную пользу во множестве областей – с их помощью можно выявить подделки при продаже старого вина, определить возраст старинных построек или произведений искусства, выяснить диету, которой следовали люди в давние времена, и записать историю климата в доисторическую эпоху. Тяжелые стабильные изотопы Водорода (2H) и Кислорода (18O) также играют важную роль в установлении температуры и скорости выпадения осадков в далеком прошлом. Кроме того, 18O – это ключевой предшественник Фтора‐18, при помощи которого делаются снимки позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).
Радиоактивные изотопы применяются в медицине как для диагностики, так и для лечения. Помимо 18F, в визуализирующих исследованиях играли свою роль Азот‐13, Кобальт‐60, Галлий‐67, Технеций‐99, Палладий‐103, Рутений‐106, Индий‐111, Йод‐123, Йод‐125 и Йод‐131, Цезий‐137, Иридий‐192 и Таллий‐201, вводимые в организм путем инъекции или глотания. Благородные газы Криптон‐81 и Ксенон‐133 используются для ингаляций, а Стронций‐89, Иттрий‐90, Йод‐131, Самарий‐153 и Лютеций‐177 – для борьбы с определенными раковыми опухолями и для паллиативного лечения боли в костях, сопровождающей разнообразные заболевания. Среднее время жизни ряда этих изотопов исчисляется минутами, поэтому их создают прямо на месте эксплуатации и используют немедленно, пока еще не успел произойти их распад на другие изотопы, непригодные для медицинских целей.
Топливом в ядерных реакторах служат Уран или Плутоний, хотя в настоящее время развивается новое поколение ториевых реакторов. Как правило, в природных условиях Уран, преобладающую форму которого представляет долгоживущий изотоп 238U, необходимо «обогащать», чтобы повысить содержание не столь долговечного и более легкого 235U и вывести его на уровень от 3 до 5 % в зависимости от типа реактора10. Внутри реакторов часть 238U превращается в 239Pu, что также вносит свой вклад в производимое тепло. Кроме того, 238U становится источником энергии для отправки миссий в дальний космос, где солнечные панели уже непрактичны, поскольку аппараты улетают слишком далеко от Солнца. И хотя в применении Тория‐232 в качестве ядерного топлива есть несколько потенциальных преимуществ – помимо прочего, его намного больше на Земле, он дает меньше ядерных отходов и его побочные продукты сложнее использовать в военных целях, – ни одного коммерческого ториевого реактора еще не построено.
Изотопы затронули даже геополитику. В 1958 году Луиза Рейс и ее муж Эрик, встревоженные влиянием американских и советских ядерных испытаний, в те дни происходивших в атмосфере ежемесячно, помогли основать гражданский комитет Большого Сент-Луиса по ядерной информации – а потом, в сотрудничестве со стоматологическими школами, входившими в состав Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Сент-Луисского университета, провели исследование, собрав у юных жителей Сент-Луиса более 300 000 молочных зубов и замерив содержание в этих зубах радиоактивного изотопа Стронция‐90, который, как было известно, возникал в ходе ядерных испытаний. В Периодической таблице химических элементов Стронций располагается прямо под Кальцием и, таким образом, обладает похожим распределением внешних электронов, благодаря чему при проглатывании легко заменяет Кальций в костях и зубах.