Давно известно, что химическое соединение можно разъединить на составляющие и затем собрать снова, получив то же или другое соединение с выделением или поглощением энергии. Такие взаимодействия между атомами и составляют химию. Однако до XX века сам атом считался неделимым. Его считали наименьшей частицей. Атом золота, согласно взглядам того времени, был частичкой золота, качественно отличающейся от атома меди, который представлял собой частицу меди. Современные представления изящнее. Мы знаем, что атомы золота, меди, водорода и других элементов представляют собой различные комбинации фундаментальных частиц – аналогично тому, как гены лошади, салата, человека или бактерии являются различными комбинациями четырех “букв” ДНК. Точно так же, как химические соединения являются комбинациями, составленными из конечного набора примерно сотни атомов, каждое ядро атома оказалось комбинацией двух фундаментальных частиц – протонов и нейтронов. Ядро атома золота не “сделано” из золота. Как и все другие ядра, оно из протонов и нейтронов. Ядро железа отличается от ядра золота не потому, что оно из “железного” вещества, а потому, что содержит 26 протонов (и 30 нейтронов), а не 79 протонов (и 118 нейтронов), как ядро золота. На уровне атома не существует никакого “вещества” со свойствами золота или железа. Есть лишь комбинации протонов, нейтронов и электронов. Впрочем, физики на этом не останавливаются и утверждают, что даже протоны, нейтроны и электроны состоят, в свою очередь, из кварков. Но мы не будем слишком углубляться в физику.

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковый размер, они гораздо больше электрона. В отличие от нейтрона, электрически нейтрального, каждый протон имеет одну единицу электрического заряда (который произвольно считается положительным). Этот заряд уравновешивает отрицательный заряд одного электрона, который находится на орбите вокруг ядра. Протон может превратиться в нейтрон, если поглотит электрон, отрицательный заряд которого нейтрализует положительный заряд протона. Нейтрон, в свою очередь, может превратиться в протон, избавившись от единицы отрицательного заряда – электрона. Такие преобразования являются примерами ядерных реакций. Химические реакции не затрагивают ядро.

Ядерные реакции приводят к его изменениям. Обычно они сопровождаются гораздо более значительным обменом энергии, чем химические реакции. Поэтому ядерное оружие при равной массе разрушительнее обычных (химических) взрывчатых веществ. Попытки алхимиков превратить один химический элемент в другой провалились лишь потому, что они пытались сделать это с помощью химических, а не ядерных реакций.

У каждого химического элемента определенное число протонов в ядре атома и равное ему число электронов на орбите вокруг ядра: 1 – у водорода, 2 – у гелия, 6 – у углерода, 11 – у натрия, 26 – у железа, 82 – у свинца, 92 – у урана. Атомное число в значительной степени определяет свойства элемента. Нейтроны почти не влияют на химические свойства элемента, однако определяют его массу и участвуют в ядерных реакциях.

Число нейтронов в ядре обычно примерно равно числу протонов (или немного больше). В отличие от числа протонов, которое фиксировано для каждого элемента, число нейтронов варьирует. Обычный углерод имеет шесть протонов и шесть нейтронов, что в сумме дает массовое число 12 (массой электронов можно пренебречь, а нейтрон весит примерно столько же, сколько протон). Поэтому его называют углеродом-12.

У углерода-13 один дополнительный нейтрон, а у углерода-14 их два. При этом у каждого по шесть протонов. Такие “версии” химического элемента называются изотопами. Причина, по которой изотопы называются углеродом, в том, что у них одинаковое атомное число (6) и, следовательно, одинаковые химические свойства. Если бы ядерные реакции были открыты раньше химических, возможно, изотопы назывались бы по-разному. Иногда изотопы ведут себя настолько странно, что вполне заслуживают индивидуальных названий. У обычного водорода нет нейтронов. Водород-2, который имеет один протон и один нейтрон, называется дейтерием, а водород-3 с одним протоном и двумя нейтронами – тритием. Все они в химическом отношении ведут себя как водород. Например, дейтерий при взаимодействии с кислородом образует так называемую тяжелую воду, которую применяют в производстве водородных бомб.

Таким образом, изотопы различаются лишь числом нейтронов. Некоторые изотопы нестабильны: это значит, что их ядро с высокой вероятностью может в любой момент превратиться в ядро другого типа. Другие изотопы стабильны: вероятность превращения их ядер близка к нулю. Нестабильные изотопы также называют радиоактивными. У свинца 4 стабильных изотопа и 25 описанных нестабильных изотопов. У урана – очень тяжелого металла – нестабильны (то есть радиоактивны) все изотопы.

Радиоактивность – вот ключ к абсолютному датированию горных пород и окаменелостей. Как происходит превращение нестабильных радиоактивных элементов? Это может происходить по-разному, но есть два основных способа: альфа-распад и бета-распад. При альфа-распаде ядро теряет альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. В результате массовое число уменьшается на четыре единицы, атомное – на две (соответствующие двум потерянным протонам). Элемент превращается в элемент, имеющий на два протона меньше. Так, уран-238 (92 протона и 146 нейтронов) превращается в торий-234 (90 протонов и 144 нейтрона).

Бета-распад происходит иначе. Один нейтрон в исходном ядре превращается в протон, выбрасывая бета-частицу, которая представляет собой единицу отрицательного заряда, или один электрон. Массовое число ядра при этом не меняется, потому что общее число протонов и нейтронов остается неизменным (массой электронов можно пренебречь). Однако атомное число увеличивается на 1, поскольку в ядре становится протоном больше. Натрий-24 в результате бета-распада превращается в магний-24. Массовое число остается прежним – 24, а атомное число увеличивается с 11 (натрий) до 12 (магний).

Третий вид превращения – нейтронно-протонное замещение. Блуждающий нейтрон ударяет в ядро, выбивает один протон и занимает его место. Как и при бета-распаде, массовое число при этом не меняется. Однако атомное число уменьшается на 1 из-за потери протона (атомное число – это число протонов в ядре).

Четвертый способ радиоактивного превращения, который приводит к аналогичным изменениям атомного и массового чисел, – электронный захват. Он представляет собой как бы бета-распад наоборот.

При бета-распаде нейтрон превращается в протон, испуская электрон. А при электронном захвате, напротив, протон, захватывая электрон, превращается в нейтрон. Атомное число уменьшается на 1, а массовое число остается неизменным. Калий-40 (атомное число 19) превращается в аргон-40 (атомное число 18).

Кроме описанных, есть множество других способов превращения одних ядер в другие.

Один из основных принципов квантовой механики – невозможность точно предсказать, когда распадется ядро нестабильного элемента. Но мы можем измерить статистическую вероятность этого события, причем такая вероятность будет характерной для конкретного изотопа. Стандартной мерой является период полураспада. Чтобы измерить период полураспада радиоактивного изотопа, нужно взять образец вещества и подсчитать, за какое время его половина превратится во что-либо другое. Период полураспада стронция-90 составляет 28 лет. Если мы возьмем сто граммов стронция-90, то 28 лет спустя у нас останется лишь пятьдесят граммов. Остальная половина превратится в иттрий-90 (который, в свою очередь, превращается в цирконий-90). Значит ли это, что еще через 28 лет у нас совсем не останется стронция? Разумеется, нет. Останется 25 граммов стронция. Еще через 28 лет количество стронция снова уменьшится вдвое и составит 12,5 грамма. Теоретически оно никогда не достигнет нуля. Поэтому используется понятие периода полураспада.