Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Например, 11-й элемент, Натрий, встречается в природе только в виде своего единственного стабильного изотопа (²³Na). Его ядро, захватив нейтрон, становится радиоактивным ядром ²⁴Na, неустойчивым и склонным к бета-распаду – в стремлении обратно к долине стабильности новый атом испускает электрон, уравнивает количество протонов и нейтронов и сдвигается на одну ступень вверх в Периодической таблице к 12-му элементу, Магнию (²⁴Mg). Период полураспада в данном случае составляет 15 часов. Как и в большинстве подобных распадов, ядро Магния остается в возбужденном состоянии, затем испытывает гамма-распад и переходит в основное состояние, испуская фотоны с энергиями 2,75 и 1,37 Мэ В. Эта реакция записывается так:

²³

Na + n -> ²⁴Na -> ²⁴Mg* + e^— + ?_e

*** -> ²⁴Mg + + ? (2,75; 1,37 МэВ)

Добавление одного нейтрона к большинству стабильных изотопов влечет похожую цепочку событий. Обратите внимание на итог: (1) электрон, обладающий высокой энергией, улетает с картины, (2) испускаются гамма-лучи с очень своеобразными энергиями, характерными для нового элемента, и (3) исходный атом превращается в новый, расположенный на одну ступень выше в Периодической таблице.

Нас могло бы обеспокоить то, что нейтронное облучение меняет элементы потенциально драгоценного произведения искусства. Но сколько таких атомов меняется?

Устроители Брукхейвенского проекта анализировали семь работ, приписываемых «Испанскому фальсификатору». Картины располагали на расстоянии 60 см от реактора и облучали на протяжении примерно 90 минут, направляя на каждый их квадратный сантиметр около 1 миллиарда (10⁹

) нейтронов за секунду. На шестидюймовой (15 см) странице иллюминированной рукописи это в общей сложности более 1000 триллионов (10¹⁵) нейтронов. Впрочем, напомним, что, если нейтрон не оказывается на расстоянии 10^–14 см от ядра, он вообще не подпадает под влияние сильного взаимодействия и поэтому проходит прямо через картину. Принимая во внимание крошечный размер мишеней, 99,9999999999 % нейтронов пролетают сквозь нее, и только пять или шесть из каждого триллиона атомов на картине преображаются в результате нейтронного захвата.

Чтобы представить, насколько это незначительно, вообразите склад, занимающий целый квартал Нью-Йорка (ок. 80 x 275 м). Высота этого склада – двадцать этажей, и он полностью заполнен синими шариками, каждый из которых представляет один атом на картине. Нейтронное облучение превращает пять или шесть шариков в красные. Если бы 2000 человек работали по восемь часов в день, пять дней в неделю и ухитрялись бы каждую секунду хватать по одному синему шарику и выбрасывать его в окно, тогда на то, чтобы найти пять красных шариков, им потребовалось бы более шестидесяти лет. А если бы склад находился рядом с Центральным парком, выброшенные шарики заполонили бы весь парк по колено. Так что вполне справедливо назвать авторадиографию неразрушающим методом анализа.

После образования радиоактивных ядер их периоды полураспада оказываются различными. Но нужно точно выяснить, где именно на каждой картине расположены определенные элементы, поэтому на ее лицевую сторону накладывают кусочек пленки с тем расчетом, чтобы улетающие электроны делали его видимым. Пленку оставляют на то или иное время, отмеряя различные интервалы после облучения, – так выявляют присутствие разных элементов с разным периодом полураспада. В произведениях «Испанского фальсификатора» исследователей интересовали такие элементы (с соответствующими периодами полураспада): Марганец (2,58 часа), Медь (12,7 часа), Натрий (15 часов), Мышьяк (26,3 часа), Золото (2,7 дня), Хром (27,7 дня), Ртуть (46,7 дня), Сурьма (60,2 дня) и Цинк (244 дня)²

. Пленку накладывали по прошествии определенного времени после воздействия (в скобках указан срок): спустя один день (на один день), спустя четыре дня (на два дня), спустя семь дней (на два дня) и спустя двадцать два дня (на пять дней).

Одна из рукописей, бревиарий XV века, приобретенный библиотекой Моргана в 1900 году – еще до того, как должность заведующей заняла Грин, – содержит двенадцать календарных картин и шесть иллюстраций, на одной из которых изображена сцена с Марией Магдалиной. Книге на самом деле 600 лет, и предполагалось, что, хотя листья и цветы, украшающие поля каждой страницы, оригинальны, миниатюры добавил «Испанский фальсификатор». Авторадиограммы показали, что синяя краска, которой рисовали цветы на кайме (содержащая Медь), отличалась от синей краски, использованной для неба (содержащей Натрий), хотя на вид они были совершенно одинаковы. Пусть даже периоды полураспада этих двух изотопов схожи, вследствие чего можно было бы ожидать равной интенсивности, Медь обладает гораздо большей способностью поглощать нейтроны и, следовательно, проявляется более интенсивно. Синий пигмент, в котором присутствовала Медь, был доступен в средние века, но голубое небо, по всей видимости, изображали ультрамарином (химическая формула Na₇Al₆Si₆O₂₄S₃), пигментом, содержащим Натрий и впервые произведенным в XIX веке.