Що допоможе зробити найточніший годинник у Всесвіті?

Як у наші дні відкривають нові хімічні елементи? Ну, по-перше, вже досить давно цим займаються не хіміки в лабораторіях, а фізики на різних прискорювачах в центрах ядерних досліджень. По-друге, назви новим елементам тепер присвоюють міжнародні комітети, ґрунтуючись на копіткому аналізі внеску різних наукових колективів або установ, пріоритету дослідницьких груп і безлічі інших безсумнівно важливих факторів.

У XIX столітті все було по-іншому: вчений, який відкрив новий елемент, був хворий назвати його на свій розсуд, не озираючись на думку комітетів. Ось, наприклад, відкрив шведський хімік Якоб Берцеліус новий елемент в мінералі з одного з островів Норвегії, та й назвав його на честь скандинавського бога-громовержця Тора. Так елемент під номером дев’яносто отримав коротку і красиву назву — торій. Про нього і поговоримо.

Сучасна прикраса у вигляді молота бога Тора (герой скандинавської міфології). Фото: mararie / flickr.com, CC BY-SA 2.0

Якщо пофантазувати і спробувати порівняти бога Тора з хімічним елементом торієм, то можна знайти досить цікаві зв’язки одного з іншим. Наприклад, найвідоміший атрибут Тора — його молот, за допомогою якого бог боровся проти своїх ворогів і викликав різні надприродні і не дуже явища, наприклад грім і блискавки.

А що ж торій? Чи під силу цьому хімічному елементу викликати грім, блискавки або щось подібне? В принципі, чому б і ні! Візьмемо для початку блискавку — адже це всього лише яскравий спалах світла, обумовлений електричним розрядом. Елемент торій теж може створювати яскраве світло, правда, трохи іншої природи, і для цього йому потрібен свій вельми незвичайний «молот» — ауерівський ковпачок. Давайте розберемося, як він працює.

За допомогою цього нескладного винаходу торій яскраво засяяв у гасових і газових лампах, починаючи від вуличних ліхтарів і закінчуючи маяками. Навіть зараз, в епоху світлодіодних ліхтарів, подібні лампи з торієм продовжують використовувати.

У той час, коли вулиці міст ще не знали електричного освітлення, джерелом світла були газові та гасові ліхтарі. Спочатку світло в них давало звичайне полум’я від згоряння газу або рідкого палива. У таких ліхтарів був великий недолік — дуже тьмяне світло.

Гасові лампи без калильного тіла дають дуже тьмяне світло. Фото: Rajeev / flickr.com, CC BY 2.0

Багато винахідників думали над проблемою, як змусити вуличні лампи світити яскравіше. Незабаром з’ясувалося, що якщо в полум’я помістити якийсь предмет на кшталт сітки або тонкої нитки, то, нагрівшись до високої температури, він буде яскраво світитися. Спочатку калильні тіла — так називали ці предмети — робили з просоченої солями кальцію паперу. Якщо такий папер надати необхідну форму, а потім спалити, то від нього залишиться нехай і надзвичайно крихкий, але все ж твердий скелет — це і буде справжнє калильне тіло.

Досить швидко від паперу дослідники перейшли до шовкової тканини, а від солей кальцію — до сіль і окисів рідкоземельних металів. Вершиною ефективності речовини для газокалільних тіл став склад, винайдений наприкінці 1880-х років австрійським хіміком Карлом Ауером фон Вельсбахом: 99% оксиду торію і 1% оксиду церія. Газокалільна сітка отримала назву «ауерівський ковпачок» — за формою він виглядає саме як ковпачок, що в буквальному сенсі «вдягається» на полум’я. Такі сітки використовували від початку ХХ століття аж до наших днів у туристичних лампах. Зовсім недавно керосинокалильні лампи продовжували працювати на віддалених маяках. Їх яскраве світло, простота конструкції і автономність всієї системи були важливішими, ніж зручність використання електричних ламп і дизельних генераторів. Правда, у ковпачків з оксидом торію є один маленький недолік — вони радіоактивні.

Газокалільна сітка, або ауерівський ковпачок всередині газової лампи. Фото: Leo Reynolds / flickr.com, CC BY-NC-SA 2.0

Справа в тому, що у торія немає стабільних ізотопів, а це означає, що рано чи пізно весь торій у Всесвіті перетвориться на інші хімічні елементи. Але станеться це дуже не скоро, тому що період напіврозпаду найстабільнішого ізотопу торія становить чотирнадцять мільярдів років!

Торій, який додають в ауерівські ковпачки, теж поступово зазнає радіоактивного розпаду. Однак не слід цю ж хвилину віддаватися радіофобії і про всяк випадок обходити стороною кожну гасову лампу. По-перше, торій — це слаборадіоактивний елемент. Щоб отримати більшу дозу радіації, його повинно бути набагато більше, ніж міститься в одному ковпачку. По-друге, альфа-частинки, які він випускає, як зазвичай кажуть, затримуються аркушем паперу, а вже склом гасової лампи тим більше. Тож якщо не їсти на суперечку торієві ковпачки, то вони цілком безпечні. Але ось виробництво таких ковпачків може становити небезпеку і для персоналу, і для навколишньої території. Тому поступово торій замінюють на інші, більш безпечні матеріали.

Для поліпшення оптичних властивостей об’єктивів у матеріал лінз додавали діоксид торію. З часом за рахунок радіоактивного розпаду торію скла таких об’єктивів набували жовтий відтінок. Зараз їх вже не випускають. Фото: RawheaD Rex / flickr.com, CC BY-NC-SA 2.0

Коли скоро мова зайшла про радіоактивність торію, не можна не сказати про один пов’язаний з ним ефект. При радіоактивному розпаді ядра торію, як, втім, і інших елементів, виділяється енергія, частина якої переходить в тепло. Коли справа стосується ковпачка для гасової лампи, то кількість тепла, що виділяється, зневажливо мала. Але якщо взяти обсяги побільше, наприклад весь торій, що міститься в земних надрах, то така «пічка» може вже цілком непогано гріти.

Власне, так з’явилася гіпотеза про те, що тепло радіоактивного походження зігріває нашу планету зсередини. Але як це перевірити, якщо на потоці тепла з надр Землі не написано, в результаті яких процесів він з’явився? Тут на допомогу приходять нейтринні детектори — складні пристрої, що розміщуються в глибоких шахтах, під товщею води або в льодах Антарктиди. Наприклад, детектор колаборації Borexino, що знаходиться в гірському масиві в центрі Італії, допоміг зафіксувати нейтрино, що виходять саме з внутрішніх частин нашої планети, — так звані геонейтрино.

Чому нейтрино? Ці частинки народжуються при деяких видах розпаду ядер і мають унікальну здатність практично не затримуватися речовиною, тому нейтрино може з легкістю пролетіти крізь Землю. Реєстрація нейтрино — дуже складний, хоча і не неможливий процес. Вченим вдалося навіть розрізнити геонейтрино, що утворилися в трьох різних процесах: розпад урану, торія і калію, і таким чином підтвердити гіпотезу про ядерну пічку, що зігріває Землю.

Наша Земля — великий ядерний реактор, один з видів палива якого — торій. На фото: геотермальна електростанція Несьяведлір в Ісландії. Фото: Scott Ableman / flickr.com, CC BY-NC-ND 2.0

Ще один з «чарівних» предметів, створених з використанням Тора, але якого немає у Тора, — це ядерний годинник. Ви напевно чули про те, що атомний годинник — найточніший годинник у світі. За ними звіряють час супутники GPS, тому що точний час критично важливо для точного визначення нашого місця розташування на планеті.

Принцип роботи атомного годинника заснований на тому, що атом хімічного елемента (для годинника зазвичай використовують цезій) може поглинати випромінювання строго певної частоти, яка слабо залежить від навколишніх умов: температури, електромагнітних полів, механічного впливу тощо. Тому частота, на якій «резонує» атом, може бути свого роду еталоном, як колись еталоном довжини був зберігається в палаті заходів і терезів еталонний метр.

Перший цезієвий атомний годинник, сконструйований Льюїсом Ессеном і Джеком Перрі в 1955 році, зберігається в Національній фізичній лабораторії Великобританії. Фото: Richard Ash / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.0

Якщо ми візьмемо неідеальний генератор, у якого частота може трохи «плавати» в часі, і будемо постійно порівнювати його частоту з частотою, на якій резонує атом, то зможемо вчасно помітити, коли частота «попливла», і підлаштувати генератор. Далі нам треба буде тільки рахувати кількість хвиль і по них відраховувати секунди. Наприклад, пройшло 9 192 631 770 циклів, значить, пройшла одна секунда по цезієвих годинах. Похибка таких годин фантастично мала — всього лише секунда на 100 мільйонів років. Але навіть атомний годинник не межа досконалості!

Установка, на якій був вперше виявлений ізомер торію-229. Фото: Lars v. d. Wense, LMU Munich

Ядра атомів — ще більш стабільні об’єкти, ніж самі атоми, тому якщо навчитися звіряти частоту по переходах між різними станами ядра, то можна буде зробити ще більш точні години. В якості такого еталона запропонований якраз торій, правда не зовсім звичайний. По-перше, це повинен бути ізотоп торію з масою 229, який утворюється при розпаді урану, а по-друге, його ядро має бути в метастабільному * стані. Для розуміння складності вивчення всіх цих процесів наведемо просту цифру — тільки на пошуки метастабільного ядерного ізомера торія у дослідників пішло 40 років! А скільки ще часу потрібно на створення ядерного годинника, можна тільки здогадуватися. Втім, де і для чого буде використовуватися торій в майбутньому, — не менша загадка.

^* Метастабільний стан атомного ядра — збуджений стан ядра з вимірюваним часом життя.