Сокровищница XXI века - Владислав Иванович Кузнецов

Дешевая энергия и пресная вода, добытые в изобилии, станут одним из важнейших факторов, обеспечивающих развитие коммунистического общества. С корабельных верфей сойдут быстроходные суда, способные совершать несколько кругосветных путешествий, не заправляясь горючим. С космодромов возьмут старт сверхмощные межпланетные ракеты. Их двигатели будут заряжены плутонием, накопленным в реакторах-размножителях, калорийность которого в миллионы раз превосходит химическую энергию лучшего обычного топлива. Ученые надеются, что в начале XXI века космические путешествия на Марс будут совершаться на кораблях, движимых энергией ядерного реактора. На ядерной энергии НННИи сможет работать система жизнеобеспечения космонавтов. Реакторы снабдят теплом, светом первые поселения людей на Луне и, возможно, на других планетах.

УГЛЕРОДНАЯ ПАМЯТЬ

Синтез элементов происходит не только в отдаленных галактиках, в звездах и центре Солнца. В атмосфере самой Земли рождаются необычные атомы.

Атмосферу непрерывно бомбардируют потоки космических протонов — ядер водорода, летящих со скоростью, близкой к скорости света. Уже в верхних слоях атмосферы протоны сталкиваются с ядрами азота и кислорода. При таких столкновениях сложные ядра азота и кислорода разрушаются и рождаются свободные нейтроны. Нейтроны, в свою очередь, взаимодействуют с веществом атмосферы и, конечно, чаще всего с ее основной составной частью — азотом. Иногда быстрый нейтрон выбивает из ядра азота протон и занимает его место. Происходит ядерное превращение: атом азота становится углеродным атомом. Только не обычным, а радиоактивным. В таком атоме на целых два нейтрона больше, чем в атоме самого распространенного изотопа углерод-12. Исторически радиоуглеродом принято называть углерод-14, хотя сегодня наберется десяток искусственных радиоактивных изотопов элемента № 6. Углерод-14 испускает ядерные электроны и со временем переходит в азот. За 5700 лет половина атомов радиоуглерода становится азотом.

Синтез радиоуглерода в основном протекает на высоте около пятнадцати километров. Во всей земной атмосфере за год образуется примерно семь килограммов радиоуглерода. Вспомним популярную задачу о сосуде с двумя отверстиями. В одно втекает, скажем, 7 килограммов воды в год, а в другое, проделанное в дне, вода вытекает. Вначале утечка мала, но с подъемом уровня воды повышается давление на днище сосуда и скорость утечки увеличивается. Наконец, когда в бассейне набирается 60 тонн воды, утечка становится равной притоку. Вода в бассейне остается на одном уровне. Шестьдесят тонн — равновесное количество.

То же самое происходит и с радиоуглеродом. Чтобы приток из атмосферы уравновешивался распадом, нужно 60 тонн углерода. Тогда в год будет распадаться 7 килограммов углерода. Столько же и накапливается в потоке космических частиц. В воздухе углерод окисляется и переходит в углекислый газ.

Двуокись углерода — одно из основных веществ, необходимых для возникновения живого организма. На каждый биллион молекул двуокиси углерода, содержащихся в воздухе, приходится одна, в состав которой входит радиоактивный углерод. Радиоактивные молекулы усваиваются растениями, животными, человеком. Таким образом, углерод всего живого в определенной степени радиоактивен. Каждую секунду в грамме «живого» углерода африканского слона или белого медведя происходит примерно 15 распадов углеродных атомов. Число распадов не зависит от географических координат. Взятый в Европе или Азии, на Антильских островах или в Карелии кусок живой ткани будет одинаково радиоактивым. Опыт показывает, что концентрация радиоактивного углерода одинакова во всем живом, населяющем нашу планету, хотя, на первый взгляд, белый медведь должен быть радиоактивнее слона — радиоуглерод образуется в полярных областях, прилегающих к магнитным полюсам. Попав в околоземное пространство, положительно заряженный космический протон движется вдоль силовых магнитных линий земного магнитного поля. Точнее, по винтовой линии, ось которой— силовая линия. Благодаря этому протоны попадают в атмосферу в области магнитных полюсов, где силовые линии «вонзаются» в земную поверхность. Там и возникают нейтронные потоки, протекают ядерные реакции, рождаются ядра не только углерода-14, но и трития — тяжелого радиоактивного водорода, бериллия с необычным числом нейтронов. Равномерное распределение радиоуглерода обеспечивает сама атмосфера: воздушный океан полностью перемешивается за пять, максимум десять лет — время, значительно меньшее потребного на установление радиоактивного равновесия углерода-14 в атмосфере.

Ученые в начале пятидесятых годов обратили внимание на два существенных обстоятельства: во-первых, организмы непрерывно усваивают из воздуха или с пищей двуокись углерода. Во-вторых, как только живой организм погибает, углеродный обмен с атмосферой, прямой или косвенный, прекращается. Таким образом, в тканях мертвых растений, в костях животных распавшийся радиоуглерод не пополняется и его концентрация становится все меньше и меньше. Следовательно, концентрация радиоуглерода связана со временем, прошедшим с момента гибели организма.

Писаная история человечества насчитывает несколько тысяч лет. Радиоуглеродные часы с заводом на тысячелетия как раз подходят для того, чтобы сложить отдельные фрагменты человеческой культуры в правильной последовательности.

Скорость распада углерода-14 вычисляют, измеряя время обычными часами. Допустим, в 100 году предмет содержал 200 граммов радиоуглерода, а 5700 лет спустя, в 6700 году, в нем осталось половина — 100 граммов. Тогда говорят, что период полураспада углерода-14 равен 5700 лет.

На деле, конечно, период полураспада изотопа измеряют сразу. «Сразу» — означает несколько часов, иногда суток. Физику достаточно знать, сколько атомов изотопа X распадается за секунду, чтобы по простым формулам рассчитать период полураспада.

Период полураспада радиоуглерода одного порядка со временем существования человеческой культуры. Если бы углерод-14 распадался наполовину, допустим за 100 лет, то в деревянных изделиях Древней Греции не осталось бы никаких следов углеродной активности. Столетний изотоп пригодился бы для измерения возраста предметов не старше 1000 лет. С другой стороны, очень большой период полураспада, например миллион лет, означал бы, что в предметах тысячелетней давности число радиоактивных атомов практически не изменилось. Возраст египетских деревянных предметов определить бы не удалось. Таким образом, углерод-14 как будто бы нарочно создан для датировки человеческой истории. Особенную роль радиоуглеродный способ сыграл при изучении культуры Американского континента, где не было оставлено никаких письменных памятников, если не считать записей индейцев майя.

В середине сороковых годов американские ученые обнаружили пещеру, в которой оказался целый склад доисторической обуви: триста пар плетеных сандалий. В то время казалось, что дату их изготовления определить не удастся, хотя это и было очень важным для изучения истории человека на Американском континенте.

Прошло несколько лет — и доисторическая обувь попала в лабораторию физиков. По числу распадов углерода они установили возраст находки — он оказался равным 9000 лет.

Измерение числа распадов радиоуглерода — дело кропотливое. Процесс измерения начинается с того, что углерод,