Бета-распад не таков. Один нейтрон в исходном ядре превращается в протон, и он делает это, выбрасывая бета-частицу, представляющую собой единицу отрицательного заряда или один электрон. Массовое число ядра остается тем же, потому что общее количество протонов плюс нейтронов остается неизменным, а электроны слишком маленькие, чтобы о них беспокоиться. Но атомное число увеличивается на один, потому что теперь на один протон больше, чем прежде. Натрий 24 превращается в результате бета-распада в магний 24. Массовое число осталось тем же, 24. Атомное число увеличилось с 11, что является однозначным признаком натрия, до 12, что является однозначным признаком магния.
Третий вид преобразований – нейтронно-протонная замена. Беспризорный нейтрон ударяет в ядро и выбивает один протон из ядра, занимая его место. Так же как и при бета-распаде, массовое число не изменяется. Но на сей раз атомное число уменьшилось на один из-за потери одного протона. Помните, что атомное число – это просто число протонов в ядре. Четвертым способом превращения одного элемента в другой, имеющим такое же влияние на атомное и массовое число, является электронный захват. Это своего рода полная противоположность бета-распада. Принимая во внимание, что при бета-распаде нейтрон превращается в протон и испускает электрон, электронный захват преобразует протон в нейтрон, нейтрализуя его заряд. Таким образом, атомное число уменьшается на один, в то время как массовое число остается неизменным. Калий 40 (атомное число 19), таким образом, распадается в аргон 40 (атомное число 18). И существуют различные другие способы, которыми ядра могут быть радиоактивно преобразованы в другие ядра.
Одним из кардинальных принципов квантовой механики является невозможность точно предсказать, когда распадется конкретное ядро нестабильного элемента. Но мы можем измерить статистическую вероятность того, что это случится. Эта измеренная вероятность оказывается совершенно характерной для заданного изотопа. Принятой мерой является период полураспада. Чтобы измерить период полураспада радиоактивного изотопа, возьмите кусок вещества и посчитайте, сколько времени нужно, чтобы ровно половина его распалась во что-либо еще. Период полураспада стронция 90 составляет 28 лет. Если у вас будет 100 граммов стронция 90, то через 28 лет у вас останется только 50 граммов. Остальной превратится в иттрий 90 (который, между тем, в свою очередь превращается в цирконий 90). Означает ли это, что еще через 28 лет стронция у вас не останется? Разумеется, нет. У вас останется 25 граммов. Еще через 28 лет количество стронция снова сократится наполовину, до 12.5 граммов. Теоретически оно никогда не достигает нуля, а только приблизится к нему, уменьшаясь напополам с каждым шагом. По этой причине мы должны говорить о периоде полураспада, а не о "времени распада" радиоактивного изотопа.
Период полураспада углерода 15 составляет 2.4 секунды. Через 2.4 секунды вы останетесь с половиной вашего начального образца. Еще через 2.4 секунды у вас будет лишь четверть вашего начального образца. Еще через 2.4 секунды – одна восьмая, и так далее. Период полураспада урана 238 составляет почти 4.5 миллиарда лет. Это – приблизительно возраст солнечной системы. Так, от всего урана 238, который присутствовал на Земле, когда она впервые сформировалось, теперь осталась приблизительно половина. Замечательным и очень полезным результатом радиоактивности является то, что времена полураспада различных элементов охватывают столь колоссальный диапазон, от долей секунд до миллиардов лет.
Мы приближаемся к сути всего этого отступления. Факт, что каждый радиоактивный изотоп имеет определенный период полураспада, предполагает возможность датировать горные породы. Вулканические породы часто содержат радиоактивные изотопы, такие как калий 40. Калий 40 превращается в аргон 40 с периодом полураспада 1.3 миллиарда лет. В этом плане, потенциально это – точные часы. Но бесполезно измерять только количество калия 40 в горной породе. Вы не знаете, сколько его было вначале! То, что вам нужно – отношение калия 40 к аргону 40. К счастью, когда калий 40 в кристаллической породе распадается, аргон 40 (газ) остается захваченным в кристалле. Если имеется равное количество калия 40 и аргона 40 в веществе кристалла, вы знаете, что половина исходного калия 40 распалась. Следовательно, прошло 1.3 миллиарда лет с тех пор, как кристалл был сформирован. Если аргона 40 вдвое больше , чем калия 40, прошло 2.6 миллиарда лет, с тех пор как кристалл был сформирован. Если вдвое больше калия 40, чем аргона 40 – кристаллу всего лишь 650 миллионов лет.
