Что поможет сделать самые точные часы во Вселенной?

Кандидат химических наук Максим Абаев

Если пофантазировать и попытаться сравнить бога Тора с химическим элементом торием, то можно найти довольно занятные связи одного с другим.

Как в наши дни открывают новые химические элементы? Ну, во-первых, уже довольно давно этим занимаются не химики в лабораториях, а физики на различных ускорителях в центрах ядерных исследований. Во-вторых, названия новым элементам теперь присваивают международные комитеты, основываясь на кропотливом анализе вклада разных научных коллективов или учреждений, приоритета исследовательских групп и множества других несомненно важных факторов.

Современное украшение в виде молота бога Тора (герой скандинавской мифологии). Фото: mararie/Flickr.com CC BY-SA 2.0.
Газокалильная сетка, или ауэровский колпачок внутри газовой лампы. Фото: Leo Reynolds/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0.
Для улучшения оптических свойств объективов в материал линз добавляли диоксид тория. Со временем за счёт радиоактивного распада тория стёкла таких объективов приобретали жёлтый оттенок. Сейчас их уже не выпускают. Фото: RawheaD Rex/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0.
Керосиновые лампы без калильного тела дают очень тусклый свет. Фото: Rajeev/Flickr.com CC BY 2.0.
Наша Земля — большой ядерный реактор, один из видов топлива которого — торий. На фото: геотермальная электростанция Несьяведлир в Исландии. Фото: Scott Ableman/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0.
Первые цезиевые атомные часы, сконструированные Льюисом Эссеном и Джеком Перри в 1955 году, хранятся в Национальной физической лаборатории Великобритании. Фото: Richard Ash/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0.
Установка, на которой был впервые обнаружен изомер тория-229. Фото: Lars v. d. Wense, LMU Munich.

В ХIХ веке всё было по-другому: учёный, открывший новый элемент, был волен назвать его по своему усмотрению, не оглядываясь на мнение комитетов. Вот, например, открыл шведский химик Якоб Берцелиус новый элемент в минерале с одного из островов Норвегии, да и назвал его в честь скандинавского бога-громовержца Тора. Так элемент под номером девяносто получил короткое и красивое название — торий. О нём и поговорим.

Если пофантазировать и попытаться сравнить бога Тора с химическим элементом торием, то можно найти довольно занятные связи одного с другим. Например, самый известный атрибут Тора — его молот, с помощью которого бог боролся против своих врагов и вызывал разные сверхъестественные и не очень явления, например гром и молнии.

А что же торий? Под силу ли этому химическому элементу вызывать гром, молнии или что-либо подобное? В принципе, почему бы и нет! Возьмём для начала молнию — ведь это всего лишь яркая вспышка света, обусловленная электрическим разрядом. Элемент торий тоже может создавать яркий свет, правда, немного другой природы, и для этого ему нужен свой весьма необычный «молот» — ауэровский колпачок. Давайте разберёмся, как он работает.

С помощью этого несложного изобретения торий ярко засиял в керосиновых и газовых лампах, начиная от уличных фонарей и заканчивая маяками. Даже сейчас, в эпоху светодиодных фонарей, подобные лампы с торием продолжают использовать.

В то время, когда улицы городов ещё не знали электрического освещения, источником света были газовые и керосиновые фонари. Поначалу свет в них давало самое обычное пламя от сгорания газа или жидкого топлива. У таких фонарей был большой недостаток — очень тусклый свет.

Многие изобретатели думали над проблемой, как заставить уличные лампы светить ярче. Вскоре выяснилось, что если в пламя поместить какой-нибудь предмет вроде сетки или тонкой нити, то, нагревшись до высокой температуры, он будет ярко светиться. Сначала калильные тела — так называли эти предметы — делали из пропитанной солями кальция бумаги. Если такой бумаге придать требуемую форму, а потом сжечь, то от неё останется пусть и чрезвычайно хрупкий, но всё же твёрдый скелет — это и будет самое настоящее калильное тело.

Довольно быстро от бумаги исследователи перешли к шёлковой ткани, а от солей кальция — к солям и окисям редкоземельных металлов. Вершиной эффективности вещества для газокалильных тел стал состав, изобретённый в конце 1880-х годов австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом: 99% оксида тория и 1% оксида церия. Газокалильная сетка получила название «ауэровский колпачок» — по форме он выглядит именно как колпачок, в буквальном смысле «надеваемый» на пламя. Такие сетки использовали с начала ХХ века вплоть до наших дней в туристических лампах. Совсем недавно керосинокалильные лампы продолжали работать на отдалённых маяках. Их яркий свет, простота конструкции и автономность всей системы были важнее, чем удобство использования электрических ламп и дизельных генераторов. Правда, у колпачков с оксидом тория есть один маленький недостаток — они радиоактивны.

Дело в том, что у тория нет стабильных изотопов, а это значит, что рано или поздно весь торий во Вселенной превратится в другие химические элементы. Но случится это очень не скоро, потому что период полураспада самого стабильного изотопа тория составляет четырнадцать миллиардов лет!

Торий, который добавляют в ауэровские колпачки, тоже постепенно претерпевает радиоактивный распад. Однако не следует сию же минуту предаваться радиофобии и на всякий случай обходить стороной каждую керосиновую лампу. Во-первых, торий — это слаборадиоактивный элемент. Чтобы получить большую дозу радиации, его должно быть намного больше, чем содержится в одном колпачке. Во-вторых, альфа-частицы, которые он испускает, как обычно говорят, задерживаются листом бумаги, а уж стеклом керосиновой лампы тем более. Так что если не есть на спор ториевые колпачки, то они вполне безопасны. Но вот производство таких колпачков может представлять опасность и для персонала, и для окружающей территории. Поэтому постепенно торий заменяют на другие, более безопасные материалы.

Коль скоро речь зашла о радиоактивности тория, нельзя не сказать об одном связанном с ним эффекте. При радиоактивном распаде ядра тория, как, впрочем, и других элементов, выделяется энергия, часть которой переходит в тепло. Когда дело касается колпачка для керосиновой лампы, то количество выделяемого тепла пренебрежимо мало. Но если взять объёмы побольше, например весь торий, содержащийся в земных недрах, то такая «печка» может уже вполне неплохо греть.

Собственно, так появилась гипотеза о том, что тепло радиоактивного происхождения согревает нашу планету изнутри. Но как это проверить, если на потоке тепла из недр Земли не написано, в результате каких процессов он появился? Тут на помощь приходят нейтринные детекторы — сложные устройства, размещаемые в глубоких шахтах, под толщей воды или во льдах Антарктиды. Например, детектор коллаборации Borexino, находящийся в горном массиве в центре Италии, помог зафиксировать нейтрино, исходящие именно из внутренних частей нашей планеты, — так называемые геонейтрино.

Почему нейтрино? Эти частицы рождаются при некоторых видах распада ядер и обладают уникальной способностью практически не задерживаться веществом, поэтому нейтрино может с лёгкостью пролететь сквозь Землю. Регистрация нейтрино — очень сложный, хотя и не невозможный процесс. Учёным удалось даже различить геонейтрино, образовавшиеся в трёх разных процессах: распаде урана, тория и калия, и таким образом подтвердить гипотезу о ядерной печке, согревающей Землю.

Ещё один из «волшебных» предметов, созданных с использованием тория, но которого нет у Тора, — это ядерные часы. Вы наверняка слышали о том, что атомные часы — самые точные часы в мире. По ним сверяют время спутники GPS, потому что точное время критически важно для точного определения нашего местоположения на планете.

Принцип работы атомных часов основан на том, что атом химического элемента (для часов обычно используют цезий) может поглощать излучение строго определённой частоты, которая слабо зависит от окружающих условий: температуры, электромагнитных полей, механического воздействия и так далее. Поэтому частота, на которой «резонирует» атом, может быть своего рода эталоном, как когда-то эталоном длины был хранящийся в палате мер и весов эталонный метр.

Если мы возьмём неидеальный генератор, у которого частота может немного «плавать» во времени, и будем постоянно сравнивать его частоту с частотой, на которой резонирует атом, то сможем вовремя заметить, когда частота «уплыла», и подстроить генератор. Дальше нам надо будет только считать количество волн и по ним отсчитывать секунды. Например, прошло 9 192 631 770 циклов, значит, прошла одна секунда по цезиевым часам. Погрешность таких часов фантастически мала — всего лишь секунда на 100 миллионов лет. Но даже атомные часы не предел совершенства!

Ядра атомов — ещё более стабильные объекты, чем сами атомы, поэтому если научиться сверять частоту по переходам между разными состояниями ядра, то можно будет сделать ещё более точные часы. В качестве такого эталона предложен как раз торий, правда не совсем обычный. Во-первых, это должен быть изотоп тория с массой 229, который образуется при распаде урана, а во-вторых, его ядро должно быть в метастабильном* состоянии. Для понимания сложности изучения всех этих процессов приведём простую цифру — только на поиски метастабильного ядерного изомера тория у исследователей ушло 40 лет! А сколько ещё времени потребуется на создание ядерных часов, можно только догадываться. Впрочем, где и для чего будет использоваться торий в будущем, — не меньшая загадка.

Комментарии к статье

* Метастабильное состояние атомного ядра — возбуждённое состояние ядра с измеримым временем жизни.

 

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки