«Наше ядерное будущее: факты, опасности и возможности»

НАШЕ ЯДЕРНОЕ БУДУЩЕЕ... ФАКТЫ, ОПАСНОСТИ И ВОЗМОЖНОСТИ

Эдвард Теллер и Альберт Л. Латтер

CRITERION BOOKS • НЬЮ-ЙОРК

Copyright © 1958, Criterion Books, Inc. Номер в каталоге Библиотеки Конгресса 58-8783

Дизайн Сидни Файнберга

ИЗГОТОВЛЕНО В СОЕДИНЕННЫХ ШТАТАХ АМЕРИКИ КОМПАНИЕЙ AMERICAN BOOK-STRATFORD PRESS, INC., НЬЮ-ЙОРК

Предисловие

Эта книга написана для неспециалиста, не обладающего знаниями об атомах, бомбах и радиоактивности. Он знает, что мир состоит из атомов, что бомбы могут его уничтожить, а радиоактивность может сделать его гораздо менее пригодным для жизни.

Мы хотели бы дать несколько советов по использованию книги: каждую главу можно читать отдельно. Главы не обязательно читать в том порядке, в котором они напечатаны. Прочтение их всех даст более полное понимание — и, если у вас есть время, лучше всего читать их в том порядке, в котором они расположены. Некоторые из первых глав, возможно, перегружены фактами. В некоторых более поздних главах нам хотелось бы иметь больше фактов. Последние читатель, вероятно, поймет и запомнит довольно легко. Возможно, он не согласится со всем их содержанием. С другой стороны, более научные главы (со II по VIII) не вызовут сомнений, но их может быть труднее читать и запоминать. Полезно помнить следующее: ни одна глава не вытекает из другой, но большинство глав связаны между собой и подкрепляют другие части книги.

Наши знания о радиоактивных осадках быстро растут. На некоторые вопросы, поднятые в книге, возможно, уже получены ответы. Обладая этими дополнительными знаниями, мы могли бы быть более количественными в некоторых наших утверждениях. Но мы полагаем, что основные выводы не изменились бы.

Эта книга была завершена до появления спутников. В их нынешнем виде они имеют мало отношения к теме ядерной энергии. Однако, на наш взгляд, для неспециалиста стала еще более актуальной необходимость понимать те области науки и техники, которые могут повлиять на его безопасность и благополучие, а также на безопасность и благополучие его страны. Мы надеемся, что эта книга в какой-то мере будет способствовать такому пониманию.

Contents

Preface 5 I. The Need to Know 13 II. Atoms 18 III. Nuclei 26 IV. The Law of Radioactive Decay 37 V. Breakup of the Nucleus 41 VI. Reactions Between Nuclei 49 VII. Fission and the Chain Reaction 58 VIII. Action of Radiation on Matter 68 IX. The Test 80 X. The Radioactive Cloud 87 XI. From the Soil to Man 104 XII. Danger to the Individual 116 XIII. Danger to the Race 127 XIV. The Cobalt Bomb 134 XV. What About Future Tests? 137 XVI. Has Something Happened to the Weather? 146 XVII. Safety of Nuclear Reactors 152 XVIII. By-products of Nuclear Reactors 160 XIX. The Nuclear Age 168 Glossary 175

Список иллюстраций

Раздел с фотографиями находится между страницами 96 и 97.

1. A shallow underground explosion. 2. An atomic test tower. 3. A tower shot. 4. An air shot. 5. Leg bone of a rabbit after injection of Sr⁸⁹. 6. Leg bone of a woman dead of radium poisoning. 7. Capsules of cobalt⁶⁰. 8. Cobalt irradiation. 9. Smoke-ring cloud from the air-defense atomic weapon. 10. Wilful exposure—an experiment. 11. Condensation trails produced in a Wilson Cloud Chamber. 12. Closely-spaced tracks form a cloud. 13. Cutaway section of a nuclear reactor.

НАШЕ ЯДЕРНОЕ БУДУЩЕЕ

ГЛАВА I. Необходимость знать

Наш мир меняется, и изменения происходят все быстрее. Движущей силой этих изменений являются научные открытия. Все мы глубоко ощущаем последствия науки. В то же время очень немногие понимают высокотехнические основы нашей цивилизации. В этой ситуации естественно, что научно-технический прогресс должен вызывать беспокойство и тревогу.

Страх перед тем, чего мы не знаем или не понимаем, сопровождал нас во все времена. Человек, зная, что его жизнь закончится, часто становился жертвой еще более ужасного кошмара — конца всего его мира. В научный век большинство прошлых ужасов оказались бессмысленными химерами. Но одна угроза остается. Это великое и постоянное неизвестное: что мы, люди, сделаем друг с другом и с самими собой?

Беспокойство по поводу наших собственных действий будет продолжаться. Оно может расти по мере того, как увеличивается наша власть над природой. Против этого беспокойства существуют два оружия: понимание и мужество. Из этих двух мужество важнее, но понимание должно быть первым.

Нас часто пугают воображаемые опасности, в то время как мы игнорируем риски, которые гораздо более реальны. Должно существовать тесное взаимодействие между общественным мнением, с одной стороны, и техническим прогрессом — с другой. Для этого необходимо понимание современных научных разработок. Существует все более острая необходимость знать. Мало что делается для удовлетворения этой потребности. Укрепилось мнение, что эта потребность на самом деле не может быть удовлетворена.

В то же время все больше людей верят, что сами ученые и технические специалисты несут ответственность за изменения, которые принесли их идеи и изобретения. Ученый поставлен в положение, когда его голос слышен не только в узкоспециализированных областях, в которых он является экспертом, но и в гораздо более общих вопросах, на которые влияют его открытия. Настоящим источником важных решений в нашей стране является народ. Мы считаем, что это правильно, и мы считаем, что неправильно, если ученые берут на себя какую-либо существенную часть этих решений.

Ответственность технического специалиста, безусловно, включает две важные функции. Одна — исследовать природу и выяснить возможные пределы нашей власти над ней. Другая — объяснить то, что он обнаружил, ясными, простыми и понятными словами, чтобы важные решения могли принимать все люди нашей страны — те, кому по праву принадлежит власть принимать решения и на кого в конечном итоге повлияют последствия этих решений.

Объяснять научные и технические вопросы непросто, а ознакомиться со всей наукой может быть практически невозможно. В специализированной области физики в двадцатом веке произошли революционные события, такие как теория относительности, открытая Эйнштейном, и теория атома, разработанная Нильсом Бором. Эти новые открытия нелегко понять, и каждый хороший физик потратил годы своей жизни, пытаясь досконально ознакомиться с их значением. Все мы, кто сделал это, чувствуем, что хорошо вознаграждены лучшим пониманием природы, которое мы приобрели. Но здесь нет необходимости говорить об этих вопросах.

То, что мы должны обсудить в этой книге, связано с частями атомной и ядерной физики, которые гораздо более элементарны. Фактов, которые мы представим в простой форме, достаточно, чтобы дать читателю ориентацию в кажущихся запутанными областях ядерной энергии и атомных взрывов.

Мы должны начать с описания атомов и ядер. Это довольно маленькие объекты, но это обстоятельство не должно нас особенно беспокоить; и нет необходимости пугать себя мыслью, что мы говорим о «невообразимо» малых объектах. Наш разум довольно легко адаптируется к новым измерениям; и пока мы говорим о ядрах, мы можем временно забыть о существовании каких-либо более крупных объектов. Реальные трудности возникают только тогда, когда наука открывает законы, которые, по-видимому, противоречат здравому смыслу. Это случается нечасто, и нам не нужно будет останавливаться на таких темах.

Трудности объяснения науки усугубляются тем фактом, что ученые разработали свой собственный язык, который они практикуют и совершенствуют, общаясь друг с другом. Иногда создается впечатление, что они разговаривают исключительно друг с другом. Авторы чувствуют, что их «родной язык» — это научный язык; эта книга — попытка перевода.

Дальнейшая трудность связана со специальной темой: радиоактивностью. Огромное практическое значение этой темы стало очевидным для общественности в связи с взрывом в Хиросиме. Это было пугающее событие, и последующие события и перспективы не менее пугающие. Нет необходимости в том, чтобы все, что связано с ядерными взрывами, было одинаково пугающим; и важно, чтобы мы подходили к этой теме непредвзято и с как можно меньшим количеством эмоций. Эмоции имеют свое необходимое место, когда мы доходим до стадии, на которой хотим принимать решения о наших действиях. Мы предлагаем читателю отложить эту стадию до того момента, когда он закончит чтение книги.

Наибольшая трудность в обсуждении радиационных опасностей возникает из-за того, что затрагивается функционирование живых организмов. По сути, мы находимся в неведении относительно вопроса о том, как работает такой организм. Мы в равной степени находимся в неведении относительно вопроса о том, как на такой организм влияет радиация. Поэтому кажется, что мы должны сомневаться в том, опасна ли радиоактивность, за исключением тех случаев, когда был нанесен очевидный ущерб. Поскольку непосредственные эффекты радиоактивности не воспринимаются нашими органами чувств, мы сталкиваемся с мыслью о невидимой угрозе неизвестного масштаба. Некоторые из вредных последствий могут проявиться годы спустя, и поэтому даже отсутствие какого-либо наблюдаемого ущерба не успокоит людей.

К счастью, наши практические знания отнюдь не так скудны, как можно было бы предположить из этих утверждений. Радиоактивность и процессы, подобные радиоактивности, окружают нас и окружали наших предков столько, сколько жизнь существует на Земле. Мы не знаем, что такое жизнь, и не знаем, каким именно образом радиоактивность влияет на жизнь; но у нас есть обширные и достоверные знания о том, что искусственная радиоактивность будет производить эффекты, подобные тем, которые производятся естественным фоном радиоактивности. Этот фон, следовательно, предоставляет нам мерило, с которым можно сравнивать все антропогенные загрязнения.

Существует последнее препятствие для объяснения вопросов, связанных с радиоактивностью. Это секретность, которая ассоциируется с развитием ядерной энергии, и в частности с военным применением ядерной энергии. Аргументы в пользу сохранения секретности информации об оружии весомы, правильны и общеприняты. Однако нет такого веского аргумента, и на самом деле нет возможности для секретности, связанной с широко распространенной радиоактивностью, которая исходит от оружия. В признание этого факта секретность была полностью и должным образом снята с этой области. Неудивительно, что на это потребовалось некоторое время. Были задействованы административные решения, а они никогда не принимаются в большой спешке.

Хотя глобальное радиоактивное загрязнение с 1955 года открыто для широкой научной дискуссии, времени, по-видимому, было недостаточно, чтобы обеспечить широкое распространение и объяснение результатов. Могут также оставаться некоторые сомнения в том, была ли предоставлена вся соответствующая информация. На самом деле, научная информация по этой важной теме в настоящее время является полностью и свободно доступной.

Информация о мирном использовании ядерной энергии также является полностью и свободно доступной. Даже в области военного применения была опубликована большая часть важной информации.

Поэтому мы находимся в положении, позволяющем представить читателю наиболее важные факты о мирном и военном использовании ядерной энергии — о возможных опасностях и о возможных выгодах. Если у нас это не получится, мы не сможем винить ни секретность, ни сложность темы. Это правда, что тема запутанная, но только в той же степени, что и те темы повседневного опыта, с которыми всем нам приходится время от времени бороться. Не требуется больших интеллектуальных усилий, чем те, что вовлечены в понимание формы налоговой декларации или формы для скачек, чтобы упомянуть две аналогии с довольно разным эмоциональным содержанием. Многие идеи будут незнакомыми, но они не являются сложными. Более того, их влияние на нашу безопасность, благополучие и возможное улучшение нашей жизни велико. Поэтому мы надеемся, что читатель уделит этому вопросу столько же внимания, сколько он привык уделять другим предметам, связанным с его потребностями или развлечениями.

ГЛАВА II. Атомы

Вся материя состоит из атомов, которые являются очень крошечными объектами. Мы не можем видеть их, потому что волны света омывают их, как океанские волны гальку. Атом примерно так же велик по сравнению с человеческой клеткой, которую можно отчетливо увидеть под обычным микроскопом, как человеческая клетка по сравнению с бильярдным шаром. Если говорить точнее, сто миллионов атомов, положенных в ряд, составили бы около дюйма в длину.

Несмотря на свое греческое название, которое означает неделимый, атом состоит из частей. Он состоит из центрального ядра, которое несет положительный электрический заряд, вокруг которого распределен один или несколько отрицательно заряженных электронов. Часто можно услышать, что электроны вращаются по орбитам вокруг ядра, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца в нашей собственной солнечной системе. Однако это не совсем правильная картина. Во-первых, электроны более неуловимы, чем планеты. Они не вращаются по определенным орбитам, как планеты. Кроме того, орбиты более хрупкие. Можно разрушить атом попыткой точно выяснить, каковы орбиты электронов.

Вот как атом не выглядит. Электроны не движутся по четко определенным путям. Труднее передать идею атома с помощью рисунка, чем сделать набросок вчерашнего сна.

Планеты не улетают от Солнца из-за гравитационного притяжения, которое оказывает Солнце. Электроны и ядро, однако, удерживаются вместе, потому что положительные и отрицательные электрические заряды притягивают друг друга. Гравитационное притяжение между электронами и ядром невероятно слабое по сравнению с электрическим притяжением.

Большая часть веса атома приходится на его ядро. Даже самое легкое из известных ядер весит примерно в 1840 раз больше, чем электрон. Несмотря на это, ядро занимает лишь крошечную часть общего объема атома. На самом деле ядро примерно так же велико по сравнению со всем атомом, как атом по сравнению с человеческой клеткой. Двадцать тысяч ядер, положенных в ряд, были бы примерно равны по длине диаметру атома. Если бы материя состояла только из ядер, плотно упакованных вместе, объект размером с пенни весил бы примерно сорок миллионов тонн.

Позже мы увидим, что размер ядра оказывает большое влияние на то, как ядра взаимодействуют друг с другом. Именно по этой причине размер ядра является четко определенной измеримой величиной. Гораздо труднее точно сказать, что имеется в виду под размером электрона. Кажется приемлемым сказать, что он несколько меньше размера среднего ядра. В любом случае несомненно, что и электроны, и ядро малы по сравнению с размером всего атома. Следовательно, атом должен состоять в основном из пустого пространства. Это означает, конечно, что когда вы смотрите на твердую материю, перед вашими глазами находится пустое пространство с небольшим добавлением реального вещества. Что придает прочность твердым телам, так это взаимодействие электрических притяжений и отталкиваний внутри атомов и между атомами.

Когда заряженная частица, такая как электрон или ядро, случайно движется через твердую материю, на нее постоянно воздействуют большие электрические силы. Для такой частицы материя не кажется очень прозрачной. Но если бы существовала такая вещь, как электрически нейтральная частица, сопоставимая по размеру с ядром, она могла бы свободно перемещаться внутри материи, не испытывая электрических сил, и лишь изредка сталкиваясь с ядром или, может быть, электроном. На самом деле такая частица существует, и она может пройти прямо через дюйм или два твердой материи, ни с чем не столкнувшись. Позже в этой книге мы будем очень заинтересованы в этой частице, которая называется нейтроном.

Хотя электроны и ядро являются заряженными частицами, атом в целом электрически нейтрален; это означает, что положительный заряд ядра должен быть равен по величине суммарному заряду всех отрицательных электронов. Все электроны имеют точно такой же заряд, который является наименьшим зарядом, когда-либо наблюдавшимся. Что особенно странно и еще не объяснено, так это тот факт, что все другие заряды либо так же велики, как заряд электрона, либо в два раза больше, либо в три раза больше, либо в миллион раз больше. Но мы никогда не находим заряд, который, выраженный в единицах заряда электрона, является дробным. Ни один объект никогда не несет три с половиной заряда электрона. Поэтому заряд электрона можно удобно использовать в качестве стандартной единицы заряда.

Каждый атом можно отличить по заряду его ядра. Самым простым атомом, который можно себе представить, был бы, очевидно, атом с одним электроном, вращающимся вокруг ядра, имеющего одну единицу положительного заряда. Такой атом существует и называется водородом. Атом с ядром заряда два и двумя электронами, вращающимися вокруг него, называется гелием; три — литий... шесть, семь, восемь; углерод, азот, кислород... 92 — уран. Атомы почти со всеми зарядами от одного до 92 встречаются в природе, и практически ни одного выше 92 не встречается. Некоторые нечетные заряды — 43, 61, 85 и 87 — отсутствуют. Причина этих отсутствующих атомов связана со свойствами ядра. Ядро вскоре станет нашим главным объектом интереса.

Самым удивительным фактом об атомах является их сходство, более того, их идентичное поведение. Если два атома имеют одинаковый вид ядра и одинаковое количество электронов, вращающихся вокруг этих ядер, то эти два атома, скорее всего, будут встречены в состоянии, которое является в точности одинаковым для обоих. Можно было бы представить, что различные составные части атома будут расположены по-разному и находиться в разных состояниях движения, в безграничном разнообразии. Откуда полное сходство? Ответ на этот вопрос не только самый удивительный, но даже находится в явном противоречии со здравым смыслом. Именно по этой причине его трудно объяснить. Самые трудные для понимания вещи — это не те, которые сложны, а те, которые неожиданны.

К счастью для нашей цели, нам не нужно углубляться в эту более сложную часть атомной физики. Достаточно сказать, что существует одно расположение или паттерн движения электронов, который является предпочтительным и который ведет к наибольшей стабильности атома. Если электроны находятся в этом конкретном состоянии движения, которое называется основным состоянием, они имеют меньше энергии, чем имели бы, если бы находились в любом другом состоянии движения. Существуют другие, менее стабильные, но не менее четко определенные состояния атомов, которые мы называем «возбужденными» состояниями. Когда атом находится в таком возбужденном состоянии, он стремится быть нестабильным и пытается как можно скорее перейти в основное состояние. Поскольку основное состояние содержит меньше энергии, чем любое другое состояние, атом должен высвободить энергию в процессе корректировки. Высвобожденная энергия проявляется в форме электромагнитного излучения — часто как маленький импульс видимого света. Цвет этого света зависит от количества высвобожденной энергии, последовательно проходя через радугу от красного к синему по мере увеличения количества энергии.

Существует очень мало состояний, в которых энергия возбуждения мала. Но сильно возбужденных состояний существует великое множество. В области этого высокого возбуждения возможны небольшие дополнительные изменения. Таким образом, мы приближаемся к ситуации, более соответствующей опыту и здравому смыслу: паттерн движения может быть изменен на любую небольшую величину.

Описание, которое мы только что дали, конечно, неполное. Мы должны избежать здесь важнейших вопросов: почему возможны только некоторые паттерны движения, почему один самый низкий уровень стабилен и почему электроны никогда не опускаются в состояния с уменьшающейся энергией, следуя притяжению ядра. В то же время следует подчеркнуть, что полное объяснение этих фактов было дано. Это объяснение делает точные предсказания о многих свойствах материи, и мы можем быть полностью уверены, что, если не считать сложной математической процедуры, все обычные свойства материалов могли бы быть точно предсказаны. Атом был объяснен так же полно, как Ньютон объяснил движение планет.

Чтобы сформировать представление о том, что такое атом или почему два атома, скажем, водорода в точности одинаковы, нет необходимости искать сложные причины или глубокие смыслы. Два атома одного и того же вида похожи, как две пешки для шахматиста, за исключением одного маленького момента: в случае с пешками нас не волнует разница; в случае с атомами разницы нет. Это простое утверждение, и оно честно описывает простую ситуацию. Красота науки заключается в том, что правильные ответы на наши самые интересные вопросы оказались удивительными своей простотой.

Чтобы понять атом, нужно рассмотреть распределение электронов вокруг одного ядра. Чтобы понять молекулу, нужно рассмотреть распределение электронов вокруг двух или более ядер. Химическое поведение атома — это то, как он взаимодействует с другими атомами, а это означает точный способ, которым электроны перестраиваются, когда два или более атомов сближаются. Взаимодействие между атомами происходит в основном между их внешними электронами. Может случиться так, что два совершенно разных атома, содержащие ядра с разными зарядами и разным количеством электронов, тем не менее могут быть похожи по структуре своих внешних электронов. В этом случае два атома проявляют схожие химические свойства. Примерами являются литий с зарядом 3 и натрий с зарядом 11; также гелий с зарядом 2 и неон с зарядом 10. Самым важным примером для нашей цели является набор из трех химически похожих атомов: кальция с зарядом 20, стронция с зарядом 38 и радия с зарядом 88.

Когда два или более атомов сближаются, независимо от того, похожи они или разные, их электроны — особенно внешние — находят новые состояния движения вместо тех, которые были доступны им, когда поблизости было только одно ядро. Теперь может случиться так, что среди этих новых состояний движения есть такие, которые даже более стабильны, чем состояние разделенных атомов. В этом случае атомы будут стремиться держаться вместе, а электроны примут любое новое состояние движения, которое теперь соответствует максимальной стабильности. Составная система атомов называется молекулой, а ее состояние максимальной стабильности — основным состоянием молекулы.

Существуют атомы особенно большой стабильности, которые не могут увеличить свою стабильность путем объединения с другими атомами. Примерами являются гелий, неон и аргон. Эти атомы склонны оставаться одиночными, сохраняют свое независимое движение в довольно «постоянном» газообразном состоянии и, как правило, необщительны. Поэтому их называют благородными газами.

Особенно простой пример образования молекулы — это соединение натрия и хлора для образования обычной поваренной соли. Атом натрия имеет довольно слабо связанный внешний электрон. Атом хлора обладает удобной нишей для дополнительного электрона. Следовательно, энергия, затраченная на отрыв внешнего электрона от атома натрия, в значительной степени окупается добавлением его к атому хлора. Оставшийся «атом» натрия, лишенный одного из своих электронов, теперь имеет чистый положительный заряд. «Атом» хлора с его дополнительным электроном имеет чистый отрицательный заряд. Поэтому два «атома» притягивают друг друга, чтобы образовать молекулу хлорида натрия. На самом деле материя будет продолжать агрегироваться. Большое количество положительных «атомов» натрия и отрицательных «атомов» хлора расположатся в красивую и регулярную решетку, которая является кристаллом хлорида натрия.

Самая простая молекула, которая не стремится вырасти в более крупный агрегат, состоит из двух атомов водорода. Вокруг двух ядер водорода может быть сформирован особенно стабильный паттерн из двух электронов. Из-за этого факта атомы водорода объединяются попарно, чтобы этот паттерн стал возможным.

Способы, которыми могут соединяться атомы, невероятно многообразны. Они могут образовывать металлы, в которых внешние электроны свободно блуждают и с величайшей легкостью переносят электрические токи. Они могут образовывать жидкости, в которых атомы или молекулы связаны вместе в свободной и беспорядочной манере. Они могут двигаться независимо, совершая случайные встречи, что происходит в газе. И они могут образовывать длинные спиралевидные молекулы, где группы атомов нанизаны вместе без видимого простого порядка, но способом, который каким-то образом связан с процессами жизни.

Расположение «атомов» натрия и хлора в кристалле поваренной соли.

Мы все знаем, в скольких формах может появляться материя и насколько изменчивы эти формы. То, что камень и брызги, воздух и насекомое, и даже человеческий мозг должны состоять из одних и тех же немногих видов атомов, и что эти атомы должны подчиняться законам, которые являются тонкими, простыми и точно описанными — это, безусловно, самый примечательный факт, который мы узнали с тех пор, как Ньютон доказал, что одна и та же наука применима к Земле и к небесам.

ГЛАВА III. Ядра

До сих пор мы рассматривали атомы как делимые на электроны и ядра. Электроны и ядра, однако, мы рассматривали как неделимые сущности. Эта точка зрения вполне адекватна для объяснения всех фактов химии и большинства фактов физики. Даже в физике не было необходимости приписывать внутреннюю структуру электрону. Электрон является поистине элементарной частицей в этом смысле. Однако, чтобы понять некоторые физические явления, а радиоактивность — одно из них, необходимо признать, что ядро не является неделимым, а состоит из частей. Части ядра называются протонами и нейтронами.

Простые утверждения предыдущей главы применимы и к этим меньшим частицам. Все электроны равны — в точности равны. Все протоны равны, и все нейтроны равны. Существуют методы, которые могли бы выявить чрезвычайно малые различия между этими частицами. Никаких таких различий обнаружено не было. Насколько нам известно, эти частицы всегда одинаковы. Мы не можем вливать в них энергию и возбуждать их, как это было в случае с атомами. Когда мы переходим к рассмотрению этих малых частиц, сложная структура мира заканчивается. Вместо этого мы находим простое.

Протон и нейтрон имеют почти точно такой же вес. Протон имеет одну единицу положительного заряда, что означает, что его заряд такой же, как у электрона, за исключением того, что он противоположен по знаку. Нейтрон, как следует из его названия, является электрически нейтральной частицей. Следовательно, заряд ядра равен количеству протонов, которые оно содержит, и не зависит от количества нейтронов. Вес ядра, однако, если взять протон (или нейтрон) в качестве единицы веса, равен количеству протонов плюс количество нейтронов.

Представьте, что у нас есть два атома, чьи ядра имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Такие атомы существуют в природе и называются изотопами. Суть этих изотопов в том, что, поскольку они имеют одинаковое количество протонов, они имеют одинаковый ядерный заряд, одинаковые электронные структуры, и поэтому они имеют почти одинаковые химические свойства. Их ядра имеют несколько разные объемы. Но ядро в любом случае мало. Это почти как если бы мы пытались найти разницу между ничем и дважды ничем. Разница в весах изотопов из-за разницы в их количестве нейтронов оказывает лишь незначительное влияние на их химическое поведение. Важным следствием этого факта является то, что молекулы, которые отличаются только тем, что один изотоп был заменен другим, биологически неразличимы. Они имеют одинаковый вкус и запах. Они усваиваются нашими телами одинаковым образом, и они откладываются или выводятся одинаковым образом.

Самые простые изотопы — это изотопы водорода. Большинство атомов водорода, которые мы находим в природе, имеют ядро, которое является единственным протоном. Это обычный водород или легкий водород. Несколько атомов водорода, однако, имеют ядра, которые состоят из протона и нейтрона. Это тяжелый водород, найденный в тяжелой воде. Во всех природных источниках воды эти два вида водорода смешаны в соотношении, которое практически одинаково для каждого образца. Электрон, циркулирующий вокруг ядра, ведет себя почти точно так же, независимо от того, присутствует дополнительный нейтрон или нет. От состояния этого электрона зависят большинство свойств атома и молекул, которые его содержат. Конечно, тяжелый водород имеет вдвое больший вес, чем обычный водород, и тяжелая вода несколько более плотная, чем легкая вода. Но в остальном разница невелика.

История открытия изотопов водорода забавна. Около полувека назад — до открытия какого-либо изотопа — два ученых пытались измерить плотность воды. Они очищали воду путем кипячения и конденсации пара. Но чем больше они очищали, тем легче она становилась — слегка, но заметно. Наконец они сдались: вода, казалось, не имела плотности!

Что произошло на самом деле: легкая вода кипит немного легче, чем тяжелая вода. Сами того не осознавая, эти ученые начали разделять изотопы.

Много лет спустя Гарольд Юри — на основе некоторых ошибочных экспериментов других людей — пришел к выводу, что тяжелый водород должен существовать. Он искал его и нашел, но нашел гораздо меньше, чем ожидал. Тяжелого водорода было так мало, что на основе правильных экспериментов Юри никогда бы не догадался о его присутствии. Кажется, что необоснованная идея гораздо более плодотворна, чем отсутствие идеи.

Почти все встречающиеся в природе элементы состоят из более чем одного изотопа. Уран, например, состоит в основном из двух, один из которых имеет 143 нейтрона, а другой — 146. Поскольку оба этих изотопа имеют 92 протона, их веса составляют 92 + 143 = 235 и 92 + 146 = 238 соответственно. Принято называть эти изотопы U²³⁵ и U²³⁸. U²³⁵, который ценен в ядерных реакторах и при производстве атомных бомб, сравнительно редок, встречаясь только как одна часть на 140 природного урана. Разделение этого редкого изотопа от обычного 238 было одним из главных начинаний двухмиллиардного Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны.

Мы подходим теперь к самому важному вопросу, который приведет нас к идее радиоактивности: что определяет, какие изотопы будет иметь данный элемент? Например, уран имеет изотопы весом 235 и 238. Небольшие количества U²³⁴ и U²³⁶ также встречаются в природе. Почему мы не находим U²³², U²³³, U²³⁷ или U²³⁹? Очевидно, только определенное количество нейтронов будет держаться вместе с 92 протонами.

Рассмотрим другой пример, на этот раз самого легкого из известных элементов, водорода. Мы уже упоминали два изотопа водорода: легкий водород весом 1 (символизируется H¹), имеющий ядро, состоящее из одного протона и без нейтронов, и тяжелый водород (также называемый дейтерием) весом 2 (H²), имеющий один протон и один нейтрон. Последний изотоп встречается только как одна часть на 5000 природного водорода. Существует также небольшой след трития (H³), имеющего один протон и два нейтрона. Но здесь последовательность заканчивается. Что случилось с H⁴, H⁵, H⁶ и т. д.?

Этот вопрос связан с более ранним: почему в природе нет атомов с зарядом 43, 61, 85 и 87, и почему нет атомов с зарядами больше 92. Чтобы ответить на эти вопросы, требуется немного знаний о законах, которые управляют движением нейтронов и протонов внутри ядра, и о природе сил, которые оказываются нейтроном на нейтрон, нейтроном на протон и протоном на протон.

Движение нейтронов и протонов внутри ядра управляется теми же законами, которые управляют движением электронов внутри атома. Как для ядра, так и для атома существует основное состояние движения, которое имеет больше стабильности (меньше энергии), чем любое другое состояние. Конечно, расположение и движение электронов в атоме зависят не только от этого общего правила, но и от специфически электрической природы сил, которые действуют между электронами и ядром. Таким же образом расположение и движение нейтронов и протонов внутри ядра зависят от природы сил, которые действуют между нейтронами и протонами.

Эти силы определенно не имеют гравитационного происхождения. Гравитационное притяжение чрезвычайно слабо по сравнению с притяжением между нейтронами и протонами и совершенно ничтожно в области ядерных явлений. Также ядерные силы не могут иметь электрическое происхождение. Нейтроны электрически нейтральны; а протоны на самом деле отталкивают друг друга в силу своего электрического заряда. Ядерные силы — это нечто совершенно новое. Это самые сильные силы, с которыми когда-либо сталкивались, и они не имеют аналогов в макроскопическом мире.

Ядерные силы еще не полностью поняты. Но чтобы понять ядерную стабильность, нам нужно знать только один специфический факт, управляющий поведением нейтронов и протонов (и, кстати, также электронов): они хотят быть разными. Каждой частице может быть присвоено состояние или паттерн движения. Когда сравниваются любые два нейтрона, их паттерн движения должен быть существенно разным. То же самое справедливо для любых двух протонов. Нейтрон и протон, однако, могут быть найдены в похожих паттернах, поскольку они все равно различаются по своему заряду.

Теперь среди возможных паттернов движения некоторые имеют более низкие, а некоторые — более высокие энергии. Отдельные нейтроны и протоны сначала займут состояния с самой низкой энергией, в соответствии с правилом наименьшей энергии для максимальной стабильности. Затем требование различия заставит последующие частицы переходить в паттерны все более высоких энергий.

Поскольку нейтрон не исключает протон из нахождения в том же паттерне, состояние с самой низкой энергией может быть занято одновременно одним нейтроном и одним протоном. Если добавляется еще один нейтрон или протон, он должен быть помещен в следующее состояние с более высокой энергией. По этой причине мы ожидали бы, что ядра наиболее стабильны, когда они содержат равное или почти равное количество нейтронов и протонов. Для ядер, которые не слишком тяжелы, это действительно так. Например, азот, который имеет семь протонов, имеет два стабильных изотопа, N¹⁴ и N¹⁵, с семью и восемью нейтронами соответственно. Для тяжелых ядер, однако, ситуация немного иная.

Ядерная сила между нейтронами и протонами действует только на очень коротком расстоянии — частицы должны почти соприкасаться друг с другом, чтобы испытать значительное притяжение. Следовательно, нейтрон или протон взаимодействует только со своими ближайшими соседями в ядре. Электрическое отталкивание между протонами, однако, действует на гораздо большем расстоянии. Протон отталкивается всеми другими протонами в ядре. Для тяжелых ядер этого отталкивания достаточно, чтобы уменьшить количество протонов относительно количества нейтронов. Свинец, например, с 82 протонами, имеет четыре стабильных изотопа, со 122, 124, 125 и 126 нейтронами.

Мы сказали, что семь протонов будут стабильно соединяться с семью или восемью нейтронами. Что произойдет, если семь протонов объединить с шестью или девятью нейтронами (чтобы сделать N¹³ или N¹⁶)? Наше правило не запрещает им держаться вместе; оно говорит только о том, что эти комбинации были бы более стабильными, если бы протон мог быть преобразован в нейтрон (в случае шести) или нейтрон в протон (в случае девяти).

На самом деле семь протонов и девять нейтронов действительно держатся вместе, но такое ядро не является стабильным и не продолжает существовать бесконечно. Причина довольно проста и немного удивительна: преобразование нейтрона в протон на самом деле является физически реализуемым процессом, и, более того, он высвобождает некоторое количество энергии. Аналогично, ядро, содержащее семь протонов и шесть нейтронов, будет иметь существование только конечной продолжительности, потому что преобразование протона в нейтрон также может произойти. Конечно, протон заряжен, а нейтрон — нет. Что происходит с зарядом во время этих преобразований? На самом деле нейтрон преобразуется не в протон, а в протон плюс электрон. Протон преобразуется аналогичным образом в нейтрон плюс что-то еще. Это что-то еще называется позитроном и идентично электрону во всех отношениях, за исключением того, что он имеет положительный, а не отрицательный заряд.

Описанные изменения происходят спонтанно. Они являются примерами радиоактивности. Более конкретно, они называются процессами «бета-распада», потому что электрон (или позитрон), когда он испускается ядром, называется бета-лучами. Такие бета-радиоактивные вещества образуются всякий раз, когда ядерная энергия используется в взрыве или на электростанции. Многие трудности и беспокойства, связанные с ядерной энергией, связаны с этими бета-активностями. Мы будем часто сталкиваться с ними как с вредными, иногда как с полезными агентами.

Когда нейтрон преобразуется в протон и электрон внутри ядра, электрон немедленно вылетает, но протон остается в ядре. Аналогично, когда протон преобразуется в нейтрон и позитрон, позитрон вылетает, а нейтрон остается в ядре. Поскольку электрон и позитрон имеют ничтожный вес по сравнению с протоном или нейтроном, процесс бета-распада оставляет вес ядра почти неизменным. Поскольку электрон и позитрон заряжены, процесс бета-распада увеличивает или уменьшает заряд ядра на одну единицу.

После бета-распада ядро азота с семью протонами и шестью нейтронами (N¹³) становится ядром с шестью протонами и семью нейтронами — углеродом весом 13 (C¹³), что является стабильной комбинацией. Аналогично, ядро азота с семью протонами и девятью нейтронами (N¹⁶) становится ядром с восемью протонами и восемью нейтронами, кислородом весом 16 (O¹⁶), который является обычным стабильным кислородом.

Иногда после бета-распада остаточное ядро оказывается с «правильным» количеством нейтронов и протонов, но с избытком энергии. То есть остаточное ядро находится не в своем основном состоянии, а в возбужденном. Это происходит примерно в двух третях известных случаев бета-распада. Это происходит, например, когда N¹⁶ распадается до O¹⁶.

В этой ситуации возбужденное ядро будет вести себя как возбужденный атом. Возбужденный атом, как помнит читатель, избавляется от своей избыточной энергии путем испускания электромагнитного излучения, обычно видимого или околовидимого света. Возбужденное ядро будет избавляться от своей избыточной энергии точно таким же образом. Единственная разница заключается в том, что количество энергии, переносимое электромагнитным излучением от ядра, примерно в миллион раз больше, чем переносимое электромагнитным излучением от атома — указание на большое количество энергии, запасенной внутри ядра. Такое энергичное электромагнитное излучение, исходящее из ядра, обычно называется гамма-лучами. Испускание гамма-лучей, или гамма-распад, подобно бета-распаду, является энерговыделяющим процессом, который превращает нестабильное ядро в стабильное, или, по крайней мере, в более стабильное. В более общем смысле любой спонтанный энерговыделяющий процесс (который стремится стабилизировать ядро) называется радиоактивностью. Бета- и гамма-распад — два примера. Позже мы рассмотрим третий пример, называемый альфа-распадом. Альфа-частица — это ядро атома гелия, состоящее из двух нейтронов и двух протонов.

Распад нейтрона и распад протона кажутся вполне аналогичными процессами. На самом деле существует важная разница между ними. Свободный нейтрон — не ограниченный внутри ядра — распадется на протон и электрон; но свободный протон не распадется на нейтрон и позитрон. Эта разница обусловлена тем фактом, что протон имеет немного меньший вес, чем нейтрон, и поэтому имеет меньше энергии. Чтобы протон распался, он должен находиться внутри ядра, где он может поглотить некоторое количество энергии от других протонов и нейтронов.

Иногда находят пары ядер, которые могли бы превратиться друг в друга путем протон-нейтронного (или нейтрон-протонного) преобразования; тем не менее ни одно из этих преобразований не может произойти так, как мы только что описали. Причина в том, что при протон-нейтронном или нейтрон-протонном преобразовании должен быть испущен дополнительный электрон или позитрон. Теперь, согласно Эйнштейну, масса электрона или позитрона соответствует некоторой энергии (E = mc²), и может случиться так, что ни нейтрон-протонное преобразование, ни протон-нейтронное преобразование не высвобождают достаточно энергии, чтобы создать электрон или позитрон.

В таких случаях один из внутренних электронов атома может объединиться с протоном, чтобы создать нейтрон. Такой процесс захвата электрона всегда будет высвобождать энергию при условии, что обратный процесс — преобразование нейтрона в протон и электрон — связан с дефицитом энергии. Таким образом, исключая возможность действительно точного совпадения двух энергий, одно из двух преобразований от нейтрона к протону или от протона к нейтрону всегда будет возможным.

Это один из самых твердо установленных законов природы, что энергия всегда сохраняется. Поэтому следовало бы ожидать, что энергия бета-лучей будет в точности равна разнице между энергией ядра до бета-распада и энергией ядра после бета-распада. На самом деле энергия бета-лучей никогда не оказывается такой большой. Часто она гораздо меньше. Часть энергии, по-видимому, исчезла, и было высказано подозрение, что энергия, возможно, не сохраняется вовсе. Оказалось, однако, что недостающая энергия выносится из ядра контрабандой, и контрабандист (который был пойман только недавно) называется нейтрино.

Нейтрино — это электрически нейтральная частица, как и нейтрон, но ее вес, как вес луча света, равен нулю. Как и такой луч, она движется со скоростью света.

Энергия, высвобождаемая ядром в процессе бета-распада, делится более или менее поровну между нейтрино и бета-лучами. Позже мы увидим, что электрон порождает ряд эффектов. Некоторые из них вредны. Нейтрино, однако, нисколько не опасно. Как идеальный контрабандист, оно проходит незамеченным и практически без следа. Оно взаимодействует с материей настолько слабо, что несколько миллиардов из них могут пройти прямо через весь земной шар, прежде чем произойдет хотя бы одно столкновение.

Совсем недавно эта странная маленькая частица опрокинула одну из наших самых незыблемых концепций о симметрии. Мы всегда верили, что природа не делает различий между своей правой и левой рукой; что для каждого существующего природного процесса существует также зеркальное отражение этого процесса. Нейтрино, однако, является исключением. Оно имеет определенную симметрию, как винт. Этот факт может оказаться наиболее важным в развитии науки. Однако он не имеет отношения к вопросам, которые будут обсуждаться в этой книге.

Нейтрино достигают нас из некоторых далеких и скрытых мест, таких как недра нашего Солнца и взрывающихся звезд. Может стать возможным использовать нейтрино в качестве посланников, чтобы раскрыть вид ядерных реакций, из которых извлекается энергия звезд.

Нейтрино также испускаются каждый раз, когда мы высвобождаем некоторое количество ядерной энергии. Среди всех примечательных практических последствий ядерной энергии нейтрино имеют уникальное отличие: они никогда не бывают полезными и никогда не бывают вредными. Их даже не подозревали в каком-либо вреде.

ГЛАВА IV. Закон радиоактивного распада

Радиоактивное ядро — это ядро, которое в конечном итоге распадется и высвободит некоторое количество энергии. Но когда?

Можно было бы представить, что радиоактивное ядро начало бы «стареть» с момента своего рождения и что по прошествии заранее определенного времени процесс распада произошел бы. Вот как радиоактивность могла бы работать в детерминированной вселенной. То, что на самом деле происходит с радиоактивным ядром, однако, гораздо интереснее.

В любой момент своей жизни радиоактивное ядро имеет некоторую вероятность распада в следующую секунду. Эта вероятность не зависит от его возраста. Независимо от того, как долго жило ядро, его шанс распада в следующую секунду всегда одинаков. Это как если бы играли в рулетку. Колесо вращается, и если выпадает его номер, ядро распадается в первую секунду. Если нет, колесо вращается снова. Каждый раз, когда колесо вращается, есть некоторая вероятность того, что выпадет его номер. Точное значение этой вероятности является характеристикой каждого конкретного радиоактивного вида. Чем выше вероятность, тем быстрее можно ожидать распада ядра. Но данное ядро не обязано делать в любое конкретное время то, что от него ожидается.

Понятие вероятности (или шанса) имеет смысл только при применении к большому количеству случаев. Сказать, что данное ядро имеет один шанс из ста распасться в следующую секунду, означает, что из некоторого большого количества (скажем, 100 миллионов) таких радиоактивных ядер один процент (один миллион) распадется в следующую секунду. Но абсолютно невозможно сказать заранее, какие ядра будут теми, которые распадутся. Конкретное ядро может распасться немедленно или только через очень долгое время. Совокупность в целом, однако, всегда будет делать ожидаемое. (Это принцип, по которому работают страховые компании.)

Ситуация лучше всего описывается в терминах промежутка времени, который называется периодом полураспада радиоактивного вида. Период полураспада определяется как количество времени, которое требуется для того, чтобы распалась одна половина большого количества идентичных радиоактивных ядер. Не имеет значения, что это за большое число, при условии только, что оно достаточно велико.

Если число ядер недостаточно велико, возникают флуктуации, и вместо 50 процентов ядер, распадающихся за период полураспада, их может оказаться 40 или 60 процентов. На самом деле пределы от 40 до 60 процентов соответствуют размеру выборки около 100 ядер. Для 10 000 ядер эти пределы составят от 49 до 51 процента. Количество радиоактивных ядер, с которым мы обычно имеем дело, составляет около 10²³ (100 000 000 000 000 000 000 000). Это число, например, радиоактивных ядер примерно в одной унции радия. Для такого огромного количества ядер отклонение от 50-процентного распада за период полураспада будет совершенно ничтожным. Таким образом, мы живем во Вселенной, которая в макроскопическом масштабе кажется упорядоченной и подчиняющейся точным законам, в то время как в основе этих законов, в микроскопическом масштабе, природа ведет азартную игру, полную случайности и неопределенности в каждом отдельном случае.

Мы можем построить график, показывающий, как N, количество оставшихся радиоактивных ядер, изменяется со временем t. График показывает, что за первый период полураспада T распадается половина исходного количества N₀ радиоактивных ядер. За второй период полураспада распадается половина оставшихся, и так далее. По прошествии времени T остается половина исходных радиоактивных ядер; после 2T остается одна четверть; и так далее.

Различные радиоактивные виды имеют разные периоды полураспада. Многие из них составляют лишь малую долю секунды; некоторые — миллиарды лет. N¹⁶ распадается до O¹⁶ (плюс электрон и нейтрино) с периодом полураспада около восьми секунд. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино с периодом полураспада 13 минут. Стронций с атомной массой 90 (Sr⁹⁰) претерпевает бета-распад с периодом полураспада 28 лет. (Это изотоп, который нигде не встречается в природе, но образуется в довольно больших количествах в процессе деления ядер.) Калий с атомной массой 40 (K⁴⁰), который присутствует в количестве 0,01 процента в обычном калии, имеет период полураспада один миллиард лет. По-видимому, он остался с того времени, когда формировались первичные элементы. Периоды полураспада для гамма-распада чрезвычайно коротки по сравнению с периодами бета-распада. Обычно они составляют малую долю секунды.

Радиоактивность характеризуется типом частицы, испускаемой ядром (наши примеры до сих пор касались бета- и гамма-частиц), энергией, которой обладает эта частица, и периодом полураспада, в течение которого происходит радиоактивный распад.

Биологическая опасность радиоактивности зависит от всех трех этих характеристик. Независимо от того, образовались ли радиоактивные ядра в результате ядерного взрыва или в ядерном реакторе, обычно проходит некоторое время, прежде чем население может подвергнуться воздействию. Если это время велико по сравнению с периодом полураспада радиоактивного вида, большинство ядер успеет распасться, и опасность тем самым уменьшится. Если, с другой стороны, период полураспада велик по сравнению с этим временем, а также по сравнению с продолжительностью жизни человека, скорость распада будет низкой, и опасность снова будет снижена.

Короче говоря, опасными являются промежуточные периоды полураспада — не слишком длинные и не слишком короткие. Sr⁹⁰ — тому пример.

ГЛАВА V Распад ядра

Положительные электрические заряды внутри атомного ядра отталкиваются друг от друга. В наиболее сильно заряженных ядрах это отталкивание становится настолько великим, что ядро может расколоться на две части, одновременно высвобождая значительное количество энергии. В случае спонтанного деления ядер две части более или менее равны по размеру. В процессе альфа-распада одна из частей (альфа-частица) намного меньше другой.

Альфа-частица состоит из двух нейтронов и двух протонов и идентична ядру атома гелия. (Символ этого ядра — He⁴.) Поскольку два нейтрона и два протона могут одновременно занимать состояние с наименьшей энергией, альфа-частица является особенно стабильной ядерной единицей. В результате время от времени в тяжелых ядрах два нейтрона и два протона объединяются в альфа-частицу, которая затем может попытаться вырваться.

Однако при попытке вырваться из ядра альфа-частица сталкивается со значительным сопротивлением из-за короткодействующего ядерного притяжения других нейтронов и протонов. Это сопротивление, которое испытывает альфа-частица, пытаясь покинуть ядро, обычно называют «энергетическим барьером». Если бы альфа-частица могла получить немного дополнительной энергии, она смогла бы преодолеть барьер и вырваться из-под действия ядерного притяжения. Оказавшись за пределами ядра, сразу за пределами действия ядерного притяжения, альфа-частица была бы с силой выброшена наружу из-за мощного электрического отталкивания между ее двумя протонами и другими протонами в остаточном ядре.

Как альфа-частица вырывается из ядра. От A до B она движется «в гору», теряя скорость. В точке B ее скорость равна нулю, и она почти всегда поворачивает назад. С небольшой вероятностью она может проскользнуть через энергетический барьер из B в C. За точкой C она испытывает отталкивание и вылетает с возрастающей скоростью.

Альфа-частице нужна дополнительная энергия, чтобы вырваться. Согласно законам старой физики, нет никакой возможности получить эту дополнительную энергию, и поэтому побег невозможен. Но более недавно открытые законы, управляющие движением нейтронов и протонов (законы квантовой механики), не столь строги; они позволяют альфа-частице использовать «заемную» энергию для преодоления энергетического барьера. Конечно, альфа-частица всегда должна вернуть долг — что она легко может сделать из большого запаса электрической энергии, высвобождаемой, когда она выходит из зоны отталкивания остаточного ядра. Проценты по кредиту не взимаются.

Такие энергетические займы в природе автоматически не предоставляются. Есть два фактора, которые делают заем маловероятным: если сумма велика или если срок велик. Эти ограничения эффективно ограничивают частицы, которые могут претендовать на энергетический заем. Объекты большого размера и веса не могут претендовать на это, но мелкие частицы атомного мира часто могут.

Чем больше энергии уносит альфа-частица после альфа-распада, тем меньше энергии нужно занять для преодоления барьера и тем быстрее, как можно ожидать, произойдет распад. Распад настолько чувствителен к энергии альфа-частицы, что альфа-частица, несущая вдвое больше энергии, испускается в сто триллионов раз быстрее.

Периоды полураспада для альфа-распада варьируются от доли секунды до миллиардов лет. Но даже самый короткий период полураспада для альфа-распада удивительно велик по сравнению со временем, необходимым альфа-частице для пересечения ядра. Это означает, что альфа-частица совершает огромное количество попыток вырваться из ядра, прежде чем ей это удается. Согласно старой классической теории, альфа-процесс никогда не должен происходить, и на самом деле он происходит с очень малой вероятностью.

Одиночный альфа-распад обычно не является достаточным процессом для достижения стабильности дочернего ядра. Обычно требуется целая цепочка радиоактивных распадов, прежде чем будет достигнута стабильность. Большинство ядер, испускающих альфа-частицы, принадлежат к одной из таких цепочек радиоактивного распада.

Тяжелые ядра, для которых происходит альфа-распад, все содержат большой избыток нейтронов. Поскольку альфа-частица уносит ровно два нейтрона и два протона, отношение числа нейтронов к числу протонов в дочернем ядре увеличивается. Это оказывает дестабилизирующее влияние. (На самом деле, в более легких ядрах для стабильности требуется, чтобы отношение нейтронов к протонам было ближе к единице.) Таким образом, дочернее ядро склонно быть бета-активным, превращая нейтрон в протон (плюс электрон и нейтрино), чтобы уменьшить отношение нейтронов к протонам. Таким образом, может возникнуть цепочка радиоактивных распадов, более или менее чередующихся между альфа- и бета-излучениями, при этом иногда испускаются и гамма-лучи.

Существует четыре радиоактивные цепочки. Одна из них начинается с распространенного изотопа урана, U²³⁸. Этот изотоп претерпевает несколько альфа-распадов и пару бета-распадов, превращаясь в радий, который имеет заряд 88 и атомную массу 226. Весь радий в мире производится таким образом как дочерний продукт в пятом распаде цепочки. После ряда дальнейших распадов образуется стабильный свинец (масса 206), и цепочка завершается.

Другие цепочки похожи на цепочку U²³⁸, хотя и не такие длинные. Одна цепочка начинается с редкого изотопа урана, U²³⁵; другая начинается с изотопа тория с массой 232. Обе они заканчиваются стабильными изотопами свинца. Во всех случаях первый распад цепочки имеет очень долгий период полураспада. Период полураспада U²³⁸ составляет 4,5 миллиарда лет; U²³⁵ — 710 миллионов лет; а тория — 14 миллиардов лет.

Четвертая радиоактивная цепочка была создана в лаборатории, но не встречается в природе, потому что ее первый изотоп, нептуний с массой 237, имеет слишком короткий период полураспада. Он распадается за два миллиона лет, а все остальные члены цепочки живут еще меньше. Таким образом, нептуниевая цепочка распалась давным-давно, тогда как три другие цепочки сохранились с того времени, когда образовались элементы.

Интересно отметить, что меньшая распространенность U²³⁵ по сравнению с U²³⁸ связана с его более коротким периодом полураспада. Предполагая, что в начале существования Вселенной присутствовали сопоставимые количества обоих изотопов (и есть веские основания полагать, что это было так), можно было бы ожидать, что через несколько сотен миллионов лет U²³⁵ будет значительно меньше, чем U²³⁸. Через 710 миллионов лет (период полураспада U²³⁵) осталась бы только половина исходного количества ядер U²³⁵. Но 90 процентов исходных ядер U²³⁸ (период полураспада 4,5 миллиарда лет) сохранились бы. Исходя из наблюдаемого в настоящее время соотношения ядер U²³⁵ к U²³⁸ (1 к 139), можно рассчитать, используя закон радиоактивного распада, что 6 миллиардов лет назад природный уран состоял из равных частей U²³⁵ и U²³⁸. Возраст Вселенной является предметом жарких споров. С каждым годом Вселенная кажется на миллиард лет старше. Прямо сейчас шесть миллиардов лет не кажутся сильно завышенной цифрой.

Природная радиоактивность встречается в основном среди тяжелых элементов, но есть несколько легких элементов, которые являются природно-радиоактивными. Из них калий⁴⁰ особенно интересен, потому что он может распадаться либо путем испускания электрона, либо путем захвата электрона. Процессы таковы: