продолжительность жизни атома водорода
Возбужденные атомы: 5. Атомы-долгожители
Изучение времени жизни 2S-состояния атома гелия за последние сорок лет: синие точки показывают теоретические расчеты, красные точки — экспериментально полученные значения. Изображение из статьи S. Hodgman et al., 2009. Metastable Helium: A New Determination of the Longest Atomic Excited-State Lifetime
В отдельных случаях возбужденные состояния могут оказаться долгоживущими даже по обычным человеческим масштабам — а уж по атомным масштабам это будут экстремальные долгожители. Такая возможность означает, что внутри атома действует какой-то очень суровый закон, препятствующий излучению фотонов. Распадается это состояние только за счет того, что после множества неудачных попыток атом находит-таки возможность создать фотон и вернуться в основное состояние.
Простейший пример — возбужденное состояние атома водорода 2S. И начальное (2S), и конечное (1S) состояния электрона сферически симметричны. Один фотон просто не сможет излучиться при таком переходе. Поэтому превращение 2S → 1S происходит за счет одновременного излучения двух фотонов. Нетрудно догадаться, что это очень редкий процесс, и потому время жизни 2S-состояния в атоме водорода получается аж 0,122 секунды. Кстати, это время настолько велико, что его уже не удается измерить обычными методами, а приходится отлавливать возбужденные атомы в специальную ловушку и отслеживать распады в ней.
Еще больше время жизни у 2S-состояния в атоме гелия — больше двух часов! В отличие от водорода, в атоме гелия сидят два электрона, и из-за этого работают дополнительные причины, мешающие распаду возбужденного состояния. Измерять его еще труднее; собственно, это самое большое время жизни возбужденного состояния атома, измеренное в лабораторном эксперименте. Первые измерения были проведены в 70-х годах с очень большими погрешностями, и только совсем недавно оно было измерено с приемлемой точностью: 131 ± 9 минут.
Насколько стабильно вещество, из которого мы состоим?
Я верю, что у природы есть стабильные законы красоты и полезности. Весна сажает, осень собирает, и так до конца времён.
— Роберт Браунинг
Как и всё остальное, что есть во Вселенной – галактики, звёзды, планеты – люди состоят из атомов.
И если мы заберёмся в самое сердце атома, мы обнаружим, что его ядро состоит из комбинации двух простых нуклонов: протона и нейтрона. Протон и нейтрон связываются в сотни разных комбинаций, и определяют не только тип атома, но и его стабильность. А человеческое тело составляет не менее 10 28 атомов.
Более 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атомов в каждом человеке. И некоторые из этих атомов известны своей радиоактивностью, например, висмут, уран, торий, но и они всегда сохраняют общее число нуклонов. Даже свободный нейтрон, хоть он и не стабилен, распадается на протон (и кое-что другое), сохраняя общее число нуклонов.
А что насчёт протонов? Более 10 27 атомов в человеке – это атомы водорода, у которых ядро состоит только из одного протона. Возможно ли, что эти протоны нестабильны? Согласно некоторым идеям физики (таким, например, как различные Теории великого объединения), протон тоже может распадаться!
Но если это так, его время жизни должно быть очень большим. Нейтрон распадается в течение 15 минут, но протон должен жить очень долго. Мы можем понять это, просто используя наши тела. С 4 * 10 27 протонами внутри нас – в ядрах атомов водорода – нельзя допустить, чтобы большое их количество распадалось. Тогда бы мы сами по себе испускали слишком много энергии!
Вам интересно, почему?
Так же, как материя превращается в энергию в Солнце и атомных бомбах, она могла бы появляться и из таких спокойных вещей, как протоны. И знаете, что? Люди ведь на самом деле излучают энергию, как и все теплокровные приматы.
В видимом спектре это неочевидно, но если взглянуть в инфракрасном свете, станет видно, что люди относительно окружающей их среды постоянно излучают тепло в более холодный воздух вокруг.
Чтобы выдерживать нужный температурный режим, необходимо потреблять энергию, чтобы компенсировать ту, что постоянно излучается. Взрослый человек моего размера должен излучать 100 Вт энергии – это 100 Джоулей в секунду, примерно как лампа накаливания.
Даже если бы вы получали 100% этой энергии от распадающихся протонов, это ограничивает количество протонов, способных распадаться каждую секунду, всего лишь 600 миллиардами.
Но основываясь на огромном количестве протонов в теле, можно понять, что в среднем протону требуется не менее сотен миллионов лет для того, чтобы распасться. И в реальности мы не излучаем 100 Вт энергии благодаря распаду протонов.
Мы получаем её в виде химической энергии, поедая кроликов калорийную еду. Для поддержания нормальной температуры взрослому мужчине требуется примерно 2000 калорий в день. Один из первых симптомов недоедания – падение температуры тела.
Но чтобы точно проверить, распадаются ли протоны, понятно, что нужно сделать. Нужно собрать их как можно больше в одном месте, построить гигантский детектор и искать сигнатуру распада.
Так и поступили в Камиоке, Япония. Построили резервуар с сотнями тонн воды и с детекторами фотонов по периметру. Если какой-либо из протонов распадётся, высокоэнергетические продукты распада оставят световые сигналы, позволив нам измерить не только факт распада, но и количество распавшихся атомов.
Если взять резервуар с 10 32 протонами, подождать год, и обнаружить, что ни один не распался – то станет ясно, что их период полураспада составляет по меньшей мере 10 32 года!
И хотя такое устройство оказалось очень полезным для создания детекторов космических нейтрино, все эксперименты с распадом протона не дали никаких результатов. В общем, исходя из полученных данных, время жизни протона должно составлять не менее 10 35 лет, что вполне неплохо, учитывая, что возраст Вселенной составляет всего около 10 10 лет!
Протон настолько стабилен, что представляет собой проблему для множества Великих теорий объединения. Только на основе полученного нами времени жизни можно сказать, что шанс того, что во время вашей жизни любой из протонов вашего тела распадётся, составляет 0,001%. И вот насколько стабильна на фундаментальном уровне та материя, из которой мы сделаны.
Астрономические времена: 7. Сверхдолгоживущие частицы
Внутренность японского детектора Super-Kamikande: огромный бак со сверхчистой водой и тысячи фотоумножителей, установленные на стенках для регистрации редчайших событий превращения элементарных частиц. Изначально он строился для поиска распада протонов, но его основное направление работы сейчас — изучение нейтрино
Самые кратчайшие промежутки времени, про которые современная физика может сказать что-то достоверное, относятся к жизни элементарных частиц. Поразительно, но и самые долгие времена, доступные эксперименту — тоже относятся к микромиру! И сейчас мы разберемся, почему так получается.
В природе существуют разнообразные нестабильные атомные ядра, в том числе и очень долгоживущие. Времена жизни некоторых из них намного превышают возраст нашей Вселенной, и тем не менее физики способны измерять такие огромные промежутки времени! Рекордсменом тут является ядро теллура-128: его экспериментально измеренный период полураспада составляет 2·10 24 лет, что на четырнадцать порядков (!) превышает возраст Вселенной.
Как вообще можно измерять настолько длительное время, которое не вмещается даже в жизнь Вселенной, не говоря уже про лабораторный эксперимент? Объяснение кроется в двух простых фактах.
Во-первых, элементарных частиц и даже атомных ядер определенного типа очень много. Пригоршня вещества — это примерно число Авогадро молекул. Во-вторых, время жизни нестабильной частицы — это не гарантированное, а лишь среднее ожидаемое время до распада. Каждая конкретная частица может распасться и прямо сейчас, и попозже, а иногда — намного позже, чем номинальное время жизни. Объединим эти два факта, добавим чуть-чуть математики, и получаем простой, но очень важный закон:
 | если у нас есть N частиц с временем жизни T, то количество распадов за короткое время t ≪ T примерно равно
|
Для того, чтобы хотя бы приблизительно измерить время жизни очень долгоживущей частицы, надо просто собрать много таких частиц вместе и сосчитать количество распадов за разумное время.
Давайте оценим, до каких времен жизни сможет «дотянуться» топовый лабораторный эксперимент. Пусть у нас есть килограмм какого-то редкого изотопа. Килограмм — это чуть больше числа Авогадро, скажем, порядка 10 24 ядер. Мы поместили этот килограмм в сверхчувствительную установку, заэкранировали ее от космических лучей и прочих воздействий, и за год наблюдения зафиксировали всего один-единственный — но зато достоверный! — акт распада. Тогда используя формулу, мы по этому одному событию оцениваем время жизни этого изотопа:
| T = | N | t = | 10 24 лет. |
| n |
Самый экстремальный пример эксперимента такого типа — это ограничение на время жизни протона. Вообще, по современным представлениям протон полностью стабилен. Но существуют теории, и причем довольно привлекательные для физиков, которые предсказывают, что эта стабильность неабсолютна и что спустя очень большое время протон распадется на позитрон и фотоны. Поэтому физики давно уже начали ставить эксперименты по поиску хоть каких-то следов распада протона.
В отличие от редких изотопов, протоны есть везде, причем в изобилии — ведь это ядра атомов водорода. Поэтому можно взять сколько угодно подходящего вещества и поставить эксперимент гигантского масштаба. Ограничивает эти фантазии лишь несовершенство детектирующей аппаратуры и невозможность полностью избавиться от побочных эффектов. Тем не менее, детекторы получаются очень впечатляющие. Например, специализированный японский детектор Super-Kamiokande, который был изначально построен как раз для поиска распада протона, представляет собой 40-метровый бак, заполненный 50 тысячами тонн сверхчистой воды и напичканный тысячами светочувствительных элементов. Такой объем воды содержит 6·10 33 отдельных протонов. Так вот, если такой детектор проработает, скажем, 10 лет и не зарегистрирует ни одного события распада протона — а при этом мы уверены, что каждый такой распад был бы замечен, — то мы сможем установить ограничение снизу порядка 10 34 лет. Слова «ограничение снизу» означают, что по результатам нашего эксперимента мы не можем точно сказать, стабилен протон или нет, однако даже если он нестабилен, его время жизни заведомо превышает это ограничение.
Реальные ограничения на распад протона примерно такими и получаются — чуть больше 10 33 лет. Вдумайтесь только — это на 23 порядка больше, чем возраст Вселенной! За всю жизнь Вселенной не протикало столько секунд, сколько нынешних «возрастов Вселенной» должно протикать, прежде чем протоны начнут активно распадаться. И тем не менее, современная физика способна чувствовать такие безумно долгие времена!
Возбужденные атомы: 6. Водородная линия 21 см
Основное состояние атома водорода расщепляется на два очень близких энергетических уровня, которые отличаются лишь взаимной ориентацией спина ядра и электрона. При переходе с верхнего состояния на нижнее излучается фотон с длиной волны 21 см
Наконец, существуют настолько долгоживущие атомные состояния, что их время жизни даже не удается измерить экспериментально. Формально, атом в таком состоянии нестабилен и, будучи предоставлен самому себе, он рано или поздно излучил бы фотон. Но только ждать этого пришлось бы очень долго, да и затруднительно в лабораторных условиях настолько идеально изолировать атом от внешних воздействий.
Однако это вовсе не значит, что излучение, испущенное таким долгоживущим состоянием, вообще не удается наблюдать! В таких ситуациях иногда на помощь человеку приходит Вселенная. В глубоком космосе существуют условия, в которых огромные облака газа в возбужденном состоянии могут начать светиться: то излучение, которого мы не смогли дождаться в лабораторном эксперименте, мы видим в космосе.
Один пример такой ситуации — это знаменитая радиолиния водорода. Это излучение в радиодиапазоне с длиной волны примерно 21 см, которое идет из глубин космоса, от гигантских облаков холодного нейтрального атомарного водорода. Это линия излучения между двумя очень близкими уровнями энергии атома водорода, которые во всём похожи друг на друга и отличаются лишь тем, как спин электрона и протона ориентированы друг относительно друга. Одна ориентация обладает чуть-чуть большей энергией, чем другая, и из-за этого «основное» состояние электрона расщепляется на два: «по-настоящему основное» и чуть-чуть возбужденное. В атомной физике это явление называется забавным термином сверхтонкое расщепление. Радиолиния водорода — это излучение, которое испускает атом, возвращаясь из возбужденного состояния в «по-настоящему основное».
Когда физики теоретически рассчитали этот переход, они смогли оценить время жизни этого возбужденного состояния — примерно 11 млн лет. Обнаружить его в лабораторных условиях нереально — по крайней мере, если речь идет о самопроизвольном излучении (а вот вынужденное излучение водорода на длине волны 21 см, наоборот, изучено вдоль и поперек; на нем основан водородный мазер, микроволновой аналог лазера). Зато в глубоком космосе существуют настолько протяженные облака нейтрального водорода, что радиоизлучение от всего облака целиком видно отлично. Наблюдения галактик в радиолинии водорода — это один из главных инструментов исследования в радиоастрономии. С его помощью зачастую можно увидеть такие особенности строения галактик, которые незаметны другими методами.
15 самых интригующих фактов об атомах
Все во Вселенной — от ядра Земли до самых дальних галактик — состоит из атомов. Это фундаментальная единица элемента.
К настоящему времени было идентифицировано 118 элементов (все они перечислены в периодической таблице).
Слово «атом», означающее «неделимый», происходит от древнегреческого слова «ἄτομος». Древнегреческие философы считали, что атом невозможно разделить на что-то меньшее. Однако ученые доказали этот факт неправильно в начале 20 века, когда они открыли субатомные частицы (электроны, протоны, нейтроны).
Ниже мы перечислили некоторые из наиболее интригующих фактов об атомах, которые только сделают вас умнее. Так что давайте начнем с самого короткого и простого.
1. Состав атомов
Каждый атом содержит одно ядро [в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.
2. Ядро содержит почти всю массу
Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста.
3. Электроны чрезвычайно малы
Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра.
4. Атом может иметь электрический заряд
Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов.
Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион).
5. Что удерживает протоны и нейтроны вместе?
Ядерная сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Электроны притягиваются к протонам другой силой, называемой электромагнитной силой, которая слабее ядерной силы.
6. 94 Атома естественного происхождения на Земле
Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.
7. Каждый атом уникален
Каждый атом содержит определенное количество протонов в ядре. Например, все атомы натрия содержат 11 протонов, а все атомы серебра содержат 47 протонов.
Изотоп элемента определяется числом нейтронов, а магнитные характеристики зависят от количества электронов в атоме.
8. Самый большой и самый маленький атом
Самым большим элементом (по размеру) является Франций, но поскольку он крайне нестабилен, предпочтение отдается Цезию. У него большая валентная оболочка и относительно менее эффективный заряд ядра.
Иллюстрация атома гелия | Предоставлено: Викимедиа.
9. Самый тяжелый и легкий атом
Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029.
Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протий, состоит из одного протона и нулевых нейтронов.
10. Возможно ли преобразовать один элемент в другой?
В некоторых экстремальных условиях электромагнитная сила (которая отталкивает электроны и протоны) преодолевает сильную ядерную силу, выбрасывая нуклоны из атомного ядра и оставляя после себя совершенно другой элемент. Это именно то, что происходит при делении ядер.
Однако этот процесс [распада] является дорогостоящим и опасным. Ученые пока не смогли безопасно генерировать энергию с помощью ядерного деления.
11. Атомы в человеческом теле
Тело человека весом 70 кг состоит из 7 × 10 27 атомов. Три атома (водород, кислород и углерод) составляют до 99 процентов от общего количества.
12. Сколько атомов существует во Вселенной?
Наблюдаемая вселенная огромна: она охватывает приблизительно 93 миллиарда световых лет. Согласно теоретической оценке, в нашей вселенной насчитывается от 10 78 до 10 82 атомов.
Это не какой-то выдуманный номер. Расчеты основаны на достоверных данных (что мы знаем о вселенной). Однако между этими оценками существует огромная разница, что говорит о значительной степени ошибки. Более точные цифры будут доступны, когда мы узнаем больше о космосе.
13. Радиоактивные атомы
В нестабильном атоме силы неуравновешенны. В этом случае атомное ядро содержит избыток либо протонов, либо нейтронов. Атом пытается достичь стабильного состояния, выбрасывая свои дополнительные частицы или высвобождая энергию в других формах. Элементы, содержащие такие нестабильные ядра, называются радиоактивными.
Фермий, например, является радиоактивным элементом: его самый стабильный изотоп (Fm-257) имеет период полураспада 100,5 суток.
14. Видя атомы
Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом.
Сканирующий туннельный микроскоп захватывает атомы кремния на поверхности кристаллического карбида кремния
Вот почему ученые используют микроскоп другого типа, известный как сканирующий туннельный микроскоп. Он может обеспечить боковое разрешение 0,1 нм и разрешение по глубине 0,01 нм, что достаточно для изображения отдельных атомов в материалах.
15. Квантовая природа атомных свойств
Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам.
Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите.
Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.