Элементы бывают стабильными и не очень. Время жизни нестабильных элементов порой измеряется сотыми долями секунды, а вот относительно стабильных элементов в разных источниках вы порой обнаружите время жизни... что-то около бесконечности.
Но мы-то с вами уже знаем, что физика не любит ничего абсолютного и якобы точного. Потому проявляется интересный парадокс.
Даже ядра, которые считаются абсолютно стабильными и у них нет известного радиационного распада, а их время жизни фактически бесконечно с точки зрения науки, теоретическим могут распадаться. Потому и вечный элемент в общем-то не может существовать в природе. Другое дело, что элементы вроде углерода‑12, железа‑56 или кислорода‑16 не распадаются по известным законам радиоактивного распада и потому в широком смысле они описываются как вечные (или существующие столько, сколь есть и сама Вселенная).
Почему элементы распадаются или нет?
Для того, чтобы нам понимать суть стабильности любого элемента, нужно вспомнить и устройство атома как такового. Полагаю, что если вы постоянно читаете мой канал (а если нет, то ай-яй - нужно читать), то вам уже знакомы все эти основы и повторять всё это заново не будем.
Атом состоит из ядра, окруженного электронами и именно строение ядра определяет срок жизни атома. Внутри ядра работают сильное взаимодействие и отталкивание. Одна сила пытается притянуть друг к другу протоны и нейтроны, а другая - отталкивает их.
Стабильность ядра будет определяться выгодным сочетанием количества нейтронов и протонов. Так уж получается, что иногда комбинация этих субатомных частиц такова, что мы имеем прочный каркас конструкции этого ядра, который буквально фиксируется в таком виде на сотни лет. В этом случае отталкивание идеально сбалансировано притяжением.
У одного и того же элемента могут быть разные изотопы (варианты с другим количеством нейтронов) и стабильности тогда будут тоже разными.
Если же ядро нестабильно, то протоны и нейтроны разлетаются в разные стороны из-за кулоновского отталкивания, образуя новые элементы или просто разваливаясь на свободные частицы (при этом свободный нейтрон не будет существовать долго). Так происходит со всеми тяжелыми элементами и их время существования определяется сотыми долями секунды. Здесь же кроется природа радиоактивности элементов.
На шаг ближе к парадоксу распада
В одних случаях ученые могут непосредственно фиксировать факт радиоактивного распада ядра. В других - это сугубо математическое значение. Например, распад урана можно наблюдать в лабораторной установке, а вот висмут хоть и распадается, но срок его существования настолько велик, что мы вряд ли это когда-то заметим. Там используются сугубо расчётные параметры.
Есть же ядра настолько энергетически устойчивы, что их можно назвать вечными - по крайней мере, на протяжении времени, сравнимого с возрастом Вселенной. расчёты показывают, что они не распадутся никогда.
Мы сразу опустим различные влияния из серии - ой, а вот в случае попадания туда нейтрона от того-то и того-то оно развалится. Нет, мы будем обсуждать только самопроизвольный распад в рамках физики ядра.
И даже при таком раскладе знания про вечность немного преувеличены. Есть тут кое-что интересное.
Туннелирование и двойной бета-распад
Для некоторых атомов и их изотопов энергия находится в "энергетическом минимуме" и ядро настолько устойчиво, что любой возможный распад будет энергетически запрещён. Поэтому в лабораториях и наблюдениях их распад никогда не фиксировался, но это не значит, что он невозможен.
Квантовая физика допускает экстремально редкие процессы, вроде двойного бета‑распада без нейтрино и квантового туннелирования ядра.
Двойной бета‑распад без нейтрино - это гипотетический процесс распада атомного ядра, при котором два нейтрона одновременно превращаются в два протона, а вместе с ними выделяются два электрона. Главное отличие от обычного бета‑распада в том, что не выделяются нейтрино - почти невидимые частицы, которые обычно уносят часть энергии распада. Такой процесс, в отличие от обычного распада, для системы энергетически разрешён.
Если такой процесс действительно происходит, это означало бы, что ядро может менять состав без привычного баланса частиц. Учёные ищут этот редкий распад, потому что его обнаружение помогло бы понять, почему у материи есть масса и почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
Практически наблюдать этот процесс очень сложно, потому что он невероятно редок - для стабильных ядер вероятность его проявления настолько мала, что может потребоваться десятки миллиардов лет, чтобы заметить хотя бы одно событие. Но это не делает его невозможным.
Следующий вариант -это квантовое туннелирование ядер. Явление, когда частица (например, протон или альфа-частица в ядре) проникает через энергетический барьер, который классически невозможно преодолеть.
Для атомных ядер это означает, что даже вроде бы стабильное ядро может со временем испускать частицы и превращаться в другой элемент.
Квантовое туннелирование - это основной механизм альфа-распада. Например, радий-226 распадается на радон-222, выпуская альфа-частицу именно через туннельный эффект. В лабораториях фиксируют миллионы таких распадов, и все они прекрасно согласуются с теорией квантового туннелирования.
Даже стабильные ядра находятся не в абсолютном энергетическом вакууме. Теоретически через квантовое туннелирование может происходить крайне редкий распад, который не наблюдается в обычных условиях. Это значит, что условно вечные ядра на самом деле не абсолютно вечны - просто их вероятность распада настолько мала, что за время существования Вселенной ни одно событие, скорее всего, не произойдёт.
Впрочем, закончить статью будет уместно упоминанием реальных экспериментов. На данный момент не квантовое туннелирование в стабильных ядрах, не двойной бета-распад зафиксированы в лабораториях не были, а потому и процессы остаются сугубо гипотетическими. Однако, и излишние обобщения и допущения наука не терпит.
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями