Резерфорд и Содди ввели новые термины для этих элементов: "родительскими" они называли радиоактивные элементы, и "дочерними" — атомы после трансформации и распада.
РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА
Открытия, сделанные на тот период, позволяли составить общее мнение о радиации. Радиоактивные материалы существовали с момента формирования Земли. Такие элементы, как торий и уран, на самом деле не высокорадиоактивны, то есть они не очень стабильны по сравнению с другими радиоактивными элементами, время их распада продолжительнее. Однако в ходе их дезинтеграции возникали другие значительно более активные вещества. Дезинтеграция происходила естественным путем, это было случайное явление, определить количественные характеристики которого можно только статистическим путем. При испускании альфа-частиц, то есть ядер гелия, первоначальный атом уже не существовал как тот же элемент, на его месте формировалось новое, менее стабильное вещество, как правило, имевшее большую радиоактивность. Годы спустя выяснилось, что бета-излучение также является следствием фундаментальных трансформаций атома, а точнее его ядра, так как электроны и излучение появляются, когда нейтрон распадается на один протон и один электрон, но на том этапе Резерфорд еще не открыл внутреннее строение атома.
В 1904 году Резерфорд с помощью этих диаграмм представил все имеющиеся на тот момент знания о радиоактивных последовательностях для разных элементов. Они выглядели как цели испускания лучей и трансформации первоначального элемента в другие.
Нестабильность вторичного продукта распада предполагает, что он должен превратиться в третий продукт, также нестабильный. Был ли конец у такой цепи? Становилось все очевиднее, что большое количество разных радиоактивных веществ должны иметь связи между собой, формируя семейства.
На сегодняшний день известны три семейства естественных радиоактивных элементов: семейства тория, урана и актиния (см. рисунок на предыдущей странице), в которых процесс распада заканчивается, когда образуется нерадиоактивный и стабильный элемент — свинец. Согласно представлению Резерфорда, во главе семейства находился "отец", родительский элемент с высоким атомным весом. Потомки "отца", дочерние элементы, проходят через превращения до получения природного стабильного элемента. Когда радиоактивность наблюдалась впервые, Беккерель использовал один из изотопов урана, которые при испускании альфа-излучения превращаются в торий. Изотопы — атомы одного химического элемента, отличающиеся количеством нейтронов, составляющих ядро; соответственно, их атомная масса отлична, но число протонов и электронов совпадает. Механизм был окончательно понят благодаря Эрнесту Резерфорду и его помощнику Фредерику Содди (см. Приложение. Альфа- и бета-распад).
ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА, ИЛИ ПОЛУЖИЗНИ
С первых исследований в этой области Резерфорд понял, что со временем радиоактивные излучения затухают. В некоторых элементах радиоактивность исчезала через несколько секунд, в других — могла длиться днями и месяцами. Если вначале казалось, что только самые активные элементы обладают таким свойством, после возникновения теории радиоактивного распада стало понятно: при радиации количество первоначальных атомов постепенно уменьшается, пока не исчезнет бесследно.
Резерфорд также обратил внимание, что сама продолжительность жизни радиоактивного элемента, как дактилоскопический след, позволяет идентифицировать его. Некоторые элементы имеют более длительный период полураспада, который мог продолжаться тысячи лет (например, уран), в то время как период полураспада других элементов длится несколько секунд (в настоящий момент возможно синтезировать элементы, радиоактивность которых проявляется доли секунды).
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРИОДА ПОЛУРАСПАДА
Хотя Резерфорд был прежде всего экспериментатором, распад (и полураспад) он пытался также выразить математически, с помощью формул, чтобы показать зависимость количества атомов от времени. Затухание атомного распада носит экспоненциальный характер, и математическая формула, выражающая его сущность, должна иметь нижеследующий вид. Если No — количество атомов радиоактивного материала в первоначальный момент, N — количество атомов в заданный момент, то
N = No · e-λt,
где λ — постоянная радиоактивного распада для заданного элемента, а е — математическая константа, число Эйлера (иррациональное число, величина которого равна приблизительно 2,718...). Чтобы определить скорость радиоактивного распада атомов, предыдущее выражение в зависимости от времени преображается как:
dN/dt = -λ · No · e-λt = -λN.
Становится ясно, что процент распада связан с количеством оставшихся в определенный момент атомов. По мере распада атомов процент дезинтеграции снижается. Период полураспада (Т), определяемый как время, за которое количество радиоактивных атомов сокращается вдвое, также можно выразить из предыдущего уравнения. Т — время, за которое проходит дезинтеграция половины начального количества радиоактивных атомов, то есть N = No/2:
1/2No = No · e(-T).
Упрощая No · e-λt = 2, или в другом виде: λΤ= ln2 = 0,693. Поэтому период полураспада равен:
T = 0,693/λ.
Новозеландский ученый уже выяснил, что естественная радиоактивность носит вероятностный характер, поэтому невозможно точно предсказать, когда произойдет следующий распад. Однако со статистической точки зрения распады случаются с определенной регулярностью. Таким образом, хотя нельзя точно установить, когда произойдет распад, при систематическом учете можно установить их регулярность. Другими словами, вероятность того, что ядро радиоактивного элемента будет распадаться за единицу времени, является константой.
Эту постоянную величину называют "константой радиоактивного распада" и обозначают лямбдой (λ).
Наука учит сомневаться и быть невежественным.
Эрнест Резерфорд
Резерфорд считал необходимым ввести понятие периода полураспада, или полужизни, радиоактивного элемента, которое характеризовал как время, необходимое для того, чтобы определенное количество имеющихся в образце радиоактивных атомов сократится вдвое. Данное понятие помогало показать скорость, с которой радиоактивное вещество распадается, уступая место новому члену "семьи". Так, период полураспада некоторых изотопов урана равен 4500 миллионам лет (считается, что эта величина совпадает с возрастом Земли). Существуют разные виды урана, и каждый из них имеет разные периоды полураспада.
РАДИОАКТИВНОСТЬ И ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ
Отголоски этих исследований достигли другой научной дисциплины, благодаря атомной физике получившей импульс для новых открытий. Речь о геологии. Однажды прогуливаясь по кампусу Макгилла, Резерфорд столкнулся с профессором геологии и спросил его: "Сколько, по-вашему, лет Земле?"
"Сто миллионов лет", — ответил профессор. Тогда Резерфорд достал кусочек урановой смолки и ответил: "Я знаю, и это объективный факт, что этому куску смоляной руды семьсот миллионов лет". Можно вообразить, насколько удивился тот геолог. Но как Резерфорд отважился на такое заявление?
С XVIII века существовало убеждение, что Солнце и планеты возникли из тучи пыли. Неоднократно предлагались изобретательные и разнообразные способы датировки этих событий. Так, было рассчитано, что если основываться на процессах эрозии, 100 миллионов лет потребуется для объяснения концентрации соли в морях и океанах Земли. Цифра, названная собеседником Резерфорда, вероятно, была получена таким методом.
Британский физик и математик Уильям Томсон, лорд Кельвин ( 1824-1907), был одним из тех, кто пытался дать ответ на этот вопрос. В 1862 году он опубликовал статью "О возрасте теплоты Солнца", в которой на основе энергетических расчетов приходил к выводу, что этот возраст колеблется между 24 и 400 миллионами лет. Предполагая, что Земля возникла в результате застывания магмы, можно было рассчитать испускаемую теплоту до достижения актуального состояния. Лорд Кельвин, хоть и ошибочно, ограничивал срок существования Земли. Он сделал расчеты на будущее, и его выводы не были оптимистичными, так как Солнце, по его мнению, не могло излучать энергию постоянно и в течение долгого времени:
"Относительно будущего мы с уверенностью можем сказать, что обитатели Земли не смогут продолжать наслаждаться светом и теплом, столь необходимыми для жизни, в течение многих миллионов лет, если не заготовлены неизвестные нам на сегодняшний день источники тепла в огромном хранилище Вселенной".
