Искусственное ускорение ядерного распада
Фуллерен C-60. Модель с сайта www.mindspring.com/~kimall/Fuller/c60.html
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 электрона 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)
Обсудить
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.
Статьи по теме
Вселенная может оказаться старше
Вселенная может оказаться примерно на миллиард лет старше своего официального возраста. К такому выводу пришли физики из Италии и ФРГ. Их выводы основаны на измерении скорости цепочки термоядерных реакций, которые обеспечивают светимость горячих и ярких звезд, масса которых как минимум в два-три раза превышает массу нашего Солнца.
Искусственное ускорение ядерного распада
Японским физикам впервые удалось заметно увеличить скорость естественного распада ядер радиоактивного элемента, не подвергая их никаким экстремальным воздействиям. 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.
Бозон Хиггса потяжелел
Международный коллектив физиков, работающих на гигантском американском протон-антипротонном коллайдере "Тэватрон", заново измерил массу t-кварка, которая оказалась несколько больше ранее принятого значения. Это объясняет негативный результат экспериментов по поиску так называемого бозона Хиггса, которые в конце прошлого десятилетия проводились в ЦЕРНе.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
Музыка сверххолодных атомов
Американские ученые из Университета Дьюка экспериментально наблюдали сверхтекучесть вырожденного квантового газа, образованного атомами с полуцелыми спинами. Они работали с резонансным конденсатом, созданным из атомов лития-6. Именно эту новую форму квантового конденсата несколько месяцев назад впервые получила группа Деборы Джин.
Впервые удалось получить "стадо" из частиц-индивидуалистов
Американские ученые сообщили о том, что им впервые удалось наблюдать образование так называемого "фермионного конденсата", составленного из пар атомов в охлажденном газе. В течение ряда лет существовало мнение о родственности явлений сверхпроводимости (с которой связаны фермионы) и бозе-конденсации. Теперь это может помочь в создании сверхпроводящих материалов, имеющих самое широкое практическое применение.
В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества
Физики из Пенсильванского университета получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. Это означает, что теперь можно наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах.
В "темном свете" обнаружены оптические вихри и скрытые цвета
Физики из Университета Глазго впервые наблюдали скрытые цвета, которые, как недавно было предсказано, должны существовать в "темном свете". Феномен темного света тесно связан с областями пространства, известными как "фазовые дислокации" или сингулярности, которые изучаются в рамках сингулярной оптики. Кроме всего прочего, подобные эффекты могут применяться для того, чтобы заманить в ловушку и вращать микрообъекты в своеобразном "оптическом пинцете".
В эксперименте впервые наблюдался обратный эффект Доплера
Существование предсказанного еще в 40-х годах прошлого века так называемого обратного доплеровского эффекта было впервые подтверждено экспериментально. Британские исследователи признают, что их результаты в какой-то мере противоречат обычному здравому смыслу, однако утверждают, что все это может найти реальное применение в медицинских источниках излучения и в телекоммуникационной технике.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Физики, возможно, наблюдали магнитные монополи
Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака.
Мезоны устраивают "похороны" классической физике
Хорошо известные в квантовой механике неравенства Белла впервые были проверены в эксперименте с участием высокоэнергетичных частиц в лаборатории KEK в Японии. Причем именно нарушение этих знаменитых неравенств и является серьезным аргументом в пользу истинности современного понимания квантовой теории и позволяет "похоронить" так называемые "теории скрытых параметров", в определенном смысле привязанные к классической физике.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Силу, возникающую из пустоты, приспособят к чему-нибудь путному
Генрих Казимир еще в 1948 году предложил эксперимент, который мог бы подтвердить квантовую теорию физического вакуума (то, что вакуум на самом деле не пуст, а заполнен то и дело виртуально возникающими и исчезающими парами частиц и античастиц). Теперь американские исследователи сумели проверить этот эффект с точностью до 0,5 %. Выяснилось, что эффект Казимира действительно должен серьезно влиять на наноразмерные устройства.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Датчик гравитационных волн уходит под землю
Гравитационные волны - это своего рода "рябь" в пространственно- временном континууме, которая возникает тогда, когда массивные космические тела испытывают ускорение (точнее говоря, гравитационные волны излучаются массами, движущимися с переменным ускорением). Альберт Эйнштейн предположил их существование в рамках своей Общей теории относительности еще в 1915 году. Двигаться гравитационные волны должны были со скоростью света. Однако эти волны очень слабы и их регистрация до сих пор находится на грани технических возможностей.
Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу
Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, было основной целью американских экспериментаторов. Они изучали движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом. Мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально, что вполне может быть названо квантовой электромеханикой.
Обвинения в "изменах" с постоянной тонкой структуры пока не сняты
Современные теории, которые призваны объединить эйнштейновскую относительность с квантовой механикой и тем самым решить одну из сверхзадач всей современной физики, привели к шокирующему предсказанию: фундаментальные константы не только могут, но даже обязаны изменяться в пространстве и времени. Однако теперь с помощью исследования спектров отдаленных квазаров удалось наложить строгие ограничения на возможные вариации во времени одной из важнейших физических констант - постоянной тонкой структуры.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Физики доказали, что рукописи не горят
Известный популяризатор науки и специалист по черным дырам Стивен Хокинг на пару с Кипом Торном, по всей видимости, проспорил Джону Прескиллу полное собрание томов Британской энциклопедии. В 1997 году эти три космолога заключили между собой ставшее вскоре широко известным пари относительно того, исчезает или нет информация, поглощаемая черными дырами вместе с материальными носителями, то есть меняется ли вообще внутреннее состояние черной дыры в зависимости от конкретных характеристик частиц, которые ею поглощены.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Экспериментаторы ищут новые силы, предсказанные теориями суперструн
Самый чувствительный на настоящее время эксперимент по оценке гравитационного взаимодействия на сверхмалых расстояниях не дал новых козырей в руки сторонников теории суперструн. Но, несмотря на все это, идеи дополнительных измерений становятся необычайно популярными в связи с кризисом стандартных физических моделей, не способных объяснить новые наблюдения - ускоренно расширяющейся Вселенной, в которой царит темная энергия.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Теория относительности топит субмарины
Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.
Большой взрыв руками физиков-ядерщиков: подтверждено получение кварк-глюонной плазмы
Недавние контрольные эксперименты добавили уверенности "творцам Большого взрыва" из Брукхэвена: похоже, им действительно удалось получить кварк-глюонную плазму - то есть материю, находящуюся в принципиально новом состоянии. Согласно современным теориям, кварк-глюонная плазма существовала только в первые 10-5 с после Большого взрыва. Когда-то предрекали, что подобные эксперименты могут привести чуть ли не к концу всей нашей Вселенной или, по меньшей мере, к формированию микроскопической черной дыры, которая затем затянет внутрь себя все, до чего сможет дотянуться.
Молекулярные кольца могли бы защитить микробов Венеры
Мысль о том, что живые микробы на Венере могли бы сохраниться и даже размножиться в обширном облачном покрове этой планеты, кажется более чем спорной. Однако некоторые ученые все-таки продолжают развивать подобные теории, они уверены, что некоторые разновидности микроорганизмов, однажды возникнув (или будучи занесены с другой планеты какими-нибудь небесными телами), могли бы найти убежище от смертельной ультрафиолетовой радиации в молекулярных кольцах серы.
Новости по теме
