Откуда они — радиоактивные элементы?

Таким образом, все человечество, начиная со своих одноклеточных «предков», хорошо знакомо с различными видами радиации. Причем не только с небесными, которые несколько гасятся толщей атмосферы, но и с земными — теми, которые испускаются, например, почвой, т.е. содержащимися в ней естественными изотопами. Средний уровень естественной фоновой радиоактивности невелик, он не превышает 0,1 - 0,2 рентгена за год и на две трети он обусловлен чисто земными факторами.

Мы уже говорили, что в наши дни средний радиационный фон гораздо ниже, чем в древние времена, в те эпохи, когда только зарождалась жизнь на Земле. Одна из причин и в том, что тогда на нашей планете было намного больше таких радиоактивных излучателей, которые к нашему времени успели почти распасться. Ведь наша Земля существует уже более 4 миллиардов лет, так что ядра трансурановых (с атомными весами, большими 238 —см. Таблицу распадов) элементов и короткоживущих изотопов просто вымерли к нашему времени. Наполовину уменьшилось количество изотопа U²³⁵. Что уж говорить о прочих? На одну тонну урана в природе приходится примерно одна треть грамма радия и 10^-9 г полония! Помните о радиоактивных семействах, в которых дочерний элемент — результат альфа- или бета-распада материнского? Вот с течением лет и замещается постепенно радиоактивный элемент своим дальним стабильным потомком.

В обозримый период жизни цивилизации не наблюдается процесс рождения новых, дополнительных, количеств радиоактивных элементов. Планета наша находится не в юношеской поре, успокоилась, геологические процессы в ней затормозились. В геологическом смысле, наша Земля не молода и уже не так активна, как в былые миллиарды лет. Пора бурной молодости закончилась, изредка активность проявляют лишь процессы, источник которых где-то в глубине планеты — пробегает дрожь землетрясений, вспоминают былое вулканы, исчезают мелкие островки. Все проходит…Только радиоактивные превращения, неуклонно подчиняясь законам микромира, отмечают время жизни планеты. Все с той же интенсивностью выбрасывая альфа-частицы, электроны и невидимый свет, атомные ядра распадаются, уменьшая количество долгоживущих тяжелых радиоактивных элементов.

Именно по «ядерным часам», скорость хода которых неизменна, ученые смогли определить периоды глобальных геологических и физических катаклизмов на планете, эпохи «перестроек», земных и космических катастроф. Но кто, когда и как завел эти часы?

Насчет «кто» — это вопрос не к ученым-физикам и инженерам, а вот «когда» и «как» — об этом наука кое-что сумела узнать. И относительное содержание элементов в природе, и их происхождение управляются законами микромира, законами ядерных радиоактивных превращений.

Возникновение и эволюция химических элементов — результат цепочки ядерных реакций, которые происходят везде, где складываются подходящие условия. В таких реакциях из нескольких простых ядер рождаются более сложные. Чтобы запустить процесс требовалось какое-то количество исходного сырья — набора элементарных частиц и принципов их взаимодействий (мало купить игру «конструктор», нужно еще найти инструкцию к игре) — и, как всегда, необходима энергия в достаточном количестве. По современным представлениям, во многом подтвержденным астрономическими и астрофизическими измерениями, наш мир действительно возник в результате катастрофического процесса взрывного характера (так называемая модель Большого взрыва).

На ранних стадиях существования Вселенной, через очень маленькое время после взрыва, сверхплотный «колобок», из которого и разворачивался затем весь мир, был только-только вынут из «печи» и температура его была огромной. Поэтому различные реакции с участием элементарных частиц происходили в нем с большой интенсивностью. Нестабильные частицы распадались, превращаясь в стабильные, и через некоторое время в мире выжили протоны, электроны и фотоны — электромагнитное излучение (не забудем, что нейтрон быстро, в течение примерно 10 минут, распадается с вылетом протона и электрона). Таким образом, из всего разнообразия химических элементов в мир состоял, главным образом, из водорода (помните гипотезу Праута?).

Что же можно было построить из водорода? Для начала можно соединить 4 ядра водорода. Так из водорода получается гелий — эта термоядерная реакция дает огромное количество энергии и является основным процессом, питающим энергией наше Солнце. Правда, одно ядро Не⁴ образуется из четырех протонов не очень быстро — как минимум, за 330 миллионов лет! Дело в том, что даже при солнечных температурах вероятность собраться в одной точке четырем одноименно заряженным частицам очень мала. В постепенно остывающей Вселенной эта вероятность еще меньше. Только гравитационные силы могли собрать вещество и сжать до сверхплотного состояния, тем самым разогревая его до миллионов градусов.

Так загорались звезды, в сердцевине которых гравитация, сжимая вещество, поднимала его температуру и до 100 миллионов градусов. Тогда появлялась возможность для взаимодействия и у ядер гелия. Сливаясь вместе, альфа-частицы образовывали ядра углерода. Углерод, поглощая ядро гелия, становился кислородом. Кислород, в свою очередь, захватывал альфа-частицу и превращался в неон. Еще повысится температура — и в реакции вступают ядра углерода. Работа кипит, элементы возникают один за другим. Однако из одних только альфа-частиц получить тяжелые ядра невозможно. По счастью, в реакциях образовывалось значительное число нейтронов. Захват нейтронов тяжелыми ядрами порождал все новые изотопы. Стабильные выживали, нестабильные распадались, их «детали» вновь шли на переплавку.

Далее, например, при взрывах сверхновых звезд, накопленные ими богатства в виде огромного количества тяжелых ядер выбрасываются во Вселенную. Синтез элементов в ней, по-видимому, происходит непрерывно, скажем, обнаруженный в спектрах некоторых звезд радиоактивный технеций распадается за 220 тысяч лет. Значит, обнаруженный сейчас этот элемент образовался в звезде лишь так недавно? Но это относится к звездам, действующим космическим «печам». На Земле же не происходит образования заметных количеств тяжелых радиоактивных элементов. Чем короче их период полураспада, тем их меньше. Насколько же давно они образовались? Если считать, что все такие элементы сформировались примерно в одно время (по космическим масштабам), достаточно знать их периоды полураспадов и нынешнего их количества на планете, чтобы проследить судьбу радиоактивных U²³⁸, Th²³², или, скажем, почти уже отсутствующего на Земле U²³⁵, назад во времени. Оказывается, максимальное количество всех этих тяжелых элементов было на планете около 5 миллиардов лет тому назад. Тогда, когда только-только родилась наша планета, да и вся Солнечная система.

Так что тяжелые радиоактивные вещества — аборигены нашей Земли. Они живут на ней с самого ее рождения, они не только заметно влияют на химические и физические свойства неорганического мира Земли, но и создают тот естественный радиационный фон, в котором возникла, развилась и стала мыслящей Жизнь.