Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Центр управления распадом

Солнце обнаружило странную власть над нестабильными изотопами

Солнце не только источник света и жизни. Время от времени на нем происходят сильные извержения солнечного вещества, вроде того, какое наблюдал космический зонд NASA STEREO 28 сентября 2008 года. Тогда целый букет разнообразных элементарных частиц достигает земной атмосферы, а некоторые из них «прошивают» Землю насквозь. Фото: STEREO/NASA

В некоторых физических экспериментах, проводившихся в последние 15–20 лет, обнаружилась странная зависимость скорости радиоактивного распада от времени. Теоретически такой зависимости быть не может: период полураспада — это внутренняя характеристика изотопа, его определяет только соотношение протонов и нейтронов в ядре. Однако никого не удивляет драматическое изменение стабильности во время цепной реакции: интенсивность нейтронного поля растет и заставляет ядра быстрее распадаться, что, в свою очередь, приводит к ещё большему увеличению плотности нейтронов.

Но ни одна из частиц в земных условиях не может быть спрятана от солнечных или космических лучей. Если бы количество нейтронов в космических лучах по каким-либо причинам испытывало заметные сезонные колебания, а земная атмосфера хуже бы защищала от них планету или совсем бы отсутствовала, то не составляло бы большого труда заметить и сезонные колебания в скорости распада природного урана. К счастью для нас, этого не происходит. И тем не менее колебания стабильности нестабильных изотопов в земных условиях были-таки замечены.

Открытие века

Если составлять рейтинг физических открытий по их значению для развития цивилизации, то открытие француза Анри Беккереля (Antoine Henri Becquerel, 1852–1908), обнаружившего в 1896 году загадочное излучение солей урана, займет, безусловно, одно из первых мест. Свойства обнаруженной Беккерелем радиоактивности изучали в первые десятилетия ХХ века многие европейские физики, и в первую очередь мы должны назвать французских физиков супругов Мари и Пьера Кюри (Marie Curie, 1867–1934, et Pierre Curie, 1859–1906) и английского физика Эрнеста Резерфорда (Ernest Rutherford, 1871–1937).

Их особое изумление вызвала неожиданно большая энергия, излучаемая атомами радиоактивных солей. Непонятно было, где такая большая энергия может «храниться» до момента излучения. В поисках объяснения Мари Кюри даже предположила, что атомы радиоактивных веществ каким-то образом улавливают поступающую из космоса энергию и затем переизлучают её. С Кюри был категорически не согласен Эрнест Резерфорд, убежденный, что вся эта гигантская энергия заключена в самом атоме.

Интуиция не подвела Резерфорда, хотя его догадка была высказана ещё до открытия атомного ядра. Как оказалось впоследствии, энергия, высвобождаемая при радиоактивном распаде, хранилась именно внутри ядра. Исключительно важной деталью оказалась при этом принципиальная непредсказуемость момента распада атома — благодаря чему само явление радиоактивного распада стало символом случайного события. Удостоенный за свои научные заслуги титула барона, в качестве рисунка для герба Резерфорд выбрал изображение экспоненты — кривой, характеризующей монотонный процесс убывания со временем числа радиоактивных атомов.

Изомер (изотоп в возбужденном состоянии) гафния 177m272Hf на редкость устойчив: его период полураспада больше тридцати лет. А энергия перехода в основное состояние 2,5 МэВ на нуклон, что соответствует 226 кг тротилового эквивалента на грамм. В 2006 году желающие могли присутствовать при эксперименте на японском синхротроне SPring-8, в котором предполагалось сократить период полураспада 177m272Hf в 60 раз за счет синхротронного излучения. Фото (Creative Commons license): Drac2000

Тот факт, что этот процесс описывает именно экспоненциальная зависимость, определяется законом радиоактивного распада, также открытого Эрнестом Резерфордом. Крутизна экспоненты характеризуется временем, за которое распадается половина радиоактивных атомов — так называемым периодом полураспада. Чем больше период полураспада, тем медленнее убывает число нераспавшихся атомов и тем более пологой будет экспонента. В учебниках по атомной и ядерной физике часто подчеркивается, что период полураспада — фундаментальное свойство радиоактивного изотопа, которое никак нельзя изменить. Но у этого правила оказались исключения. И в августе 2005 года группа немецких физиков опубликовала в журнале «Physical Review Letters» результаты своего эксперимента, в ходе которого скорость возбужденного состояния ядра изотопа железа 57Fe удалось увеличить в шесть раз.

Для этого пришлось вырастить специальную слоистую структуру, в центре которой находилась пленка 57Fe толщиной всего в несколько атомных слоев, выполняющая роль рентгеновского волновода. Короткая вспышка рентгеновского излучения проходила по ней и переводила ядра железа-57 в неустойчивое возбужденное состояние. Ядра возвращались в основное состояние, переизлучая поглощенную энергию, и переизлученные фотоны, сконцентрировавшись внутри волновода, заставляли возбужденные ядра расставаться с избытком энергии быстрее.

Лабораторно-библиотечное исследование

Примеров изменения скорости распада в естественных условиях совсем не много. В 1986 году Дэйв Альбургер (Dave Alburger) и его коллеги по Брукхевенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк (Brookhaven National laboratory), закончили обработку данных исследования, целью которого были прецизионные измерения периода полураспада редкого радиоактивного изотопа 32Si. Данные, полученные в ходе многочисленных опытов, хорошо согласовывались друг с другом: измеренное значение периода полураспада оказывалось равным 172 годам и совпадало с предыдущими оценками.

Но длившийся четыре года эксперимент не обошелся и без сюрпризов. Полученные данные со всей убедительностью свидетельствовали, что атомы распадались чаще всего в феврале и реже всего в августе. Иначе говоря, уменьшение числа радиоактивных атомов со временем не подчинялось точному экспоненциальному закону.

Эти удивительные данные требовалось как-то интерпретировать, однако никакого адекватного объяснения Альбургеру и его коллегам найти не удалось. И они лишь упомянули о непонятном эффекте, публикуя результаты исследования в журнале «Earth and Planetary Science Letters», отметив, что на результаты исследования эффект не оказал никакого влияния.

На странный эффект никто не обратил внимания — до тех пор пока статью Альбургера не прочитали Эфраим Фишбах (Ephraim Fishbach) и Джере Дженкинс (Jere Jenkins) из Университета Дж. Пердью в Западном Лафайете штата Индиана (Purdue University). По их мнению, обнаруженный эффект следует рассматривать как свидетельство воздействия со стороны Солнца на любой радиоактивный распад на Земле. Как и большинство происходящих на Земле процессов, ни один из них не может быть изолирован от такого мощного источника всевозможных излучений.

Фишбах и Дженкинс немедленно приступили к изучению подшивок научных журналов, рассчитывая отыскать независимое подтверждение своей гипотезы. Оказалось, что в 1998 году в журнале «Applied Radiation and Isotopes» были опубликованы результаты эксперимента, выполненного в национальной метрологической лаборатории Германии (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). В ходе эксперимента, в частности, были замечены периодические (с периодом один год) колебания скорости радиоактивного распада изотопа 226Ra (период полураспада — 1600 лет). При этом продолжительность самого эксперимента составила 15 лет.

Внеземной феномен

Благодаря Фишбаху и Дженкинсу мы располагаем данными уже двух независимых исследований, свидетельствующих об отклонениях от закона радиоактивного распада. «Уже» двух или «всего» двух? Отвечая на это вопрос, не стоит забывать, что речь идет о явной аномалии, при том что справедливость закона подтверждена поистине бесчисленными измерениями активности самых разных радиоактивных изотопов. Необходимо также иметь в виду, что те крайне малые изменения скорости радиоактивного распада, о которых идет речь, установлены в отношении всего лишь нескольких изотопов. Весьма существенно также, что для выявления подобных эффектов эксперимент должен длиться по меньшей мере несколько лет.

Для большинства радиоактивных изотопов — период полураспада которых меньше нескольких десятков лет — подобный эксперимент вообще лишен смысла. Действительно, выявить столь малые изменения скорости распада атомов можно лишь на примере ограниченного числа изотопов. Их радиоактивность не должна быть ни слишком сильной, ни слишком слабой. В первом случае, на фоне высокой скорости распада её малые колебания останутся скорее всего незамеченными. Во втором — общее ежегодное количество распавшихся атомов будет сопоставимо со случайными флуктуациями, неизбежными в силу самого вероятностного характера процесса. В итоге в нашем распоряжении остается не так уже много радиоактивных изотопов, в отношении которых подобное исследование имеет смысл. Это, например, изотоп кремния 32Si или изотоп радия 226Ra с периодами полураспада от нескольких десятков до тысячи лет.

Автору периодической таблицы Дмитрию Ивановичу Менделееву (1834–1907) существование изотопов казалось немыслимым. А сейчас уже никого не удивляет, что за пределами его системы оказалось гораздо больше ядер, чем в самой системе. Только все они в разной степени нестабильны. Схема (Creative Commons license): Sjlegg

Анализируя результаты эксперимента 1998 года, Фишбах и Дженкинс обнаружили, что по порядку величины вариации скорости радиоактивного распада совпадают с вариациями (приблизительно трехпроцентными) расстояния от Земли до Солнца при движении Земли по околосолнечной орбите. Чем ближе к Солнцу оказывалась Земля, тем большая скорость радиоактивного распада фиксировалась в измерениях. Эта странная корреляция наводила на мысль, что объяснение обнаруженного феномена следует искать за пределами нашей планеты.

Известны три способа распада радиоактивного изотопа. Их принято нумеровать буквами греческого алфавита: α (альфа), β (бета) и γ (гамма). Основной канал для распада изотопа кремния 32Si — это β-распад. При этом нейтрон внутри ядра превращается в протон (масса которого чуть-чуть меньше массы нейтрона), а наружу вылетают две новые элементарные частицы: электрон и антинейтрино. Антинейтрино зарегистрировать крайне сложно, а потому сам факт β-распада устанавливается исключительно по регистрации электрона (в связи с этим его иногда называют β-частицей).

Излучение антинейтрино в известном смысле эквивалентно поглощению нейтрино. При этом из ядра должны вылететь протон и электрон. По мнению Фишбаха и Дженкинса, именно такая реакция и объясняет изменение числа распадов атомных ядер изотопа 32Si. Нейтрино, рождающиеся в недрах Солнца в ходе реакций термоядерного синтеза, управляют её скоростью. Чем ближе к Солнцу оказывается Земля, тем больше нейтрино достигает Земли — а следовательно, тем чаще происходит радиоактивный распад атомных ядер.

Ещё одно упоминание о сезонных колебаниях скорости радиоактивного распада Фишбах и Дженкинс обнаружили в журнале «Physics in Medicine and Biology». Кен Эллис (Ken Ellis), специалист по медицинский физике из Бэйлоровского медицинского колледжа в Хьюстоне штата Техас (Baylor College of Medicine in Houston), в течение девяти лет наблюдал устойчивые сезонные (на уровне 0,5%) колебания у скорости распада атомов изотопа плутония 238Pu, используемого обычно при изучении химического состава тела человека.

Период полураспада этого изотопа как раз хорошо укладывается в требуемый интервал — он равен 88 годам. И хотя основной канал — это α-распад до урана-234, изменение нейтринного фона может повлиять и на его время жизни.

Ловушка для нейтрино

Вариации скорости радиоактивного распада наблюдались пока лишь в единичных экспериментах. Тем не менее многие эксперты считают, что гипотеза о роли солнечных нейтрино заслуживает самого внимательного изучения. Один из таких экспертов, Элвин Сэндерс (Alvin Sanders) из университета Теннеси в Ноксвилле (University of Tennessee in Knoxville), уверен, что она может помочь в объяснении ещё одного загадочного феномена. Разные способы определения возраста деревьев — радиоуглеродным методом и традиционным (подсчетом годовых колец) — приводят иногда к разным результатам. С увеличением возраста изучаемого дерева расхождение результатов периодически увеличивается и уменьшается, причем период изменений составляет 200 лет.

Даже такой мощный метод датировки, как радиоуглеродный, ставит иногда исследователей в тупик. Так, долгое время не удавалось объяснить расхождение данных изотопного анализа и простого подсчета годовых колец дерева. Фото (Creative Commons license): Kathleen Tyler Conklin

Сэндерс полагает, что «нейтринная гипотеза» Фишбаха и Дженкинса выглядит здесь весьма уместно. Действительно, 200 лет — приблизительная длительность одного из циклов активности Солнца, известного как цикл-де-Фриза–Зюсса (de Vries/Suess-Zyklus). А следовательно, такой же 200-летний период характерен для вариаций числа солнечных нейтрино и, если следовать нейтринной гипотезе, для числа радиоактивных распадов ядер изотопа углерода 14C. Последний показатель является ключевым для метода радиоактивной датировки.

«В сущности мы наблюдаем за сердечным ритмом Солнца», — заметил по этому поводу Сэндерс корреспонденту журнала New Scientist. Если нейтринная гипотеза Фишбаха и Дженкинса подтвердится, то наблюдения за ядерным распадом смогут стать эффективным методом регистрации нейтрино и заменить те гигантские экспериментальные установки нейтринной астрономии, которые используются для этого в настоящее время.

У нейтринной гипотезы имеется, однако, уязвимое место. Согласно существующим представлениям, вероятность взаимодействия нейтрино с нейтронами слишком мала и явно недостаточна для того, чтобы это взаимодействие могло влиять на увеличение числа радиоактивных распадов. Остается предположить, что наши представления о взаимодействии нейтрино и нейтронов неполны и что мы имеем дело с проявлениями взаимодействия неизвестной природы.

«Мне представляется крайне маловероятным, что это действительно так», — говорит Эрик Норман (Eric Norman), физик-ядерщик из Калифорнийского университета в Беркли (University of California in Berkeley), слова которого также приводит журнал New scientist. C Эриком Норманом согласен и Питер Купер (Peter Cooper) из лаборатории Ферми в Батавии, штат Иллинойс (Fermilab national accelerator facility), предложивший оригинальный способ проверки «нейтринной гипотезы». Купер обратил внимание на параметры термоэлектрических генераторов, устанавливаемых обычно на космических зондах — поскольку в таких генераторах источником тепла является энергия радиоактивного распада атомов изотопа плутония.

Чем дальше от Солнца находится космический аппарат, тем меньше будет достигающий его поток нейтрино. Вследствие этого — если мы принимаем гипотезу Фишбаха и Дженкинса — с удалением зонда от Солнца ядра плутония должны распадаться реже. Использовав доступную информацию о зонде «Кассини», запущенном ещё в 1997 года и предназначенном для исследования Сатурна, Купер установил, что все 12 лет мощность находящегося на его борту термогенератора убывала во времени строго по экспоненте — без каких-либо зафиксированных отклонений от закона радиоактивного распада.

Безусловно, аргументы Питера Купера являются весьма сильным аргументом против нейтринной гипотезы. Но у Фишбаха и Дженкинса есть свои возражения. Они напоминают, что мощность термогенератора растет с увеличением разности температур, а по мере удаления Кассини от Солнца эта разность возрастает, поскольку температура «за бортом» уменьшается. Вполне возможно, что этот эффект компенсирует уменьшение потока солнечных нейтрино.

Такие радиоизотопные термоэлектрические генераторы устанавливаются на космических станциях NASA, направляющихся к внешним планетам Солнечной системы. В них электроэнергия производится за счет распада плутония-238 в его двуокиси. Фото: NASA

В активе «нейтринной гипотезы», кроме того, и повышенный в последние годы интерес физиков к свойствам нейтрино. Этот интерес связан, в частности, с недавним подтверждением концепции нейтринных осцилляций, согласно которой нейтрино обладают массой и способны превращаться из одного вида в другой (известны три разновидности нейтрино: электронное, мюонное и таонное). Именно нейтринные осцилляции позволяют, к примеру, объяснить эффект, открытый группой Юрия Литвинова из лаборатории ядерной физики Института тяжелых ионов (Gesellschaft für Schwerionenforschung) в немецком Дармштадте и отчасти напоминающий сезонный эффект Дейла Альбургера. В статье Литвинова и его коллег в журнале «Physics Letters» сообщалось о странных периодических отклонениях от закона радиоактивного распада у изотопов празеодима 140Pr c периодом полураспада 3 мин. 23 с. и прометия 142Pm с периодом полураспада 40,5 с. Для обоих изотопов число нераспавшихся атомов хотя и убывало со временем в среднем по экспоненциальному закону, однако с периодичностью в семь секунд скорость радиоактивного распада незначительно увеличивалась и уменьшалась относительно значения, определяемого законом радиоактивного распада.

Несомненным аргументом в пользу нейтринной гипотезы является также история самой частицы нейтрино. Гипотезу о существовании новой элементарной частицы выдвинул в 1930 году физик-теоретик Вольфганг Паули (Wolfgang Pauli, 1900–1958): только таким образом удавалось сохранение энергии при β-распаде (название «нейтрино» было предложено Энрико Ферми). Вполне возможно, что спустя семь с лишним десятилетий «нейтринная гипотеза» вновь поможет физикам примирить теорию с экспериментом.

Борис Булюбаш, 10.09.2009

 

Новости партнёров