Под знаком кванта

Этот метод, который впоследствии назвали «методом радиоактивных индикаторов» или «меченых атомов» (Нобелевская премия 1943 г.), оказался чрезвычайно эффективным при исследовании химических реакций и структуры вещества. Сейчас он используется повсеместно: в физике и биологии, в медицине и металлургии, в археологии и криминалистике.

Открытие искусственной радиоактивности позволило получить десятки новых радиоактивных изотопов, а из осколков деления урана в современных ядерных реакторах выделяют свыше сотни разнообразных радиоизотопов. С их помощью человек узнал удивительные факты даже о себе самом: объем крови, циркулирующей по всему телу, механизм функционирования внутренних органов, скорость миграции веществ в организме и многое другое. Например, если выпить глоток соленой воды, в которую добавлен радиоактивный изотоп натрия ²⁴Na, то уже через 2 минуты с помощью счетчика Гейгера — Мюллера его можно обнаружить в пальце руки, через час он распределится по всему телу, а еще спустя 3 часа начнет выводиться из организма. Оказалось, что полный круг кровообращения занимает всего 23 секунды, что атомы человеческого тела непрерывно заменяются новыми, поступающими в организм с пищей, и что весь цикл такой замены атомов занимает около года, то есть каждый год человек почти полностью обновляется, сохраняя при этом свою индивидуальность и целостность.

Теперь, почти столетие спустя после открытия радиоактивности, кажется странным, почему ее не замечали раньше: ведь она повсюду вокруг и даже внутри нас самих. В теле человека каждую секунду происходит свыше 20 000 распадов калия-40, около 300 распадов углерода-14 и 4 распада радия-226, с таким трудом открытого Марией и Пьером Кюри. Впрочем, в истории науки таких фактов множество:

радиоволны пронизывают все пространство вокруг нас, но об этом даже не подозревали до работ Генриха Герца, и лишь после Луи Пастера узнали, что в каждом кубическом сантиметре вдыхаемого нами воздуха содержатся миллионы разнообразных бактерий.

Радиоуглеродный метод датировки

В пространствах Вселенной каждую секунду происходят космические катастрофы: вспыхивают новые и взрываются старые звезды, выбрасывая в межзвездные пространства ядра водорода, гелия и других элементов. В галактических магнитных полях эти ядра разгоняются до громадных энергий — в сотни и тысячи раз больших, чем достигнутые сегодня на ускорителях. Эти космические лучи, как их назвал Роберт Милликен, встретив на своем пути Землю, пронизывают атмосферу и, сталкиваясь с ядрами ее атомов, вызывают разнообразные ядерные реакции: разбивают ядра на осколки, выбивают из них вторичные протоны и нейтроны. Эти вторичные частицы вступают в новые ядерные реакции, одна из которых в 1946 г. привлекла особое внимание американского физика Уилларда Фрэнка Либби (1908—1980).

Он заметил, что выбитые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов азота, из которого на 79 % состоит атмосфера Земли, могут выбить из них протон и превратить их в ядра углерода:

n + ^l4N---> ¹⁴С + р.

В отличие от обычного изотопа углерода ¹²С, редкий изотоп ¹⁴С радиоактивен: он распадается по схеме

¹⁴С --->- ¹⁴N + e + v_e

с периодом полураспада 71/2 = 5730 лет. Каждую секунду на площадку в 1 м² падает примерно 4000 космических протонов, которые после каскада ядерных превращений приводят к образованию примерно 2 ядер ¹⁴С в каждом кубическом сантиметре верхних слоев атмосферы. Эти изотопы углерода вскоре соединяются с кислородом и в виде углекислого газа усваиваются растениями, а затем животными и человеком. В результате такого круговорота в органическом веществе всех растений и животных устанавливается равновесная концентрация изотопа ¹⁴С, который можно обнаружить с помощью обычного счетчика Гейгера — Мюллера. Оказалось, что в 1 г углерода органического происхождения — будь то древесина, трава, кости животного или бактерии —

278 содержится примерно 70 млрд, атомов углерода 14 С, причем каждую минуту 15 из них распадаются.

Однако это заключение справедливо лишь для живой материи: как только растение, животное или человек умирает, прекращается обмен веществ, составляющий суть жизни, а вместе с этим в останках нарушается и равновесная концентрация атомов ^l4C. С момента гибели живого организма число атомов ¹⁴С в нем непрерывно уменьшается по строго определенному закону: через 5730 лет их станет вдвое меньше, еще через 5730 лет — вчетверо меньше и т. д. А это означает, что 1 г углерода только что срубленного дерева через 5730 лет будет излучать вместо 15 импульсов в минуту только 8, а еще 5730 лет спустя — 4 импульса в минуту и т. д.