Искусственное ускорение ядерного распада

Rumata

Японским физикам впервые удалось заметно увеличить скорость естественного распада ядер радиоактивного элемента, не подвергая их никаким экстремальным воздействиям. Об этом эксперименте рассказано в статье, которая появилась в журнале Physical Review Letters.
Поверхностное прочтение не только популярных книг, но и учебников по ядерной физике может создать впечатление, что работа Цутомо Отсуки и его коллег противоречит здравому смыслу. В самом деле, ведь в основе радиоактивности лежат динамические процессы, протекающие внутри атомных ядер, а на них человек вроде бы воздействовать не в силах. Конечно, стабильный изотоп можно превратить в радиоактивный (например, облучая его нейтронами однако скорость распада конечного продукта все же будет определяться лишь его собственными свойствами, а не пожеланиями экспериментаторов. Да и как бы могли ученые использовать радиологический метод датировки горных пород и органических остатков, если бы они не были твердо уверены, что период полураспада любого радиоактивного изотопа постоянен и неизменен всегда и повсюду?
Однако не будем торопиться. Для начала перечислим три "классических" вида радиоактивности, открытых еще в конце девятнадцатого века (есть и кое-что еще, но это уже детали). Для обозначения этих видов исторически применяются три первые буквы греческого алфавита - альфа, бета и гамма. С точки зрения физики, самая простая форма радиоактивности - это гамма-распад, в ходе которого рождаются высокоэнергетичные кванты электромагнитного излучения. Их испускают возбужденные ядра, которые при этом теряют энергию, но в остальном остаются подобными самим себе - иначе говоря, не меняют ни заряда, ни атомного веса.
Альфа-распад уже посложнее. В этом случае ядро испускает альфа-частицу, иначе говоря, ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Так распадаются тяжелые ядра, которые теряют устойчивость из-за наличия большого числа положительно заряженных протонов, отталкивающихся друг от друга по закону Кулона. При альфа-распаде возникает дочернее ядро, заряд которого меньше заряда материнского ядра на две единицы, а вес - на четыре. Однако частицы, которые образуют ядро, протоны и нейтроны, при этом не меняются, иначе говоря, не испытывают никаких превращений.
Самая интересная разновидность радиоактивности - это бета-распад, который существует в двух основных формах - электронной и позитронной. В первом случае ядро испускает электрон и антинейтрино, во втором - позитрон и нейтрино. Масса ядра при этом в первом приближении остается той же самой, а вот заряд меняется на единицу - в первом случае увеличивается, а во втором уменьшается. К слову сказать, нейтрино, самые загадочные и неуловимые частицы микромира, были открыты как раз при исследовании процессов бета-распада.
Что же тут особо необычного? Все дело в том, что в самих ядрах ни электронов, ни нейтрино, ни их античастиц (позитронов и антинейтрино) конечно же нет. Это означает, что они не "отламываются" от ядер, подобно альфа-частицам, а каким-то образом возникают в процессе бета-распада. Этот процесс впервые объяснил великий итальянский физик Энрико Ферми - в 1934 г. Согласно его теории, в основе электронного бета-распада лежит превращение нейтрона в протон, электрон и антинейтрино, в то время как позитронный бета-распад происходит при превращении протона в нейтрон, позитрон и нейтрино (для точности можно отметить, что в середине тридцатых годов нейтрино и антинейтрино еще не различали, это пришло позднее). В своей основе теория Ферми сохранилась и до нашего времени, хотя и с определенными модификациями. Самая важная из них состоит в том, что сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны "сложены" из кварков, частиц с дробными электрическими зарядами, которые не существуют в свободном состоянии. Превращения протонов и нейтронов, имеющие место в процессе бета-распада - это на самом деле превращения составляющих их кварков. Таким образом, бета-распад - это единственная форма радиоактивности, при которой изменения происходят на кварковом уровне. Он имеет место не только внутри ядер - точно таким же образом распадаются и свободные нейтроны, причем их среднее время жизни очень невелико, всего четверть часа. Из общепринятой теории фундаментальных взаимодействий вытекает, что нестабильны и свободные протоны, однако их время жизни неизмеримо превышает возраст нашей Вселенной.
Вернемся к позитронному бета-распаду, в ходе которого исчезает протон и возникают нейтрон, позитрон и нейтрино. С точки зрения общих принципов релятивистской квантовой механики испускание позитрона эквивалентно поглощению его античастицы, то есть обычного электрона. Это означает, что возможен бета-процесс, при котором атомное ядро самопроизвольно захватывает находящийся поблизости электрон и "отдает" его одному из своих протонов. Протон, которому посчастливилось получить этот сомнительный подарок, превращается в остающийся в ядре нейтрон и покидающее его нейтрино. Конечный результат тот же самый, что и при позитронном бета-распаде - ядро с тем же атомным весом и меньшим на единицу зарядом.
Возникает вопрос - откуда взяться электрону? Конечно, его можно разогнать в ускорителе и столкнуть с ядром, но мы ведь сейчас говорим об естественной радиоактивности, которая существует в природе без какого-либо вмешательства человека. Оказывается, что некоторые атомные ядра способны похищать электроны своих собственных внутренних оболочек и использовать их в качестве запалов бета-распада. Теоретически этот процесс в 1936 г. предсказали японские физики Хидеки Юкава и Шоичи Саката, а экспериментально его двумя годами позже обнаружил американец Луис Альварес. В физической литературе он получил название электронного захвата. В частности, этому виду бета-распада подвержен бериллий-7, ядро которого может "стянуть" с орбиты один из своих электронов и превратиться в ядро лития.
А теперь пойдем дальше. Нетрудно догадаться, что вероятность электронного захвата зависит от плотности электронов вблизи ядра - она обязана увеличиваться вместе с ростом этой плотности и падать при ее снижении. Это означает, что среднее время жизни ядер радиоактивного элемента, способных осуществлять электронный захват, может меняться в зависимости от того, входят ли они в состав чистого образца этого элемента или в состав его химического соединения. Этот вывод уже проверен и подтвержден в эксперименте, причем сдвиг времени жизни (или, если угодно, периода полураспада) может в таких случаях составлять доли процента. Следовательно, радиоактивные элементы этой группы заведомо непригодны для использования в качестве атомных часов при радиоизотопной датировке.
После столь длинного, но, вероятно, необходимого введения мне уже будет нетрудно рассказать и о работе сотрудников Лаборатории ядерной физики Университета Тохоку и физического факультета Национального университета в Иокогаме. Они сумели загнать атомы бериллия-7 во внутреннюю часть почти сферических шестидесятиатомных молекул углерода, так называемых фуллеренов. В результате электронная плотность в окрестности бериллиевых ядер возросла, что вызвало прирост темпа радиоактивного распада. Период полураспада образцов чистого металлического бериллия составил 1275 часов, а период полураспада плененных атомов - 1264 часа. Разница - примерно 0,85%.
Источник:
T. Ohtsuki et al
Enhanced Electron-Capture Decay Rate of 7Be Encapsulated in C60 Cages
Physical Review Letters 93, 112501 (2004)
Алексей Левин (Вашингтон)
20.09.2004
PS Справка:
Фуллерены

- практически сферические углеродные молекулы, состоящие из десятков атомов. Первые 60-атомные фуллереновые молекулы были созданы в 1985 году. Грани 60-атомного фуллерена - это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода.
http://grani.ru/Society/Science/m.77041.html

Ater

Честно говоря, ожидалось что-то более экзотичное. Эффект, конечно, достаточно красивый, но ничего принципиально нового ни в фундаментальном плане, ни, не побоюсь сказать, в плане прикладном, мне представляется, не дает...

sergeymorozov

А вообще не понятно, чем это должно отличаться от образования обычной связи. Всем же известно, что атом просто сваливается к одной из стенок и дальше уже ведёт себя по, в общем то, обычно.

Dr_Jones

что ЭТО должно отличаться от обычной связи ?

Dr_Jones

ну не даёт и не даёт. пока не даёт.
Оставить комментарий
Имя или ник:
Комментарий: