Едва ли не наиболее скандальный природный объект, на века озадачивший многочисленных исследователей – это шаровая молния. Но еще с библейских времен известно, что «адское пламя» пахнет серой. В свою очередь, сера образуется только в результате - распада фосфора. Конкретно, это изотопы  и . Заглянем в справочник И.П. Селинова «Изотопы», т.1, стр. 61. Читаем. Изотопы  и , обнаруженные в дождевой воде, образуются в результате расщепления ядер космическими лучами[1].

Для наиболее заинтересованных читателей приведу ядерные реакции, приводящие к образованию радиофосфора. Он рождается в верхних слоях атмосферы в результате ядерных реакций , , , , , ,  и , а также , , , , . 

Возникнув в верхних слоях атмосферы, облака атомарного радиофосфора медленно опускаются на землю под действием силы тяжести[2].

Фосфор является химически активным элементом. Поэтому после образования изотопов и  в верхних слоях атмосферы за счет расщепления ядер-мишеней космическими лучами пары атомарного радиофосфора медленно опускаются к Земле и быстро вступают в реакцию с кислородом. В результате этой реакции образуется пятиокись фосфора . В дальнейшем она взаимодействует с парами воды, в результате чего образуется фосфорная кислота . Времени для этого Природа отвела предостаточно. Период полураспада составляет две недели, а - три с половиной недели.

Мелкие капельки радиофосфорной кислоты (окислителя!) как правило, заряжены отрицательно. Согласно некоторым оценкам мельчайшая капелька, содержащая десять миллионов молекул воды на тысячу молекул фосфорной кислоты, имеет отрицательный заряд, равный заряду электрона. При - распаде один электрон уходит «на бесконечность». Капелька становится электрически нейтральной. Она может слиться с другой такой же электрически нейтральной капелькой. Интенсивность выброса электронов растет по мере увеличения концентрации радиофосфора в воздушно-капельной смеси. Образуется положительно заряженный зародыш, который начинает собирать из окружающего пространства отрицательно заряженные микрокапли слабого раствора радиофосфорной кислоты.

Процесс этот может идти на разных высотах. В частности, в грозу радиофосфор вместе с дождевой водой вначале попадает на землю, и только потом восходящими воздушными потоками выносится на высоту нескольких метров или десятков метров, где и собирается в заготовки для шаровых молний. В ясную же погоду облако паров радиофосфора медленно опускается на землю под действием силы тяжести.

А дальше начинается самое интересное. Если радиофосфора в воздушно-капельной смеси достаточно много, то процесс самосжатия радиофосфорного облачка происходит довольно быстро. И как только его концентрация превосходит 0.5 миллиграмма на литр воздушно-капельной смеси, так происходит следующее. Активность такого облачка составляет около 100 кюри. Это 3.7 триллиона распадов в секунду. Выброс электронов из облачка становится столь сильным, что потенциал его поверхности возрастает на 10000 вольт в секунду. Несколько секунд – и нескомпенсированный положительный заряд ионов серы вызывает электрический разряд в воздухе. Шаровая молния загорается[3].

Остается последний вопрос. Почему шаровая молния горит не 2 недели, а секунды, или, в лучшем случае, минуты?

Дело в том, что в ионизованном состоянии нейтронноизбыточные -активные изотопы распадаются гораздо быстрее, чем в неионизованном состоянии. Это происходит за счет так называемого - распада в связанное состояние, при котором электрон, вылетающий из ядра, захватывается на электронную орбиту атома. Вероятность -распада в связанное состояние очень сильно зависит от степени ионизации атома. Этот факт обоснован теоретически и подтвержден экспериментально.

            Если говорить о причинах описываемого явления, то затягивание волновой функции электрона в область ядра обеспечивает увеличение постоянной - распада в связанное состояние примерно в  раз (- заряд дочернего ядра) для полностью ионизированных атомов нейтронноизбыточных радионуклидов. Для нейтральных атомов этот эффект подавлен из-за принципа запрета Паули и экранировки валентных электронов облаком заряда внутренних электронных оболочек атома.

В этом месте я рискну напомнить читателю некоторые азы атомной физики.

1. Атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов, которые находятся на стационарных орбитах.

2. Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:  (главное);  (азимутальное);    (магнитное) и  (проекция спина).

В одном и том же атоме не может быть двух электронов, обладающих одной и той же совокупностью квантовых чисел. Этот принцип был введен в физику Паули и носит его имя. Электроны, имеющие одинаковое значение главного квантового числа , имеют близкие энергии. Говорят, что они образуют оболочку.

Данному значению главного квантового числа  соответствует  состояний, отличающихся значениями квантовых чисел  и . Проекция спина  может принимать два значения. В силу этого на оболочке с заданным главным квантовым числом  могут находиться максимум  электронов.

Для атома водорода энергия электрона зависит только от . В многоэлектронных атомах эффективное электрическое поле, в котором движутся электроны, несколько отличается от кулоновского. Поэтому вырождение по квантовому числу  в этом случае отсутствует, и оболочки расщепляются на подоболочки с заданными значениями квантовых чисел  и . Оболочки принято обозначать символами, представленными в таблице 2.

Таблица 2

Обозначения электронных оболочек

	1	2	3	4	5	…
Символ	K	L	M	N	O	…

Для полностью заполненной подоболочки суммарный орбитальный, суммарный спиновой момент и полный момент импульса равны нулю: . Именно поэтому внешние (валентные) электроны определяют величину моментов , а вместе с тем, многие характерные свойства атомов.

Принцип Паули позволяет объяснить периодическую повто­ряемость свойств атомов, обнаруженную Д.И. Менделе­евым. Периодическая система элементов начинается с атома водорода, у которого в основном состоянии имеется один - электрон с произвольной ориентацией спина. В этом состоянии атом водорода имеет кван­товые числа  (основной терм атома водорода ).

При увеличении заряда ядра атома водорода на единицу и добавлении еще одного электрона, получается атом гелия. Оба электрона в этом атоме могут находиться в - оболочке, но их спины должны быть антипараллельны в силу принципа Паули. Электронная конфигурация атома гелия имеет вид: , а его основной тер­м  ().

Согласно таблице 3 на атоме гелия заканчивается заполнение -оболочки.

Следующая строка периодической таблицы элементов Менделеева начинается с атома лития, в котором третий электрон может занять лишь уров­ень . Этот атом имеет электронную конфигурацию . Основное состоянии атома лития характеризуется квантовыми числами . То есть, основной терм лития , такой же, как у водорода. Третий (валентный) электрон атома лития, находится на более высоком энер­гетическом уровне, по сравнению с остальными двумя электронами. Он  слабее связан с ядром атома и определяет оптиче­ские и химические свойства атома.

У четвертого элемента () полностью заполня­ется - подоболочка. За бериллием следуют атомы бора, углерода, азота, кислорода, фтора и неона, у которых происходит заполнение электронами - подоболочки. В атома неона полностью за­полнены - и - оболочки. Они образуют устойчивую систему (), подобную электронной системе атома гелия. Именно этим обстоятельством обусловливаются специфические свой­ства инертных газов.

Последовательное заполнение оболочек в соответствии с таблицей 3 приводит к повторяемости электронных конфигураций и атомных термов. Именно этим объясняется периодическая повторяемость химических свойств элементов.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева указаны свойства атомов, находящихся в основном состоянии.

Таблица 3. Периодическая система элементов Менделеева

Элемент	K	L		M				N
	1s	2s	2p	3s		3p	3d	4s	4p
1Н	1	—	—	—		—	—	—	—
1Не	2	—	—	—		—	__	—	—
3Li	2	1	—	__		—	—	-—	—
4 Be	2	2	—	—		—	—	—	—
5В	2	2	1	__		—	__	—	—
6С	2	2	2	—		—	—	—	—
7N	2	2	3	—		—	—	—	—
80	2	2	4	—		—	—	—	—
9F	2	2	5	—		__	—	—	—
10 Ne	2	2	6	—		—	—	—	—
11 Na	2	8		1		—	—	—	—
12 Mg	2	8		2		—	—	—	—
13 Al	2	8		2		1	—	__	—
14 Si	2	8		2		2	—	—	—
15 P	2	8		2		3	—	—	—
16 S	2	8		2		4	—	—	—
17 Cl	2	8		2		5	—	—	—
18 Ar	2	8		2		6	—	—	—
19 К	2	8		8			—	1	—
20 Ca	2	8		8			—	2	—
21 Sc	2	8		8			1	2	—
22 Ti	2	8		8			2	2	—
23V	2	8		8			3	2	—
24 Cr	2	8		8			5	1	—
25 Mn	2	8		8			5	2	—
26 Fe	2	8		8			6	2	—
27 Co	2	8		8			7	2	—
28 Ni	2	8		8			8	2	—
29 Cu	2	8		8			10	1	—
30 Zn	2	8		8			10	2	. —
31 Ga	2	8		8			10	2	1
32 Ge	2	8		8			10	2	2
33 As	2	8		8			10	2	3
34 Se	2	8		8			10	2	4
35 Br	2	8		8			10	2	5
36 Kr	2	8			8		10	2	6

     Из таблицы 3 хорошо видно, что радионуклидов тяжелее аргона субатомные процессы в обычных условиях сильно подавлены из-за экранировки валентных электронов и кратковременности жизни электронных дырок на  и  оболочках. Легче всего организовать субатомную реакцию на радиофосфоре.

            Как уже упоминалось выше, вклад дискретного спектра в вероятность -распада ионизированного атома (т.е. процессы типа ) был изучен экспериментально в целом ряде работ коллаборации GSI (Дармштадт). При этом эффект наблюдался даже в случае слабоионизированных (однократно ионизированных) атомов. Величина эффекта оказалась необычайно большой. Например, согласно данным GSI период полураспада материнских ядер при распаде рения  в осмий , составляющий в нейтральных атомах  лет, в полностью ионизированном состоянии атомов составляет  года. Таким образом, ионизация нейтрального атома рения приводит к сокращению периода полураспада на 9 порядков. Самое главное состоит в том, что этот эффект обнаружен в прямом физическом эксперименте.

Именно из-за -распада в связанное состояние ионизованный радиофосфор распадается всего за несколько секунд. Таким образом, «горючее» шаровой молнии выгорает очень быстро, а образовавшаяся сера нерадиоактивна. Поэтому после взрыва ШМ можно исследовать только следствия появления «нежданной гостьи». К моменту появления физиков с приборами на месте разряда или взрыва шаровой молнии уже нет никакой радиации! Именно поэтому мимо радиационного механизма формирования шаровой молнии физики проскакивали, не задумываясь. Уж слишком большая экзотика. Да и с зависимостью скорости - распада от степени ионизации радионуклидов в России были знакомы всего несколько физиков. Широкая научная общественность по какой-то причине просто проигнорировала работы по - распаду в связанное состояние, несмотря на то, что публиковались они в солиднейших научных журналах людьми с безупречной репутацией квалифицированных специалистов. Например, соответствующие статьи Л.Л. Неменова, ученика и соратника Бруно Максимилиановича Понтекорво, были опубликованы в журнале «Ядерная физика» более 20 лет тому назад!   

В дополнение к вышесказанному надо сказать, что радиофосфор обладает уникальной особенностью. При каждом - распаде из образовавшегося возбужденного атома серы вылетает 2 фотона с энергией  эВ, и/или несколько Оже-электронов, немедленно попадающих в электрическое поле шаровой молнии. Эти фотоны и электроны «обдирают» электронные оболочки радиофосфора, открывая канал -распада в связанное состояние. То есть, число ядер, принимающих участие в индуцированном -распаде может расти. Именно поэтому в парах химических соединений радиофосфора может начаться цепная реакция.  Эта реакция не является цепной реакцией деления, и в ней задействованы не только ядерные, но и атомные степени свободы. В этом состоит ее абсолютная уникальность. Она лежит на стыке атомной и ядерной физики.  Я назвал ее цепной субатомной реакцией -распада в связанное состояние.

Но шаровая молния – это всего лишь одно, хотя и очень важное проявление цепных субатомных процессов. Другой архиважный пример – линейная молния. С ней дело обстоит намного хитрее.

Вся доступная на сегодняшний день совокупность наблюдательных и экспериментальных данных говорит о том, что линейные молнии - это несостоявшиеся шаровые. Электрический разряд (траектория линейной молнии)  идет вдоль зоны ионизации воздуха. То есть там, где за счет - распада радиофосфора воздух предварительно ионизован. Поэтому неудивительно, что вблизи земли основной канал линейной молнии распадается на кучу стриммеров.

"Следы преступления" линейная молния заметает тем же способом, что и шаровая. В столбе ионизованного газа радиофосфор мгновенно распадается, и радиоактивность искать бесполезно. Проявляет себя радиофосфор четырьмя признаками:

1)в воздухе пахнет грозой (озоном) до того, как она началась;

2)электрический разряд наступает при напряжениях, в 10 раз меньших, чем в лаборатории;

3)канал разряда рассыпается во фрактальную структуру у поверхности земли, куда радиофосфор натащило дождевой водой, и он начал парить, образуя множество струек ионизованного воздуха;

4)ШМ предпочтительно образуется в канале разряда ЛМ.

Точно также можно описать физику огней Святого Эльма. Существенно сложнее теория торнадо. Однако все эти (и многие другие) явления аккуратно вписываются в рамки теории цепных (в ряде случаев индуцированных, но не цепных) субатомных реакций - распада в связанное состояние.

Особое место в кругу упомянутых явлений занимают НЛО, приводящие к образованию кругов на полях. Для них характерны размеры (и запасы «горючего»), намного большие, чем у ШМ, но намного меньшие, чем у торнадо.

  Написать письмо